Cirkulær polarisering

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 16. august 2021; checks kræver 6 redigeringer .

I elektrodynamik er cirkulær polarisering eller på anden måde cirkulær polarisering af elektromagnetisk stråling en af polarisationstilstandene , hvor den elektriske feltvektor E i hvert punkt af bølgens elektromagnetiske felt har en konstant værdi, men dens retning roterer med en konstant hastighed i et plan vinkelret på bølgens udbredelsesretning.

Cirkulær polarisering kan betragtes som et særligt tilfælde af det mere generelle begreb elliptisk polarisering , når enderne af vektorerne E og H af det elektriske felt og magnetfeltet af en elektromagnetisk bølge beskriver ellipser under rotation. Elliptisk polarisering opstår, når to indbyrdes vinkelrette lineært polariserede oscillationer med forskellige amplituder og faseforskel tilføjes. Fra dette synspunkt kan lineær polarisering også betragtes som et andet begrænsende specialtilfælde af elliptisk polarisering .

Generel beskrivelse

I tilfælde af en cirkulært polariseret bølge, som vist i den medfølgende animation, beskriver toppunktet af den elektriske feltvektor på et givet punkt i rummet en cirkel over tid. Over tid bevæger toppen af bølgens elektriske feltvektor sig i en spiral, orienteret langs den elektromagnetiske bølges udbredelsesretning.

En cirkulært polariseret bølge kan rotere i en af to mulige retninger: højre cirkulær polarisation, hvor den elektriske feltvektor roterer til højre i forhold til udbredelsesretningen, og venstre cirkulær polarisation, hvor vektoren roterer til venstre.

Konvertering af cirkulær polarisering til lineær polarisering og omvendt

Lys med cirkulær polarisering kan konverteres til lys med lineær polarisering ved at føre det gennem en kvartbølgeplade . Passagen af lineært polariseret lys gennem en kvartbølgeplade med akser på 45° til polarisationsaksen konverterer det til cirkulær polarisering. Dette er den mest almindelige måde at opnå cirkulær polarisering på i praksis. Det skal bemærkes, at passagen af lineært polariseret lys gennem en kvartbølgeplade i en anden vinkel end 45° normalt resulterer i elliptisk polarisering.

Om vilkår

Feltet anses for at være højregående cirkulært polariseret, hvis den elektriske feltvektor E , set fra kildens synspunkt, der ser i samme retning som bølgeudbredelsesretningen, roterer med uret. Den anden animation er en illustration af venstrehåndet cirkulær polarisering (rotation mod uret af den elektriske feltvektor E ) ved brug af den samme regel. Denne definition følger Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standard og er derfor almindeligt anvendt i ingeniørsamfundet [1] [2] [3] . Radioastronomer bruger også denne definition i overensstemmelse med resolutionen fra Den Internationale Astronomiske Union (IAU) vedtaget i 1973 [4] En alternativ definition bruges ofte i den optiske litteratur, når rotationsretningen for polarisationsvektoren betragtes fra punktet modtagerens syn [5] [6] Denne definition bruges også i værker af medlemmer af den internationale sammenslutning af videnskabsmænd og ingeniører inden for optik og fotonik - Society of Optics and Photonics (SPIE). [7] I mange fysiklærebøger om optik bruges den anden definition, når lys beskrives fra modtagerens synspunkt [8] [5] . For at undgå forvirring anbefales det, når man diskuterer polariseringsspørgsmål, at angive "defineret fra kildens synspunkt" eller "defineret fra modtagerens synspunkt".

Dikroisme

Det er kendt, at lys med venstre og højre cirkulær polarisering absorberes forskelligt, når det passerer gennem opløsninger af optisk aktive molekyler. Dette fænomen med differentiel absorption af lys kaldes cirkulær dichroisme eller cirkulær dichroisme . Cirkulær dikroisme er grundlaget for en form for spektroskopi, der bruges til at bestemme optisk isomeri og den sekundære struktur af molekyler. Cirkulær dikroisme forekommer i de fleste biologiske molekyler på grund af de højredrejende (f.eks. nogle sukkerarter) og venstredrejende (f.eks. nogle aminosyrer) molekyler, de indeholder. Det er også bemærkelsesværdigt, at den sekundære struktur af biologiske molekyler også vil skabe separat cirkulær dikroisme til deres respektive molekyler. Derfor har alfa-helix , beta-sheet og regioner af tilfældige spoler af proteiner og dobbelthelix nukleinsyrer karakteristiske manifestationer af cirkulær dikroisme af spektrale signaler, der karakteriserer deres strukturer.

Derudover vil selv ikke-chirale molekyler, det vil sige perfekt spejlsymmetriske molekyler, under korrekt valgte forhold udvise magnetisk cirkulær dikroisme induceret af et magnetfelt.

Luminescens

Cirkulært polariseret luminescens kan forekomme, når en phosphor eller ensemble af phosphor er chiral . Graden af polarisering af stråling kvantificeres på samme måde som for cirkulær dikroisme , hvad angår dissymmetrifaktoren , også nogle gange kaldet anisotropifaktoren . Det er defineret som:

g_{em}\ =\ 2\left({\theta _{\mathrm {venstre} }-\theta _{\mathrm {højre} } \over \theta _{\mathrm {venstre} }+\ theta _{\mathrm {højre} }}\right)

hvor svarer til kvanteudbyttet af lys med venstre cirkulær polarisation og for lys med højre cirkulær polarisation. $\theta _{\mathrm {venstre} }$ $\theta _{\mathrm {højre} }$

Således er den maksimale absolutte værdi af g em svarende til rene venstre eller rene højre cirkulære polariseringer 2. I mellemtiden er den mindste absolutte værdi, som g em kan nå , svarende til lineært polariseret eller upolariseret lys, nul.

Matematisk beskrivelse

Den klassiske løsning af den elektromagnetiske bølgeligning , det vil sige ligningen, der beskriver udbredelsen af elektromagnetiske bølger gennem et medium eller i et vakuum, for tilfældet med en plan sinusformet bølge for elektriske og magnetiske felter er

{\begin{aligned}\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)&=\left|\,\mathbf {E} \,\right|\mathrm {Re} \left\{\ mathbf {Q} \left|\psi \right\rangle \exp \left[i\left(kz-\omega t\right)\right]\right\}\\\mathbf {B} (\mathbf {r} ,t)&={\hat {\mathbf {z} }}\times \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)\end{aligned}}

hvor k er bølgetallet ,

\omega =ck

er bølgens vinkelfrekvens , en ortogonal matrix, hvis søjler definerer det tværgående xy-plan, og er lysets hastighed . $\mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} )),{\hat {\mathbf {y} }}\right]$ $2\ gange 2$ $c$

Her

\left|\,\mathbf {E} \,\right|

er feltamplituden og

|\psi \rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\begin{pmatrix}\psi _{x}\\\psi _{y}\end{pmatrix}} ={\begin{pmatrix}\cos \theta \exp \left(i\alpha _{x}\right)\\\sin \theta \exp \left(i\alpha _{y}\right)\end{ pmatrix}}

den normaliserede Jones-vektor i xy-planet. Hvis den drejes med en radian i forhold til , og amplituden x er lig med amplituden y, hvor bølgen har cirkulær polarisering. Jones-vektoren har formen ${\displaystyle \alpha _{y))$ $\pi /2$ $\alpha _{x}$

|\psi \rangle ={1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\\pm i\end{pmatrix}}\exp \left(i\alpha _{x }\ret)

hvor plustegnet angiver venstre cirkulær polarisering og minustegnet angiver højre cirkulær polarisering. I tilfælde af cirkulær polarisering roterer den elektriske feltvektor af konstant størrelse i xy-planet.

Hvis basisvektorerne er defineret sådan, at

|R\rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\-i\end{pmatrix }}

-en

|L\rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\i\end{pmatrix} }

så kan polarisationstilstanden skrives i "RL basis" som

|\psi \rangle =\psi _{R}|R\rangle +\psi _{L}|L\rangle

hvor

{\begin{aligned}\psi _{R}~&{\stackrel {\mathrm {def} }{=}}~{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\ cos \theta +i\sin \theta \exp \left(i\delta \right)\right)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\\\psi _{L}~&{\ stackrel {\mathrm {def} }{=}}~{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\cos \theta -i\sin \theta \exp \left(i\delta \right )\right)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\end{aligned}}

-en

\delta =\alpha _{y}-\alpha _{x}.

Cirkulær polarisering i naturen

Der kendes kun få mekanismer i naturen, som systematisk producerer cirkulært polariseret lys. I 1911 opdagede Albert Michelson , at lys reflekteret fra den gyldne skarabeebille Chrysina resplendens overvejende var venstrehåndet. Siden da er cirkulær polarisering blevet fundet i flere andre skarabeebiller , såsom Chrysina gloriosa , [9] samt nogle krebsdyr , såsom mantis-rejen . I disse tilfælde er hovedmekanismen heliciteten af den kitinøse kutikula på molekylært niveau. [10] .

Bioluminescensen af ildfluelarver er også cirkulært polariseret, som det blev rapporteret i 1980 for arterne Photuris lucicrescens og Photuris versicolor . For ildfluer er det sværere at finde en mikroskopisk forklaring på polariseringen, fordi larvernes venstre og højre lanterner har vist sig at udsende polariseret lys med modsat rotation. Forfatterne antager, at lineært polariseret lys indledningsvis udsendes på grund af inhomogeniteter inden for justerede fotocytter , og det bliver cirkulært polariseret og passerer gennem vævet med lineær dobbeltbrydning. [elleve]

Vand-luft-grænseflader er en anden kilde til cirkulær polarisering. Sollys, der er spredt tilbage af overfladen, er lineært polariseret. Hvis dette lys derefter reflekteres fuldstændig internt nedad, gennemgår dets lodrette komponent et faseskift. For en undervandsobservatør, der kigger op, er det svage lys fra Snell-vinduet således delvist cirkulært polariseret. [12]

Svagere kilder til cirkulær polarisering i naturen omfatter multiple spredning af lineære polarisatorer, såsom i cirkulært polariseret stjernelys, og selektiv absorption af cirkulært dikroiske medier .

To arter af mantis-rejer rapporteres at være i stand til at detektere cirkulært polariseret lys. [13] [14]

Se også

Bølgepolarisering
Polarisator
Kiralitet
stereo kinematografi
Bølgeplade
Sinusformede planbølgeløsninger af den elektromagnetiske bølgeligning
Fotonpolarisering

Litteratur

Landsberg G. S. . - Ed. 6. stereo .. - M . : Fizmatlit , 2003. - 848 s. — ISBN 5-9221-0314-8 . .
Born M. , Wolf E. Fundamentals of optics. Ed. 2. - M . : "Nauka" , 1973. - 720 s.
Fysisk encyklopædisk ordbog. — M .: Soviet Encyclopedia , 1984.

Links

↑ IEEE Std 149-1979 (R2008), "IEEE Standard Test Procedures for Antennas". Genbekræftet 10. december 2008, Godkendt 15. december 1977, IEEE-SA Standards Board. Godkendt 9. oktober 2003, American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109/IEEEESTD.1979.120310 , sek. 11.1, s. 61."fornemmelsen af polarisering eller håndthed ... kaldes højrehåndet (venstrehåndet), hvis rotationsretningen er med uret (mod uret) for en observatør, der ser i udbredelsesretningen"
↑ Elektromagnetiske bølger og antenner – SJ Orfanidis: Fodnote s.45, "de fleste tekniske tekster bruger IEEE-konventionen og de fleste fysiktekster, den modsatte konvention."
↑ Elektromagnetiske bølger og antenner – SJ Orfanidis Pg 44 "Krøl fingrene på din venstre og højre hånd til en knytnæve og peg begge tommelfingre mod udbredelsesretningen"
↑ IAU General Assembly Meeting, 1973, Kommission 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. POLARISATIONSDEFINITIONER -- "En arbejdsgruppe ledet af Westerhout blev indkaldt for at diskutere definitionen af polarisationslysstyrketemperaturer, der bruges i beskrivelsen af polariserede udvidede objekter og Følgende resolution blev vedtaget af kommission 25 og 40: 'AFGØRTE, at referencerammen for Stokes-parametrene er den for højre opstigning og deklination med positionsvinklen for den elektriske vektormaksimum, q, startende fra nord og stigende gennem øst. Elliptisk polarisering er defineret i overensstemmelse med definitionerne fra Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Standard 211, 1969). Målt på et fast punkt i rummet, stiger med tiden, beskrives som højrehåndet og positivt."
↑ 1 2 Polarisering i spektrallinjer. 2004 E. Landi Degl'innocenti, M Landolfi Afsnit 1.2 "Når ... spidsen af den elektriske feltvektor roterer med uret for en observatør, der vender mod strålingskilden, ... (det vil blive betragtet) ... positiv (eller højrehåndet) ) polar cirkularisering, Vores konvention, ... stemmer overens med dem, der er foreslået i de klassiske lærebøger om polariseret lys af Shurcliff (1952) og af Clarke og Grainger (1971). astronomer, der arbejder inden for polarimetri Mange radioastronomer på den anden side , brug den modsatte konvention [1] Arkiveret 15. april 2021 på Wayback Machine
↑ HÅNDBOG OPTIK Bind I, Devices, Measurements and Properties, Michael Bass Side 272 Fodnote: "Højre-cirkulært polariseret lys er defineret som en rotation med uret af den elektriske vektor, når observatøren ser mod den retning, bølgen bevæger sig."
↑ Polarisationsellipsen . spie.org . Hentet 13. april 2018. Arkiveret fra originalen 24. september 2018. (ubestemt)
↑ Forelæsninger om fysik Feynman (Vol. 1, kap. 33-1) "Hvis enden af den elektriske vektor, når vi ser på den, mens lyset kommer lige imod os, går rundt i en retning mod uret, kalder vi det ... Vores konvention for mærkning af venstre- og højrehånds cirkulær polarisation er i overensstemmelse med den, der bruges i dag for alle de andre partikler i fysikken, som udviser polarisering (f.eks. elektroner). bøger om optik bruges de modsatte konventioner, så man skal passe på."
↑ Srinivasarao, Mohan; Park, Jung Ok; Crne, Matija; Sharma, Vivek. Structural Origin of Circularly Polarized Iridescence in Jeweled Beetles // Science : journal. - 2009. - 24. juli ( bd. 325 , nr. 5939 ). - S. 449-451 . - doi : 10.1126/science.1172051 . — PMID 19628862 .
↑ Hegedüs, Ramón; Győző Szelb; Gabor Horvath. Billeddannende polarimetri af den cirkulært polariserende kutikula af skarabeebiller (Coleoptera: Rutelidae, Cetoniidae ) // Vision Research : journal. - 2006. - September ( bind 46 , nr. 17 ). - P. 2786-2797 . - doi : 10.1016/j.visres.2006.02.007 . — PMID 16564066 . Arkiveret fra originalen den 21. juli 2011.
↑ Wynberg, Hans; Meijer, E. W.; Hummelen, JC; Dekkers, HPJM; Schippers, P.H.; Carlson, AD Cirkulær polarisering observeret i bioluminescens // Nature . - 1980. - 7. august ( bd. 286 , nr. 5773 ). - s. 641-642 . - doi : 10.1038/286641a0 . — . Arkiveret fra originalen den 24. juli 2011.
↑ Horvath, Gabor; Dezso Varju. Polariseret lys i dyresyn : Polariseringsmønstre i naturen . - Springer, 2003. - S. 100-103. - ISBN 978-3-540-40457-6 .
↑ Tsyr-Huei Chiou; Sonja Kleinlogel; Tom Cronin; Roy Caldwell; Birte Loeffler; Afsheen Siddiqi; Alan Goldizen; Justin Marshall. Cirkulært polariseringssyn i et stomatopod-krebsdyr // Current Biology . - Cell Press , 2008. - Vol. 18 , nr. 6 . - S. 429-434 . - doi : 10.1016/j.cub.2008.02.066 . — PMID 18356053 .
↑ Sonja Kleinlogel; Andrew White. Rejernes hemmelige verden: polarisationsvision når det er bedst (engelsk) // PLOS One : journal. - 2008. - Bd. 3 , nr. 5 . —P.e2190 . _ doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . - . - arXiv : 0804.2162 . — PMID 18478095 .

Wikimedia Commons har medier relateret til cirkulær polarisering

Ordbøger og encyklopædier	Britannica (online)