Polarizasyon (dalgalar) - Polarization (waves)

Kauçuk iplik üzerinde dairesel polarizasyon, lineer polarizasyona dönüştürülmüş

Polarizasyon ( ayrıca polarizasyon ), salınımların geometrik yönünü belirleyen enine dalgalara uygulanan bir özelliktir . Enine bir dalgada, salınımın yönü dalganın hareket yönüne diktir. Polarize enine dalganın basit bir örneği, gergin bir ip boyunca hareket eden titreşimlerdir (resme bakın) ; örneğin, gitar teli gibi bir müzik aletinde . İpin nasıl koparıldığına bağlı olarak, titreşimler dikey yönde, yatay yönde veya ipe dik olan herhangi bir açıda olabilir. Buna karşılık, ses dalgaları gibi boyuna dalgalardabir sıvı veya gazda, salınımdaki parçacıkların yer değiştirmesi her zaman yayılma yönündedir, bu nedenle bu dalgalar polarizasyon göstermez. Polarizasyon sergileyen enine dalgalar, ışık ve radyo dalgaları gibi elektromanyetik dalgaları , yerçekimi dalgalarını ve katılardaki enine ses dalgalarını ( kesme dalgaları ) içerir.

Işık gibi bir elektromanyetik dalga , birbirine her zaman dik olan bir çift salınımlı elektrik alanı ve manyetik alandan oluşur; Geleneksel olarak, elektromanyetik dalgaların "kutuplaşması", elektrik alanının yönünü ifade eder. Gelen doğrusal polarizasyon , alanlar tek yönde salınım. Olarak dairesel ya da eliptik polarizasyon dalganın olarak, alanlar bir düzlemde sabit bir oranda dönmektedir. Döndürmenin iki olası yönü olabilir; Alanlar dalganın ilerleme yönüne göre sağ yönde dönüyorsa buna sağ dairesel polarizasyon , alanlar sol yönde dönüyorsa sol dairesel polarizasyon denir .

Güneş, alevler ve akkor lambalar gibi birçok kaynaktan gelen ışık veya diğer elektromanyetik radyasyon, eşit polarizasyon karışımına sahip kısa dalga katarlarından oluşur; buna polarize olmayan ışık denir . Polarize ışık, polarize olmayan ışığın yalnızca bir polarizasyondaki dalgaların geçmesine izin veren bir polarizörden geçirilmesiyle üretilebilir . En yaygın optik malzemeler ışığın polarizasyonunu etkilemez, ancak bazı malzemeler ( çift ​​kırılma , dikroizm veya optik aktivite sergileyenler) polarizasyonuna bağlı olarak ışığı farklı şekilde etkiler. Bunlardan bazıları polarize filtreler yapmak için kullanılır. Işık, bir yüzeyden yansıdığında da kısmen polarize olur.

Kuantum mekaniğine göre , elektromanyetik dalgalar, foton adı verilen parçacıkların akışları olarak da görülebilir . Bu şekilde bakıldığında, bir elektromanyetik dalganın polarizasyonu, fotonların spin adı verilen kuantum mekaniksel özelliği tarafından belirlenir . Bir foton iki olası dönüşten birine sahiptir: hareket yönü hakkında sağ veya sol anlamda dönebilir . Dairesel polarize elektromanyetik dalgalar, ya sağda ya da solda olmak üzere yalnızca bir tür dönüşe sahip fotonlardan oluşur. Doğrusal polarize dalgalar, bir düzlemde salınım vermek üzere eşit genlik ve fazlarla senkronize edilmiş, sağ ve sol dairesel polarize durumların süperpozisyonunda olan fotonlardan oluşur.

Polarizasyon, optik , sismoloji , radyo ve mikrodalgalar gibi enine dalgalarla ilgilenen bilim alanlarında önemli bir parametredir . Özellikle lazerler , kablosuz ve fiber optik telekomünikasyon ve radar gibi teknolojiler etkileniyor .

Tanıtım

Dalga yayılımı ve polarizasyon

çapraz doğrusal polarize

Çoğu ışık kaynağı, farklı uzamsal özelliklere, frekanslara (dalga boyları), fazlara ve polarizasyon durumlarına sahip rastgele bir dalga karışımından oluştuğu için tutarsız ve polarize olmayan (veya yalnızca "kısmen polarize") olarak sınıflandırılır. Bununla birlikte, elektromanyetik dalgaları ve özellikle polarizasyonu anlamak için, sadece tutarlı düzlem dalgalarını düşünmek daha kolaydır ; bunlar belirli bir yönün (veya dalga vektörünün ), frekansın, fazın ve polarizasyon durumunun sinüzoidal dalgalarıdır . Bir optik sistemi bir düzlem dalga ile ilgili olarak verilen parametrelerle karakterize etmek, daha genel bir duruma tepkisini tahmin etmek için kullanılabilir, çünkü belirli herhangi bir uzaysal yapıya sahip bir dalga, düzlem dalgaların bir kombinasyonuna (buna açısal spektrum ). Tutarsız durumlar, bazı frekans ( tayfı ), fazlar ve polarizasyon dağılımı ile bu tür korelasyonsuz dalgaların ağırlıklı bir kombinasyonu olarak stokastik olarak modellenebilir .

Enine elektromanyetik dalgalar

Dalga boyu λ olan "dikey olarak polarize" bir elektromanyetik dalga , dikey yönde salınan elektrik alan vektörüne E (kırmızı) sahiptir. Manyetik alan B (veya H ) her zaman ona dik açıdadır (mavi) ve her ikisi de yayılma yönüne ( z ) diktir .

Elektromanyetik dalgalar boş alan ya da başka bir seyahat (hafif gibi), homojen bir izotropik olmayan zayıflatıcı ortamı, düzgün olarak tanımlanan enine dalgaları bir uçak dalganın elektrik alan vektörünün, yani E ve manyetik alan H (veya "çapraz dik yönde olan " to) dalga yayılma yönü; E ve H de birbirine diktir. Geleneksel olarak, bir elektromanyetik dalganın "kutuplaşma" yönü, elektrik alan vektörü tarafından verilir. Optik frekansı f olan tek renkli bir düzlem dalgayı göz önünde bulundurarak (vakum dalga boyuna sahip ışık, f = c/λ frekansına sahiptir, burada c ışık hızıdır), yayılma yönünü z ekseni olarak alalım . Enine dalga oldukları için E ve H alanları yalnızca x ve y yönlerinde bileşenleri içermelidir, oysa E z = H z = 0 . Kullanılması kompleksi (veya fazör ) gösterimi, anlık fiziksel elektrik ve manyetik alanlar tarafından verilen gerçek parça aşağıdaki denklemler ortaya çıkan karmaşık miktarlarda. t zamanının ve z uzaysal konumunun bir fonksiyonu olarak (+ z yönündeki bir düzlem dalga için alanların x veya y'ye bağımlılığı olmadığından ) bu karmaşık alanlar şu şekilde yazılabilir:

ve

burada λ = λ 0 / N olan dalga boyu ortam içinde ( kırılma indisi olan , n ) ve T = 1 / f dalgasının süredir. Burada e x , e y , h x ve h y karmaşık sayılardır. İkinci daha kompakt formda, bu denklemler geleneksel olarak ifade edildiği gibi, bu faktörler dalga sayısı ve açısal frekans (veya "radyan frekansı") kullanılarak tanımlanır . Yayılımı ile daha genel bir formülasyonda değil sınırlı + z yönünde, ardından uzaysal bağımlılık kz ile değiştirildiği burada adı dalga vektörü , dalga olan büyüklüğü olan.

Bu nedenle, önde gelen e ve h vektörlerinin her biri, dalganın x ve y polarizasyon bileşenlerinin genliğini ve fazını tanımlayan en fazla iki sıfır olmayan (karmaşık) bileşen içerir (yine, + z yönünde bir enine dalga için z polarizasyon bileşeni olamaz ) . Bir verilen bir ortam için karakteristik empedans , s ilgilidir e için:

ve

.

Bir dielektrik olarak, η gerçek ve değeri vardır η 0 / n , nerede n kırılma indisi ve η 0 boşluğun empedansı olduğunu. İletken bir ortamda empedans karmaşık olacaktır. Bu ilişki göz önüne alındığında, E ve H'nin nokta çarpımının sıfır olması gerektiğine dikkat edin:

beklendiği gibi bu vektörlerin ortogonal ( birbirlerine dik açılarda) olduğunu gösterir.

Dolayısıyla, yayılma yönünü ( bu durumda + z ) ve η'ı bilerek, dalgayı elektrik alanını tanımlayan sadece e x ve e y cinsinden belirtebiliriz . e x ve e y içeren vektör (ancak enine dalga için mutlaka sıfır olan z bileşeni olmadan ) Jones vektörü olarak bilinir . Genel bir Jones vektörü, dalganın polarizasyon durumunu belirtmeye ek olarak, o dalganın genel büyüklüğünü ve fazını da belirtir. Spesifik olarak, ışık dalgasının yoğunluğu , iki elektrik alan bileşeninin kare büyüklüklerinin toplamı ile orantılıdır:

Ancak dalganın polarizasyon durumu (kompleks) göre yalnızca bir oran içinde , e , y için E x . O halde |e x | 2 + |e y | 2 = 1 ; bu , boş alanda (burada ) metrekare başına yaklaşık .00133 watt'lık bir yoğunluğa karşılık gelir . Ve bir dalganın mutlak fazı, polarizasyon durumunu tartışırken önemsiz olduğundan, e x'in fazının sıfır olduğunu, başka bir deyişle e x'in gerçek bir sayı olduğunu ve e y'nin karmaşık olabileceğini şart koşalım. Bu kısıtlamalar altında, e x ve e y aşağıdaki gibi temsil edilebilir:

burada polarizasyon durumu artık Q değeri (-1 < Q < 1 olacak şekilde) ve göreli faz ile tamamen parametrelenir .

Enine olmayan dalgalar

Enine dalgalara ek olarak, salınımın yayılma yönüne dik yönlerle sınırlı olmadığı birçok dalga hareketi vardır. Bu durumlar, enine dalgalara (yığın ortamdaki çoğu elektromanyetik dalga gibi) odaklanan mevcut makalenin kapsamının çok ötesindedir, ancak tutarlı bir dalganın polarizasyonunun basitçe bir Jones vektörü kullanılarak tanımlanamadığı durumların farkında olunmalıdır. az önce yaptığımız gibi.

Sadece elektromanyetik dalgaları göz önünde bulundurarak, önceki tartışmanın homojen izotropik zayıflatıcı olmayan bir ortamdaki düzlem dalgalar için kesinlikle geçerli olduğunu, oysa anizotropik bir ortamda (aşağıda tartışıldığı gibi çift kırılmalı kristaller gibi) elektrik veya manyetik alanın boyuna olabileceği gibi uzunlamasına da olabileceğini not ediyoruz . enine bileşenler. Bu durumlarda, elektrik yer değiştirmesi D ve manyetik akı yoğunluğu B hala yukarıdaki geometriye uyar, ancak şimdi bir tensör tarafından verilen elektrik duyarlılığındaki (veya manyetik geçirgenlikteki ) anizotropi nedeniyle , E (veya H ) yönü farklı olabilir. bu , D (ya da B ). İzotropik ortamlarda bile, sözde homojen olmayan dalgalar , kırılma indisi önemli bir hayali kısma (veya metaller gibi " yok olma katsayısına ") sahip olan bir ortama başlatılabilir ; bu alanlar da kesinlikle çapraz değildir. Bir dalga kılavuzunda ( optik fiber gibi) yayılan yüzey dalgaları veya dalgalar genellikle enine dalgalar değildir , ancak elektrik veya manyetik enine mod veya hibrit mod olarak tanımlanabilir.

Düz uzayda bile, düzlem dalga yaklaşımının bozulduğu odak bölgelerinde uzunlamasına alan bileşenleri üretilebilir. Aşırı bir örnek, odağında sırasıyla elektrik veya manyetik alanın tamamen boyuna (yayılma yönü boyunca) olduğu radyal veya teğetsel olarak polarize ışıktır .

İçin uzunlamasına dalgalar gibi ses dalgaları olarak sıvıların , salınım yönü ilerleme yönü boyunca tanımı gereği, yani polarizasyon sorunu normal olarak da söz konusu değildir. Öte yandan, bir yığın katı içindeki ses dalgaları, toplam üç polarizasyon bileşeni için boyuna olduğu kadar enine de olabilir. Bu durumda, enine polarizasyon, kayma geriliminin yönü ve yayılma yönüne dik yönlerde yer değiştirme ile ilişkilidir , boylamasına polarizasyon ise yayılma yönü boyunca katının sıkışmasını ve titreşimi tanımlar. Enine ve boyuna polarizasyonların diferansiyel yayılımı sismolojide önemlidir .

polarizasyon durumu

Elektrik alan salınımı

Polarizasyon en iyi, başlangıçta yalnızca saf polarizasyon durumları ve bazı optik frekanslarda yalnızca uyumlu bir sinüzoidal dalga düşünülerek anlaşılır. Bitişik diyagramdaki vektör, tek modlu bir lazer tarafından yayılan elektrik alanının salınımını tanımlayabilir (salınım frekansı tipik olarak 10 15 kat daha hızlı olacaktır). Alan , sayfaya dik z yönünde yayılan dalga ile sayfa boyunca xy düzleminde salınır . Aşağıdaki ilk iki diyagram, iki farklı yönelimde lineer polarizasyon için tam bir döngü boyunca elektrik alan vektörünü izler; bunların her biri ayrı bir polarizasyon durumu (SOP) olarak kabul edilir. 45 ° 'deki lineer polarizasyonun , aynı fazda yatay olarak lineer polarize bir dalga (en soldaki şekilde olduğu gibi) ve aynı genliğe sahip dikey olarak polarize bir dalganın eklenmesi olarak görülebileceğini unutmayın .

Polarizasyon durumu - x eksenine paralel doğrusal polarizasyon.svg
Polarizasyon durumu - +45deg.svg'ye yönelik doğrusal polarizasyon

Polarizasyon durumu - Sağ eliptik polarizasyon A.svg

Polarizasyon durumu - Sağ dairesel polarization.svg

Polarizasyon durumu - Sol dairesel polarization.svg

Dört farklı polarizasyon durumunu ve üç ortogonal projeksiyonu gösteren animasyon.
90° faz dışı iki doğrusal polarize bileşenin toplamı olarak dairesel polarize bir dalga

Şimdi, bu yatay ve dikey polarizasyon bileşenleri arasında bir faz kayması getirilecek olsaydı, üçüncü şekilde gösterildiği gibi genellikle eliptik polarizasyon elde edilirdi. Faz kayması tam olarak ±90° olduğunda dairesel polarizasyon üretilir (dördüncü ve beşinci şekiller). Böylece pratikte, lineer polarize ışıkla başlayan ve böyle bir faz kaymasını başlatmak için çeyrek dalga plakası kullanan dairesel polarizasyon yaratılır . Dönen bir elektrik alan vektörüne neden olan bu tür iki faz kaydırmalı bileşenin sonucu, sağdaki animasyonda gösterilmektedir. Dairesel veya eliptik polarizasyonun, alanın saat yönünde veya saat yönünün tersine döndürülmesini gerektirebileceğini unutmayın. Bunlar, yukarıda gösterilen iki dairesel polarizasyon gibi farklı polarizasyon durumlarına karşılık gelir.

Elbette bu açıklamada kullanılan x ve y eksenlerinin yönü isteğe bağlıdır. Böyle bir koordinat sisteminin seçimi ve polarizasyon elipsinin x ve y polarizasyon bileşenleri açısından görüntülenmesi, Jones vektörünün (aşağıda) bu temel polarizasyonlar açısından tanımına karşılık gelir . X'in geliş düzleminde olması gibi belirli bir probleme uygun eksenler tipik olarak seçilir. Geliş düzlemi içinde ve ortogonal lineer polarizasyonlar için ayrı yansıma katsayıları olduğundan ( p ve s polarizasyonları, aşağıya bakınız), bu seçim bir dalganın bir yüzeyden yansımasının hesaplanmasını büyük ölçüde basitleştirir.

Ayrıca, sadece doğrusal polarizasyonlar değil, herhangi bir ortogonal polarizasyon durumu çifti temel fonksiyonlar olarak kullanılabilir . Örneğin, sağ ve sol dairesel polarizasyonları temel fonksiyonlar olarak seçmek, dairesel çift kırılma (optik aktivite) veya dairesel dikroizm içeren problemlerin çözümünü basitleştirir.

polarizasyon elipsi

Polarizasyon elips2.svg

Tamamen polarize monokromatik bir dalga düşünün. Elektrik alan vektörü bir salınım döngüsü boyunca çizilecek olsaydı, şekilde gösterildiği gibi, belirli bir eliptik polarizasyon durumuna karşılık gelen bir elips genellikle elde edilirdi . Doğrusal polarizasyon ve dairesel polarizasyonun, eliptik polarizasyonun özel durumları olarak görülebileceğini unutmayın.

Daha sonra bir polarizasyon durumu, elipsin geometrik parametreleri ve "el kullanımı", yani elipsin etrafındaki dönüşün saat yönünde mi yoksa saat yönünün tersine mi olduğu ile ilgili olarak tarif edilebilir. Eliptik şekil belirlediği bir parametreleştirme yönelim açısı ψ elipsin büyük ekseni arasındaki açı olup, x ile birlikte -Axis elips ε  =  a / b , elipsin büyük eksenin küçük eksene oranı. ( eksenel oran olarak da bilinir ). Elips parametresi, bir elipsin alternatif bir parametreleştirme olan dış merkezli veya elips açısı , temsili olarak gösterilmektedir. Poincare küresinde (aşağıya bakınız) temsil edilen polarizasyon durumunun enlemi (ekvatordan açı) ±2 χ'ye eşit olduğu için χ açısı da önemlidir . Bir elips şekli doğrusal ve dairesel polarizasyon tekabül özel durumlar £ değerinin sonsuz ve birlik (ya da kay kare testi sıfır ve 45 °) 'dir.

Jones vektörü

Tamamen polarize bir durum hakkında tam bilgi, polarizasyon düzleminde elektrik alan vektörünün iki bileşenindeki salınımların genliği ve fazı tarafından da sağlanır. Bu temsil, farklı kutuplaşma durumlarının nasıl mümkün olduğunu göstermek için yukarıda kullanıldı. Genlik ve faz bilgisi, uygun bir şekilde iki boyutlu bir karmaşık vektör ( Jones vektörü ) olarak gösterilebilir:

Burada ve elektrik alan vektörünün iki bileşenindeki dalganın genliğini ifade ederken ve fazları temsil eder. Karmaşık sayıda birim modülüne sahip bir Jones vektörünün ürünü , aynı elipsi ve dolayısıyla aynı polarizasyon durumunu temsil eden farklı bir Jones vektörü verir. Jones vektörünün gerçek kısmı olarak fiziksel elektrik alanı değişecektir, ancak polarizasyon durumunun kendisi mutlak fazdan bağımsızdır . Baz doğrusal polarizasyon durumları temsil Jones vektör ihtiyacı temsil etmek için kullanılan vektörler (yani hem gerçek ). Genel olarak, bir ortogonal vektör çiftinin resmi olarak sıfır iç çarpımı olan biri olarak tanımlandığı herhangi iki ortogonal durum kullanılabilir . Sol ve sağ dairesel polarizasyonlar, örneğin dairesel çift kırılmalı ortamda (aşağıya bakınız) bu tür iki bileşende dalgaların farklı yayılımını veya dairesel polarizasyona duyarlı uyumlu dedektörlerin sinyal yollarını modellemek için ortak bir seçimdir.

koordinat çerçevesi

Polarizasyon durumunun geometrik parametreler veya Jones vektörleri kullanılarak temsil edilip edilmediğine bakılmaksızın, parametreleştirmede örtük olan koordinat çerçevesinin oryantasyonudur. Bu, bir serbestlik derecesine, yani yayılma yönü etrafında dönmeye izin verir. Dünya yüzeyine paralel yayılan ışık düşünüldüğünde, genellikle "yatay" ve "dikey" polarizasyon terimleri kullanılır, birincisi Jones vektörünün ilk bileşeni veya sıfır azimut açısı ile ilişkilendirilir. Diğer yandan, astronomi koordinat ekvator sistemi (daha yaygın olan önlemek karışıklığa astronomi denir, veya pozisyon açısı, genellikle sıfır azimut ile, yerine kullanılan koordinat sistemi yatay kuzeye karşılık gelir).

s ve p atamaları

Elektro vektörler , ve ile 3 düzlemsel çıkıntılar ve toplam elektrik alanının deformasyon yüzeyi ile birlikte. Işık her zaman xy düzleminde s-polarizedir. kutup açısıdır ve azimut açısıdır .

Sık kullanılan başka bir koordinat sistemi , geliş düzlemi ile ilgilidir . Bu, gelen yayılma yönü ve bir arayüz düzlemine dik olan vektör tarafından yapılan düzlemdir, başka bir deyişle, ışının yansıma veya kırılmadan önce ve sonra içinde hareket ettiği düzlemdir. Elektrik alanının bu düzleme paralel bileşenine p-benzeri (paralel) ve bu düzleme dik olan bileşene s-benzeri ( senkrecht'ten , Almanca'dan dik için) denir . Elektrik alanı geliş düzlemi boyunca olan polarize ışık bu nedenle p-polarize olarak gösterilirken , elektrik alanı geliş düzlemine normal olan ışığa s-polarize denir . P polarizasyonu yaygın olarak enine-manyetik (TM) olarak adlandırılır ve ayrıca pi-polarize veya teğet düzlem polarize olarak da adlandırılır . S polarizasyonu ayrıca enine-elektrik (TE) ve ayrıca sigma-polarize veya sagital düzlem polarize olarak adlandırılır .

Polarize olmayan ve kısmen polarize ışık

Tanım

Doğal ışık, diğer birçok yaygın görünür ışık kaynağı gibi tutarsızdır : radyasyon, emisyonları birbiriyle ilişkisiz ve genellikle rastgele polarizasyonlara sahip çok sayıda atom veya molekül tarafından bağımsız olarak üretilir . Bu durumda ışığın polarize olmadığı söylenir . Bu terim biraz kesin değildir, çünkü zamanın herhangi bir anında bir yerde elektrik ve manyetik alanlara belirli bir yön vardır, ancak polarizasyonun zaman içinde o kadar hızlı değiştiğini ima eder ki, bunun sonucuyla ölçülmeyecek veya ilgili olmayacaktır. bir deney. Sözde depolarizer , her noktada gerçekten tamamen polarize olan, ancak polarizasyonun ışın boyunca çok hızlı değiştiği ve amaçlanan uygulamalarda göz ardı edilebilecek kadar hızlı değiştiği bir polarize ışın üzerinde hareket eder .

Polarize olmayan ışık, her biri yarı yoğunluğa sahip iki bağımsız zıt polarize akımın bir karışımı olarak tanımlanabilir. Bu akımlardan birinde diğerinden daha fazla güç olduğunda ışığın kısmen polarize olduğu söylenir . Herhangi bir belirli dalga boyunda, kısmen polarize ışık, istatistiksel olarak tamamen polarize olmayan bir bileşenin ve tamamen polarize olanın süperpozisyonu olarak tanımlanabilir. Daha sonra ışık , polarizasyon derecesi ve polarize bileşenin parametreleri cinsinden tanımlanabilir . Bu polarize bileşen, yukarıda ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, bir Jones vektörü veya polarizasyon elipsi cinsinden tarif edilebilir. Bununla birlikte, polarizasyon derecesini de tanımlamak için, bir kısmi polarizasyon durumunu belirtmek için normal olarak Stokes parametreleri (aşağıya bakınız) kullanılır.

Motivasyon

Düzlem dalgaların homojen bir ortamda iletimi, Jones vektörleri ve 2×2 Jones matrisleri cinsinden tam olarak tanımlanır. Bununla birlikte, pratikte, mekansal homojensizlikler veya karşılıklı olarak tutarsız dalgaların varlığı nedeniyle ışığın tamamının bu kadar basit bir şekilde görülemediği durumlar vardır. Sözde depolarizasyon, örneğin, Jones matrisleri kullanılarak tanımlanamaz. Bu durumlar için bunun yerine Stokes 4-vektörüne etki eden bir 4×4 matrisi kullanmak olağandır. Bu tür matrisler, Mueller matrisleri olarak bilinmelerine rağmen, ilk kez 1929'da Paul Soleillet tarafından kullanıldı . Her Jones matrisinin bir Mueller matrisi olsa da, bunun tersi doğru değildir. Mueller matrisleri daha sonra , şimdi sunulacağı gibi, karmaşık yüzeylerden veya parçacık topluluklarından dalgaların saçılmasının gözlemlenen polarizasyon etkilerini tanımlamak için kullanılır .

tutarlılık matrisi

Jones vektörü , yukarıda açıklandığı gibi saf bir polarizasyon durumunu temsil eden tek bir monokromatik dalganın polarizasyon durumunu ve fazını mükemmel bir şekilde tanımlar . Bununla birlikte, farklı polarizasyonlardaki (hatta farklı frekanslardaki) dalgaların herhangi bir karışımı bir Jones vektörüne karşılık gelmez . Kısmen polarize radyasyonda alanlar stokastiktir ve elektrik alanının bileşenleri arasındaki varyasyonlar ve korelasyonlar sadece istatistiksel olarak tanımlanabilir . Böyle bir temsil tutarlılık matrisidir :

burada köşeli parantezler birçok dalga döngüsü üzerinden ortalamayı gösterir. Tutarlılık matrisinin çeşitli varyantları önerilmiştir: Wiener tutarlılık matrisi ve Richard Barakat'ın spektral tutarlılık matrisi , sinyalin bir spektral ayrışmasının tutarlılığını ölçerken , Wolf tutarlılık matrisi tüm zaman/frekansların ortalamasını alır.

Tutarlılık matrisi, polarizasyon hakkında tüm ikinci dereceden istatistiksel bilgileri içerir. Bu matris , her biri diğerine dik olan bir polarizasyon durumunu temsil eden, tutarlılık matrisinin özvektörlerine karşılık gelen iki bağımsız matrisin toplamına ayrıştırılabilir . Alternatif bir ayrıştırma, tamamen polarize (sıfır determinant) ve polarize olmayan (ölçeklendirilmiş kimlik matrisi) bileşenlere ayrılabilir. Her iki durumda da, bileşenlerin toplanması işlemi, iki bileşenden gelen dalgaların tutarsız üst üste binmesine karşılık gelir. İkinci durum, "kutuplaşma derecesi" kavramına yol açar; yani, tamamen polarize bileşenin katkıda bulunduğu toplam yoğunluğun fraksiyonu.

Stokes parametreleri

Tutarlılık matrisini görselleştirmek kolay değildir ve bu nedenle tutarsız veya kısmen polarize radyasyonu toplam yoğunluğu ( I ), (fraksiyonel) polarizasyon derecesi ( p ) ve polarizasyon elipsinin şekil parametreleri açısından tanımlamak yaygındır . Alternatif ve matematiksel olarak uygun bir açıklama, 1852'de George Gabriel Stokes tarafından tanıtılan Stokes parametreleri ile verilmektedir . Stokes parametrelerinin yoğunluk ve polarizasyon elips parametreleriyle ilişkisi, denklemlerde ve aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Burada Ip , 2ψ ve 2χ son üç Stokes parametresinin üç boyutlu uzayındaki polarizasyon durumunun küresel koordinatlarıdır . Sırasıyla, herhangi bir polarizasyon elipsinin 180° döndürülen elipsten veya 90°'lik bir dönüşle birlikte yarı eksen uzunluklarının yer değiştirdiği bir elipsten ayırt edilemez olduğu gerçeğine karşılık gelen ψ ve χ'den önceki iki faktörlerine dikkat edin. Stokes parametreleri bazen I , Q , U ve V ile gösterilir .

Dört Stokes parametresi, eksenel olmayan bir dalganın 2B polarizasyonunu tanımlamak için yeterlidir, ancak genel bir paraksiyal olmayan dalganın veya kaybolan bir alanın 3B polarizasyonunu değil.

poincare küresi

İlk Stokes parametresi S O (veya I ) ihmal edilerek , diğer üç Stokes parametresi doğrudan üç boyutlu Kartezyen koordinatlarda çizilebilir. tarafından verilen polarize bileşende verilen bir güç için

tüm polarizasyon durumları kümesi, daha sonra , ekteki diyagramda gösterildiği gibi, Poincare küresinin (ancak yarıçapı P olan ) yüzeyindeki noktalara eşlenir .

Üç Stokes parametresinin [ S 1 , S 2 , S 3 ] (veya [ Q ,  U ,  V ]) üzerinde veya altında Kartezyen koordinatlarda çizildiği Poincare küresi
Poincare küresi üzerinde polarizasyon durumlarının tasviri

Genellikle, toplam ışın gücü bu durumda bir normalize Stokes vektör toplam yoğunluğu ile Stokes vektör bölünerek kullanılır değil, ilgi konusu olan S 0 :

Normalleştirilmiş Stokes vektörü daha sonra birlik gücüne ( ) sahiptir ve üç boyutta çizilen üç önemli Stokes parametresi, saf polarizasyon durumları (burada ) için birlik yarıçaplı Poincare küresi üzerinde olacaktır . Kısmen kutuplaşmış devletler , Poincare küresinin içinde , orijinden uzakta olacaklardır . Polarize olmayan bileşen ilgi çekici olmadığında, Stokes vektörü elde etmek için daha fazla normalize edilebilir.

İşaretlendiğinde, bu nokta birlik yarıçaplı Poincare küresinin yüzeyinde yer alacak ve polarize bileşenin polarizasyon durumunu gösterecektir.

Poincare küresi üzerindeki herhangi iki antipodal nokta, ortogonal polarizasyon durumlarına atıfta bulunur. Üst üste binme , herhangi iki polarizasyon durumları arasında küre boyunca kendi konumları arasındaki mesafeye sadece bağlıdır. Yalnızca saf polarizasyon durumları bir küre üzerine haritalandığında doğru olabilen bu özellik, Poincare küresinin icadının ve böylece üzerine (veya altına) çizilen Stokes parametrelerinin kullanılmasının motivasyonudur.

IEEE'nin RHCP ve LHCP'yi Fizikçiler tarafından kullanılanların tam tersi olarak tanımladığını unutmayın. IEEE 1979 Anten Standardı, Poincare Küresinin Güney Kutbunda RHCP'yi gösterecektir. IEEE, sağ eli başparmak iletim yönünü gösterecek şekilde ve parmaklar E alanının zamanla dönüş yönünü gösterecek şekilde kullanarak RHCP'yi tanımlar. Fizikçiler ve Mühendisler tarafından kullanılan karşıt kuralların mantığı, Astronomik Gözlemlerin her zaman gelen dalganın gözlemciye doğru hareket etmesiyle yapılmasıdır, çoğu mühendis için ise vericinin arkasında durup onlardan uzaklaşan dalgayı izledikleri varsayılır. Bu makale IEEE 1979 Anten Standardını kullanmaz ve IEEE çalışmalarında tipik olarak kullanılan +t kuralını kullanmaz.

Yansıma ve yayılma için çıkarımlar

Dalga yayılımında polarizasyon

Bir boşlukta , elektrik alanının bileşenleri ışık hızında yayılır , böylece dalganın fazı uzayda ve zamanda değişirken polarizasyon durumu değişmez. Yani, + z yönündeki bir düzlem dalganın elektrik alan vektörü e aşağıdaki gibidir:

nerede k olan dalgasayısı . Yukarıda belirtildiği gibi, anlık elektrik alanı, Jones vektörünün çarpımının faz faktörünün gerçek kısmıdır . Bir elektromanyetik dalga madde ile etkileştiğinde, yayılımı malzemenin (karmaşık) kırılma indisine göre değişir . Bu kırılma indisinin gerçek veya sanal kısmı bir dalganın polarizasyon durumuna, sırasıyla çift ​​kırılma ve polarizasyon dikroizmi (veya zayıflama ) olarak bilinen özelliklere bağlı olduğunda, bir dalganın polarizasyon durumu genellikle değişecektir.

Bu tür ortamlarda, herhangi bir polarizasyon durumuna sahip bir elektromanyetik dalga, farklı yayılma sabitleriyle karşılaşan iki ortogonal polarize bileşene ayrıştırılabilir . Belirli bir yol üzerindeki yayılmanın bu iki bileşen üzerindeki etkisi, Jones matrisi olarak bilinen karmaşık bir 2x2 dönüşüm matrisi J biçiminde en kolay şekilde karakterize edilir :

Saydam bir malzemeden geçişten kaynaklanan Jones matrisi, çift kırılma kadar yayılma mesafesine de bağlıdır. Çift kırılma (aynı zamanda ortalama kırılma indisi) genellikle dağıtıcı olacaktır , yani optik frekansın (dalga boyu) bir fonksiyonu olarak değişecektir. Bununla birlikte, çift kırılmayan malzemeler söz konusu olduğunda, 2x2 Jones matrisi, yayılma sırasında polarizasyonda hiçbir değişiklik olmadığı anlamına gelen birim matrisidir (skaler faz faktörü ve zayıflama faktörü ile çarpılır ).

İki ortogonal modda yayılma etkileri için Jones matrisi şu şekilde yazılabilir:

burada g 1 ve g 2 tanımlayan kompleks sayılardır faz gecikmesi nedeniyle iki polarizasyon eigenmodlar her yayılma ve muhtemelen genlik zayıflama. T , bu yayılma modlarından Jones vektörleri için kullanılan lineer sisteme bir temel değişikliğini temsil eden üniter bir matristir ; doğrusal çift kırılma veya zayıflama durumunda modların kendileri doğrusal polarizasyon durumlarıdır, dolayısıyla koordinat eksenleri uygun şekilde seçilmişse T ve T -1 ihmal edilebilir.

çift ​​kırılma

Genliklerin değişmediği ancak bir diferansiyel faz gecikmesinin meydana geldiği çift-kırılımlı olarak adlandırılan ortamda , Jones matrisi üniter bir matristir : | g 1 | = | g 2 | = 1. Zayıflama (veya polarizasyon anlamında dikroik ) olarak adlandırılan , sadece iki polarizasyonun genliklerinin diferansiyel olarak etkilendiği ortam , bir Hermit matrisi (genellikle ortak bir faz faktörü ile çarpılır) kullanılarak tanımlanabilir. Aslında, herhangi bir matris, üniter ve pozitif Hermit matrislerinin ürünü olarak yazılabileceğinden, herhangi bir polarizasyona bağlı optik bileşen dizisi boyunca ışık yayılımı, bu iki temel dönüşüm tipinin ürünü olarak yazılabilir.

İki çapraz polarizör arasına yerleştirildiğinde stres kaynaklı çift kırılmayı gösteren plastik bir kutunun renk deseni .

Çift kırılımlı ortamlarda zayıflama yoktur, ancak iki modda bir diferansiyel faz gecikmesi oluşur. Doğrusal çift kırılmanın (yani, temel polarizasyonların ortogonal doğrusal polarizasyonlar olduğu) iyi bilinen tezahürleri, optik dalga plakalarında /geciktiricilerde ve birçok kristalde görülür . Doğrusal olarak polarize ışık çift kırılımlı bir malzemeden geçerse , polarizasyon yönü bu temel polarizasyonlardan biriyle aynı olmadığı sürece polarizasyon durumu genellikle değişecektir . Faz kayması ve dolayısıyla polarizasyon durumundaki değişiklik genellikle dalga boyuna bağlı olduğundan, iki polarizör arasında beyaz ışık altında görüntülenen bu tür nesneler, ekteki fotoğrafta görüldüğü gibi renkli etkilere yol açabilir.

Dairesel çift kırılma , özellikle kiral sıvılarda optik aktivite veya yayılma yönü boyunca bir manyetik alanın varlığından dolayı Faraday rotasyonu olarak da adlandırılır . Doğrusal olarak polarize ışık böyle bir nesneden geçtiğinde, yine doğrusal olarak polarize halde çıkacaktır, ancak polarizasyon ekseni döndürülmüş olarak çıkacaktır. Doğrusal ve dairesel çift kırılmanın bir kombinasyonu, temel polarizasyonlar olarak iki dik eliptik polarizasyona sahip olacaktır; bununla birlikte, "eliptik çift kırılma" terimi nadiren kullanılır.

Poincare küresinde vektörler tarafından çift kırılma altında alınan yollar. Yayılma modları (dönme eksenleri) kırmızı, mavi ve sarı çizgilerle, ilk vektörler kalın siyah çizgilerle ve izledikleri yollar renkli elipslerle (üç boyutlu daireleri temsil eden) gösterilir.

Bu modlara 45°'lik bir açıyla lineer polarize gelen bir dalga ile lineer çift kırılma (iki dik lineer yayılım modu ile) durumu görselleştirilebilir. Bir diferansiyel faz oluşmaya başladığında, polarizasyon eliptik hale gelir, sonunda tamamen dairesel polarizasyona (90° faz farkı), ardından eliptik ve sonunda orijinal polarizasyona dik olan lineer polarizasyona (180° faz), ardından tekrar dairesel polarizasyona (270° faz) dönüşür. ° fazı), ardından orijinal azimut açısıyla eliptik ve son olarak döngünün yeniden başladığı orijinal doğrusal polarize duruma (360° faz) geri döner. Genel olarak durum daha karmaşıktır ve Poincare küresinde yayılma modları tarafından tanımlanan eksen etrafında bir dönüş olarak karakterize edilebilir . Doğrusal (mavi), dairesel (kırmızı) ve eliptik (sarı) çift ​​kırılma örnekleri soldaki şekilde gösterilmektedir. Toplam yoğunluk ve polarizasyon derecesi etkilenmez. Çift kırılımlı ortamdaki yol uzunluğu yeterliyse, hizalanmış bir ışının (veya ışının ) iki polarizasyon bileşeni, son yayılma yönleri aynı olsa bile (giriş yüzü ve çıkış yüzü varsayılarak) malzemeden konumsal bir kayma ile çıkabilir. paraleldir). Bu genellikle kalsit kristalleri kullanılarak izlenir , bu da izleyiciye kristalin arkasındaki bir nesnenin zıt polarizasyonlarda iki hafifçe kaydırılmış görüntüsünü sunar. 1669'da Erasmus Bartholinus tarafından kutuplaşmanın ilk keşfini sağlayan bu etkiydi.

dikroizm

Bir polarizasyon modunun iletiminin tercihen azaltıldığı ortamlara dikroik veya zayıflatıcı denir . Çift kırılma gibi, zayıflama, doğrusal polarizasyon modlarına (bir kristalde) veya dairesel polarizasyon modlarına (genellikle bir sıvıda) göre olabilir.

Radyasyonun neredeyse tamamını tek bir modda bloke eden cihazlar, polarize filtreler veya basitçe " polarizörler " olarak bilinir . Bu karşılık gelir g 2 Jones matris olarak yukarıda verilen = 0. İdeal bir polarizörün çıkışı, o polarizasyon modunda giriş dalgasının orijinal genliğine eşit bir genliğe sahip belirli bir polarizasyon durumudur (genellikle doğrusal polarizasyon). Diğer polarizasyon modundaki güç ortadan kalkar. Bu nedenle, polarize olmayan ışık ideal bir polarizörden geçirilirse ( g 1 =1 ve g 2 =0) ilk gücünün tam olarak yarısı korunur. Uygulama polarizörler özellikle ucuz bir levha polarizörler ve böylece ilave kaybı g 1 Bununla birlikte, bir çok durumda liyakat daha fazla rakam polarizörü en olduğu <1. polarizasyon derecesi ya da sönme oranı bir mukayesesini içerir, g 1 için gr 2 . Jones vektörleri (yerine dalgalarının genlikleri gösterdiğine göre yoğunluk ), polarize olmayan ışıkla aydınlatıldığında istenmeyen polarizasyonda geri kalan güç olacaktır: ( g 2 / g 1 ) 2 amaçlanan polarizasyon güç.

aynasal yansıma

Genişletilmiş ortamda çift kırılma ve dikroizme ek olarak, Jones matrisleri kullanılarak tanımlanabilen polarizasyon etkileri, farklı kırılma indisine sahip iki malzeme arasındaki (yansıtıcı) arayüzde de meydana gelebilir . Bu etkiler Fresnel denklemleri tarafından ele alınır . Dalganın bir kısmı iletilir ve bir kısmı yansıtılır; belirli bir malzeme için bu oranlar (ve ayrıca yansıma fazı) geliş açısına bağlıdır ve s ve p polarizasyonları için farklıdır . Bu nedenle, yansıyan ışığın polarizasyon durumu (başlangıçta polarize olmasa bile) genellikle değiştirilir.

Brewster'ın bir ışına açısındaki bir plaka yığını , her yüzeyde s- polarize ışığın bir kısmını yansıtarak (bu tür birçok plakadan sonra) esas olarak p- polarize bir ışın bırakır.

Olarak bilinen bir geliş özel açıda bir yüzeye çarpan herhangi bir ışık Brewster açısı yansıma katsayısı, s polarizasyon sıfır, yalnızca yansıtılır s kalan -polarization. Bu ilke, s polarizasyonunun bir kısmının her Brewster açısı yüzeyinde yansıma ile kaldırıldığı ve bu tür birçok yüzeyden iletimden sonra sadece p polarizasyonunun bırakıldığı "levha yığını polarizörü" (şekle bakınız) olarak adlandırılanda kullanılır . p polarizasyonunun genellikle daha küçük yansıma katsayısı aynı zamanda polarize güneş gözlüklerinin de temelidir ; s (yatay) polarizasyonu bloke edilerek , örneğin ıslak bir sokaktan yansımadan kaynaklanan kamaşmanın çoğu giderilir.

Normal insidansta (anizotropik malzemeleri içermeyen) yansımanın önemli özel durumunda, belirli bir s veya p polarizasyonu yoktur. Hem x hem de y polarizasyon bileşenleri aynı şekilde yansıtılır ve bu nedenle yansıyan dalganın polarizasyonu gelen dalganın polarizasyonu ile aynıdır. Bununla birlikte, dairesel (veya eliptik) polarizasyon durumunda, polarizasyon durumunun eli bu şekilde tersine çevrilir, çünkü geleneksel olarak bu, yayılma yönüne göre belirlenir. Elektrik alanının +z yönündeki bir dalga için "sağ yönlü" olarak adlandırılan xy eksenleri etrafındaki dairesel dönüşü , -z yönündeki bir dalga için "solak" tır . Ama sıfırdan farklı bir geliş açısıyla yansımanın genel durumunda, böyle bir genelleme yapılamaz. Örneğin, bir dielektrik yüzeyden otlatma açısıyla yansıyan sağ dairesel polarize ışık, yine de sağ elle (ama eliptik olarak) polarize olacaktır. Normal olmayan insidansta bir metalden yansıyan lineer polarize ışık, genellikle eliptik olarak polarize olur. Bu durumlar, s ve p polarizasyon bileşenleri için farklı Fresnel katsayılarının etkilediği Jones vektörleri kullanılarak ele alınır .

Polarizasyon içeren ölçüm teknikleri

Bazı optik ölçüm teknikleri polarizasyona dayalıdır. Diğer birçok optik teknikte polarizasyon çok önemlidir veya en azından dikkate alınmalı ve kontrol edilmelidir; bu tür örnekler sayılamayacak kadar çoktur.

stres ölçümü

Plastik bardaklarda stres

Olarak mühendislik , fenomeni stres kaynaklı çift kırılma şeffaf malzeme gerilimleri hali hazırda gözlenmesine olanak sağlar. Yukarıda belirtildiği ve ekteki fotoğrafta görüldüğü gibi, çift kırılmanın renkliliği, iki polarizör arasında görüntülendiğinde tipik olarak renkli desenler oluşturur. Dış kuvvetler uygulandıkça, malzemede indüklenen iç gerilim bu şekilde gözlemlenir. Ek olarak, üretim sırasında "donmuş" gerilimler nedeniyle çift kırılma sıklıkla gözlenir. Bu, üretim sürecinde malzemenin gerilmesinden dolayı çift kırılması olan selofan bantta ünlüdür .

elipsometri

Elipsometri, düzgün bir yüzeyin optik özelliklerinin ölçümü için güçlü bir tekniktir. Böyle bir yüzeyden speküler yansımayı takiben ışığın polarizasyon durumunun ölçülmesini içerir. Bu tipik olarak geliş açısının veya dalga boyunun (veya her ikisinin) bir fonksiyonu olarak yapılır. Elipsometri yansımaya dayandığından, örneğin ışığa karşı şeffaf olması veya arka yüzünün erişilebilir olması gerekli değildir.

Elipsometri, dökme bir malzemenin bir yüzeyinin (karmaşık) kırılma indisini modellemek için kullanılabilir. Aynı zamanda , bir alt-tabaka üzerine bırakılan bir veya daha fazla ince film tabakasının parametrelerinin belirlenmesinde de çok yararlıdır . Yansıtma özelliklerinden dolayı , sadece p ve s polarizasyon bileşenlerinin tahmin edilen büyüklüğü değil , aynı zamanda bir elipsometre kullanılarak yapılan ölçümlere kıyasla yansıma üzerine göreceli faz kaymalarıdır. Normal bir elipsometre, gerçek yansıma katsayısını (aydınlatıcı ışının dikkatli fotometrik kalibrasyonunu gerektirir) ölçmez, ancak p ve s yansımalarının oranını ve ayrıca yüzey tarafından yansıma üzerine indüklenen polarizasyon eliptikliğinin (dolayısıyla adı) değişimini ölçer. okudu. Bilimde ve araştırmada kullanılmasına ek olarak, örneğin üretim süreçlerini kontrol etmek için elipsometreler yerinde kullanılır .

jeoloji

Volkanik bir kum tanesinin fotomikrografisi ; üstteki resim düzlem polarize ışık, alttaki resim çapraz polarize ışık, sol merkezdeki ölçek kutusu 0.25 milimetre.

(Doğrusal) çift kırılma özelliği kristal minerallerde yaygındır ve aslında polarizasyonun ilk keşfinde çok önemliydi. In mineraloji , bu özellik sık polarizasyon kullanılarak istismar edilir mikroskopları minerallerin belirlenmesi amacıyla,. Daha fazla ayrıntı için optik mineralojiye bakın.

Katı malzemelerdeki ses dalgaları polarizasyon sergiler. Üç kutuplaşmanın yeryüzünde farklı yayılımı, sismoloji alanında çok önemlidir . Yatay ve dikey polarize sismik dalgalar ( kesme dalgaları ) SH ve SV olarak adlandırılırken, boyuna polarizasyonlu dalgalar ( sıkıştırma dalgaları ) P-dalgaları olarak adlandırılır.

Kimya

(Yukarıda) bir kristal türünün çift-kırılımının onu tanımlamada yararlı olduğunu ve bu nedenle lineer çift-kırılımın saptanmasının özellikle jeoloji ve mineralojide yararlı olduğunu gördük . Doğrusal olarak polarize ışığın polarizasyon durumu genellikle böyle bir kristalden geçirildiğinde değişir, bu da yukarıdaki fotoğrafta görüldüğü gibi çapraz iki polarizör arasında görüntülendiğinde öne çıkmasını sağlar. Benzer şekilde kimyada, sıvı bir çözeltide polarizasyon eksenlerinin dönüşü yararlı bir ölçüm olabilir. Bir sıvıda lineer çift kırılma imkansızdır, ancak bir kiral molekül çözelti içindeyken dairesel çift kırılma olabilir. Böyle bir molekülün sağ ve sol enantiyomerleri eşit sayıda ( rasemik karışım olarak adlandırılır ) mevcut olduğunda, etkileri ortadan kalkar. Bununla birlikte, organik moleküller için daha sık olduğu gibi, yalnızca bir tane (veya birinin üstünlüğü ) olduğunda, bu dengesizliğin (veya molekülün konsantrasyonunun) büyüklüğünü ortaya koyan net bir dairesel çift kırılma (veya optik aktivite ) gözlenir. yalnızca bir enantiyomerin mevcut olduğu varsayıldığında). Bu, polarize ışığın sıvının bir tüpünden geçirildiği bir polarimetre kullanılarak ölçülür ; bunun sonunda, ışığın içinden geçmesini engellemek için döndürülen başka bir polarizör bulunur.

Astronomi

Astronominin birçok alanında, uzaydan gelen polarize elektromanyetik radyasyonun incelenmesi büyük önem taşımaktadır. İçinde genellikle bir faktör olmasına rağmen , termal radyasyon arasında yıldızlı , polarizasyon da tutarlı radyasyon mevcut olan astronomik kaynaklardan (örneğin, hidroksil ya da metanol maserleri ki bunlar (örneğin aktif gökadalardaki büyük bir radyo loblar ve titreşen radyo radyasyon gibi), ve tutarsız kaynağa , spekülasyon yapılır, bazen tutarlı olabilir) ve ayrıca yıldızlararası tozdan saçılarak yıldız ışığına empoze edilir . Polarizasyon, radyasyon kaynakları ve saçılma hakkında bilgi sağlamanın yanı sıra, Faraday dönüşü aracılığıyla yıldızlararası manyetik alanı da inceler . Kozmik mikrodalga arka planının polarizasyonu , çok erken evrenin fiziğini incelemek için kullanılıyor. Sinkrotron radyasyonu doğal olarak polarizedir. Astronomik kaynakların Dünya'daki biyolojik moleküllerin kiralitesine neden olduğu öne sürülmüştür .

Uygulamalar ve örnekler

Polarize güneş gözlüğü

Bir polarizörün çamur düzlüklerinden yansıma üzerindeki etkisi. Soldaki resimde, yatay olarak yönlendirilmiş polarizör tercihen bu yansımaları iletir; polarizörü 90° döndürmek (sağda), polarize güneş gözlüklerini kullanarak göreceğiniz gibi, neredeyse tüm aynasal olarak yansıyan güneş ışığını engeller .
Biri diğerine dik olan iki çifte bakarak güneş gözlüklerinin polarize olup olmadığı test edilebilir. Her ikisi de polarize olursa, tüm ışık engellenir.

Polarize olmayan ışık, aynasal (parlak) bir yüzey tarafından yansıtıldıktan sonra genellikle bir derece polarizasyon elde eder. Bu fenomen matematikçi tarafından 1808 yılında gözlenmiştir Étienne-Louis Malus kimi sonra Malus yasası olarak adlandırılır. Polarize güneş gözlükleri , yatay yüzeylerin yansımalarından kaynaklanan parlamayı azaltmak için bu etkiden yararlanır, özellikle öndeki yol, bir otlatma açısıyla izlenir.

Polarize güneş gözlüğü kullanıcıları, yansıma veya saçılma ile doğal polarizasyon ile bağlantılı olarak, örneğin sertleştirilmiş camda (örneğin, araba camları) veya şeffaf plastikten yapılmış nesnelerde, renge bağlı çift kırılma etkileri gibi kasıtsız polarizasyon etkilerini ara sıra gözlemleyecektir . LCD monitörlerden gelen polarize ışık (aşağıya bakın), bunlar giyildiğinde çok dikkat çekicidir.

Gökyüzü polarizasyonu ve fotoğrafçılık

Bir fotoğrafta polarize filtrenin (sağdaki görüntü) gökyüzü üzerindeki etkileri

Polarizasyon, Dünya atmosferinden geçerken aerosoller tarafından saçılan güneş ışığından dolayı gökyüzünün ışığında gözlenir . Dağınık ışık açık gökyüzünde parlaklık ve renk üretir. Saçılan ışığın bu kısmi polarizasyonu, fotoğraflarda gökyüzünü karartmak ve kontrastı artırmak için kullanılabilir. Bu etki en güçlü şekilde gökyüzünde Güneş'e 90° açı yapan noktalarda gözlemlenir. Polarize filtreler, gökyüzü tarafından yansıma veya saçılmanın söz konusu olduğu sahneleri fotoğraflamanın sonuçlarını optimize etmek için bu efektleri kullanır.

Tavan penceresinde stres kaynaklı çift kırılma nedeniyle bir polarizörden bakıldığında Embassy Gardens Gökyüzü Havuzunda renkli saçaklar

Navigasyonda yönlendirme için gökyüzü polarizasyonu kullanılmıştır. Pfund gökyüzü pusula ait kutuplara yakın gezinirken defa1950 dünyanın manyetik alanının ne zaman güneş ne de yıldız görülüyordu (örneğin gündüz altında, bulut veya alacakaranlıkta ). Vikinglerin , manyetik pusulanın 12. yüzyılda Asya'dan Avrupa'ya gelmesinden önce, 9.-11. yüzyıllarda Kuzey Atlantik'teki kapsamlı seferlerinde benzer bir aygıtı (" güneştaşı ") kullandıkları tartışmalı bir şekilde öne sürülmüştür. . Gökyüzü pusulası ile ilgili olarak, 19. yüzyılın sonlarında Charles Wheatstone tarafından icat edilen " kutup saati " dir .

Ekran teknolojileri

Sıvı kristal ekran (LCD) teknolojisinin prensibi , sıvı kristal dizisi tarafından lineer polarizasyon ekseninin dönüşüne dayanır. Işık arka ışık doğrusal polarizasyon tabakasının içinden ilk geçiş (ya da geri yansıtıcı katman, cihazlar da dahil olmak üzere ya da bir arka ışık gerektirmeyen). Bu polarize ışık, piksel olarak (bir TV veya bilgisayar monitörü için) veya yedi segmentli bir ekran veya belirli bir ürün için özel semboller gibi başka bir formatta düzenlenebilen gerçek sıvı kristal katmandan geçer . Sıvı kristal tabaka, esasen küçük sarmallardan oluşan tutarlı bir sağ (veya sol) kiralite ile üretilir . Bu, dairesel çift kırılmaya neden olur ve doğrusal polarizasyon durumunun 90 derecelik bir dönüşü olacak şekilde tasarlanmıştır. Bununla birlikte, bir hücreye bir voltaj uygulandığında, moleküller düzleşir, dairesel çift kırılmayı azaltır veya tamamen kaybeder. Ekranın görüntüleme tarafında, genellikle aktif katmanın arkasındakinden 90 derecelik açıyla yönlendirilmiş başka bir doğrusal polarizasyon sayfası bulunur. Bu nedenle, yeterli bir voltaj uygulanarak dairesel çift kırılma ortadan kaldırıldığında, iletilen ışığın polarizasyonu ön polarizöre dik açılarda kalır ve piksel karanlık görünür. Bununla birlikte, voltaj olmadan, polarizasyonun 90 derecelik dönüşü, ışığın geçmesine izin vererek, ön polarizörün ekseniyle tam olarak eşleşmesine neden olur. Ara voltajlar, polarizasyon ekseninin ara dönüşünü oluşturur ve pikselin bir orta yoğunluğu vardır. Bu ilkeye dayalı ekranlar yaygındır ve şimdi televizyonların, bilgisayar monitörlerinin ve video projektörlerinin büyük çoğunluğunda kullanılmaktadır, bu da önceki CRT teknolojisini esasen geçersiz kılmaktadır. LCD ekranların çalışmasında polarizasyonun kullanımı, polarize güneş gözlüğü takan biri tarafından hemen fark edilir ve çoğu zaman ekranı okunamaz hale getirir.

Tamamen farklı bir anlamda, polarizasyon kodlaması, 3D filmler için kullanılan stereoskopik ekranlarda sol ve sağ göze ayrı görüntüler iletmek için önde gelen (ancak tek değil) yöntem haline geldi . Bu, ya dikey olarak yönlendirilmiş polarizasyon filtrelerine sahip iki farklı projektörden ya da daha tipik olarak, zaman çoklamalı polarizasyona sahip tek bir projektörden (ardışık kareler için hızlı değişen bir polarizasyon cihazı) yansıtılan her bir göze yönelik ayrı görüntüleri içerir. Uygun polarize filtrelere sahip polarize 3D gözlükler , her bir gözün yalnızca amaçlanan görüntüyü almasını sağlar. Tarihsel olarak bu tür sistemler, ucuz olduğu ve iyi bir ayırma sunduğu için doğrusal polarizasyon kodlaması kullandı. Bununla birlikte dairesel polarizasyon, iki görüntünün ayrılmasını başın eğilmesine karşı duyarsız hale getirir ve bugün RealD'den gelen sistem gibi 3 boyutlu film sergisinde yaygın olarak kullanılmaktadır . Bu tür görüntülerin yansıtılması, yansımada görüntülendiğinde yansıtılan ışığın polarizasyonunu koruyan ekranlar ( gümüş ekranlar gibi ) gerektirir; normal bir dağınık beyaz projeksiyon ekranı, yansıtılan görüntülerin depolarizasyonuna neden olarak bu uygulama için uygun değildir.

Artık modası geçmiş olmasına rağmen, CRT bilgisayar ekranları cam zarf tarafından yansımaya maruz kaldı, bu da oda ışıklarından parlamaya ve sonuç olarak zayıf kontrasta neden oldu. Bu sorunu iyileştirmek için çeşitli yansıma önleyici çözümler kullanıldı. Bir çözüm, dairesel polarize ışığın yansıması ilkesini kullandı. Ekranın önündeki dairesel bir polarizasyon filtresi, (örneğin) yalnızca sağ dairesel polarize oda ışığının iletilmesine izin verir. Şimdi, sağ dairesel polarize ışığın ( kullanılan konvansiyona bağlı olarak ) elektrik (ve manyetik) alan yönü, +z yönünde yayılırken saat yönünde döner. Yansıması üzerine, alanı yine aynı dönüş yönüne sahiptir, ama şimdi yayılma yansıyan dalga yapma z-yönünde olduğu sol dairesel polarize. Yansıtıcı camın önüne yerleştirilen doğru dairesel polarizasyon filtresi ile camdan yansıyan istenmeyen ışık , bu filtre tarafından bloke edilen çok polarizasyon durumunda olacak ve yansıma sorununu ortadan kaldıracaktır. Yansıma üzerindeki dairesel polarizasyonun tersine çevrilmesi ve yansımaların bu şekilde ortadan kaldırılması, iki lenste sol ve sağ dairesel polarizasyon kullanan 3 boyutlu film gözlükleri takarken aynaya bakılarak kolayca gözlemlenebilir. Bir gözünü kapattığında diğer göz kendini göremediği bir yansıma görecektir; bu lens siyah görünüyor. Ancak (kapalı gözün) diğer merceği, kapalı gözün açık olan tarafından kolayca görülmesini sağlayan doğru dairesel polarizasyona sahip olacaktır.

Radyo iletimi ve alımı

İletmek veya almak için kullanılan tüm radyo (ve mikrodalga) antenleri , özünde polarizedir. Karşı polarizasyona tamamen duyarsız olarak belirli bir polarizasyonda iletirler (veya sinyal alırlar); bazı durumlarda polarizasyon yönün bir fonksiyonudur. Çoğu anten nominal olarak doğrusal polarizedir, ancak eliptik ve dairesel polarizasyon bir olasılıktır. Optikteki gelenekte olduğu gibi, bir radyo dalgasının "polarizasyonu"nun, lineer polarize bir dalga için manyetik alan ona göre 90 derecelik bir dönüşte olmak üzere, elektrik alanının polarizasyonuna atıfta bulunduğu anlaşılır.

Antenlerin büyük çoğunluğu lineer polarizedir. Aslında simetri değerlendirmelerinden, tamamen gözlemciyi de içeren bir düzlemde bulunan bir antenin polarizasyonunu ancak o düzlem yönünde yapabileceği gösterilebilir . Bu, birçok durum için geçerlidir ve bu tür bir antenin polarizasyonunu amaçlanan bir yayılma yönünde kolayca çıkarsama imkanı verir. Bu nedenle , ufka doğru ikinci bir istasyondan bakıldığında, yatay iletkenlere sahip tipik bir çatı Yagi veya log-periyodik anten , zorunlu olarak yatay olarak polarize edilir. Ancak bir anten elemanı olarak kullanılan dikey bir " kamçı anten " veya AM yayın kulesi (yine yatay olarak ondan yer değiştiren gözlemciler için) dikey polarizasyonda iletecektir. Yatay düzlemde dört kolu olan bir turnike anteni de aynı şekilde yatay polarize radyasyonu ufka doğru iletir. Bununla birlikte, aynı turnike anteni "eksenel modda" (aynı yatay yönelimli yapı için yukarı doğru) kullanıldığında, radyasyonu dairesel olarak polarize olur. Ara yüksekliklerde eliptik olarak polarize olur.

Polarizasyon, radyo iletişiminde önemlidir, çünkü örneğin, dikey olarak polarize bir iletimi almak için yatay olarak polarize bir anten kullanılmaya çalışılırsa, sinyal gücü önemli ölçüde azalacaktır (veya çok kontrollü koşullar altında, sıfıra inecektir). Bu ilke, sabit bir frekans bandı üzerinden kanal kapasitesini iki katına çıkarmak için uydu televizyonunda kullanılır . Aynı frekans kanalı, zıt polarizasyonlarda yayınlanan iki sinyal için kullanılabilir. Alıcı anteni bir veya diğer polarizasyon için ayarlayarak, sinyallerden biri diğerinden parazit olmadan seçilebilir.

Özellikle zeminin varlığından dolayı, yatay ve dikey polarizasyonlar arasında yayılmada (ve ayrıca TV gölgelenmesinden sorumlu yansımalarda ) bazı farklılıklar vardır . AM ve FM yayın radyosu genellikle dikey polarizasyon kullanır, televizyon ise yatay polarizasyon kullanır. Özellikle düşük frekanslarda yatay polarizasyondan kaçınılır. Bunun nedeni, yatay olarak polarize bir dalganın fazının, zemin tarafından yansıtıldığında tersine çevrilmesidir. Yatay yöndeki uzak bir istasyon, hem doğrudan hem de yansıyan dalgayı alacak ve bu nedenle birbirini iptal etme eğiliminde olacaktır. Dikey polarizasyon ile bu sorundan kaçınılır. Polarizasyon, radar darbelerinin iletiminde ve aynı veya farklı bir anten tarafından radar yansımalarının alınmasında da önemlidir . Örneğin, dairesel polarizasyon kullanılarak radar darbelerinin yağmur damlaları tarafından geri saçılması önlenebilir. Tıpkı dairesel polarize ışığın aynasal yansımasının, yukarıda tartışıldığı gibi, polarizasyonun elle tutulurluğunu tersine çevirmesi gibi, aynı ilke, yağmur damlaları gibi bir dalga boyundan çok daha küçük nesneler tarafından saçılma için de geçerlidir. Öte yandan, bu dalganın düzensiz bir metal nesne (örneğin bir uçak) tarafından yansıması, tipik olarak polarizasyonda bir değişiklik ve aynı anten tarafından geri dönüş dalgasının (kısmi) alınmasına neden olacaktır.

Etkisi serbest elektronların içinde iyonosfer ile birlikte dünyanın manyetik alanı , neden Faraday rotasyonu , dairesel çift kırılmasının bir tür. Bu, aşağıda belirtildiği gibi yıldızlararası uzayda elektronlar tarafından lineer polarizasyon eksenini döndürebilen mekanizmanın aynısıdır . Böyle bir plazmanın neden olduğu Faraday rotasyonunun büyüklüğü, düşük frekanslarda büyük ölçüde abartılır, bu nedenle uydular tarafından kullanılan daha yüksek mikrodalga frekanslarında etki minimumdur. Ancak iyonosfer tarafından kırılmayı takiben alınan orta veya kısa dalga iletimleri kuvvetli bir şekilde etkilenir. Bir dalganın iyonosferdeki yolu ve böyle bir yol boyunca dünyanın manyetik alan vektörü oldukça tahmin edilemez olduğundan, dikey (veya yatay) polarizasyonla iletilen bir dalga genellikle alıcıda keyfi bir yönelimde bir polarizasyona sahip olacaktır.

Bir uçağın plastik penceresinden dairesel polarizasyon, 1989

Polarizasyon ve görüş

Birçok hayvan , örneğin lineer yatay polarize ışık gibi ışığın polarizasyonunun bazı bileşenlerini algılayabilir. Gökyüzü ışığının doğrusal polarizasyonu her zaman güneşin yönüne dik olduğundan, bu genellikle navigasyon amaçlı kullanılır. Bu yetenek, iletişimsel danslarını yönlendirmek için bu bilgiyi kullanan arılar da dahil olmak üzere böcekler arasında çok yaygındır . Ahtapot , kalamar , mürekkepbalığı ve mantis karidesi türlerinde de polarizasyon duyarlılığı gözlemlenmiştir . İkinci durumda, bir tür polarizasyonun altı ortogonal bileşeninin tümünü ölçer ve optimal polarizasyon görüşüne sahip olduğuna inanılır. İletişim için kullanılan mürekkepbalığının hızla değişen, canlı renklere sahip deri desenleri de polarizasyon desenlerini içerir ve peygamber devesi karidesinin polarizasyon seçici yansıtıcı dokuya sahip olduğu bilinmektedir. Gökyüzü kutuplaşmasının güvercinler tarafından algılandığı düşünülüyordu , bu onların yuva bulmadaki yardımcılarından biri olarak kabul ediliyordu , ancak araştırmalar bunun popüler bir efsane olduğunu gösteriyor.

Çıplak insan gözü , araya giren filtrelere ihtiyaç duymadan polarizasyona zayıf bir şekilde duyarlıdır. Polarize ışık, Haidinger'in fırçası adı verilen görsel alanın merkezine yakın çok soluk bir desen oluşturur . Bu örüntüyü görmek çok zordur, ancak pratikle kişi polarize ışığı çıplak gözle algılamayı öğrenebilir.

Dairesel polarizasyon kullanarak açısal momentum

Elektromanyetik radyasyonun yayılma yönünde belirli bir doğrusal momentum taşıdığı iyi bilinmektedir . Buna ek olarak, ışık dairesel polarize (veya kısmen) ise belirli bir açısal momentum taşır . Mikrodalgalar gibi daha düşük frekanslarla karşılaştırıldığında, aynı dalganın lineer momentumu (veya radyasyon basıncı ) ile karşılaştırıldığında , ışıktaki açısal momentum miktarı , hatta saf dairesel polarizasyon bile çok küçüktür ve ölçülmesi bile zordur. Ancak, dakikada 600 milyon devire varan hızlara ulaşmak için bir deneyde kullanıldı.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Alıntılanan Referanslar

Genel referanslar

  • Principles of Optics , 7. baskı, M. Born & E. Wolf, Cambridge Üniversitesi, 1999, ISBN  0-521-64222-1 .
  • Polarize ışığın temelleri: istatistiksel bir optik yaklaşım , C. Brosseau, Wiley, 1998, ISBN  0-471-14302-2 .
  • Polarize Işık, ikinci baskı , Dennis Goldstein, Marcel Dekker, 2003, ISBN  0-8247-4053-X
  • Polarizasyon için Alan Kılavuzu , Edward Collett, SPIE Alan Kılavuzları cilt. FG05 , SPIE, 2005, ISBN  0-8194-5868-6 .
  • Telekomünikasyonda Polarizasyon Optiği , Jay N. Damask, Springer 2004, ISBN  0-387-22493-9 .
  • Doğada Polarize Işık , GP Können, Çeviren GA Beerling, Cambridge Üniversitesi, 1985, ISBN  0-521-25862-6 .
  • Bilim ve Doğada Polarize Işık , D. Pye , Fizik Enstitüsü, 2001, ISBN  0-7503-0673-4 .
  • Polarize Işık, Üretim ve Kullanım , William A. Shurcliff, Harvard Üniversitesi, 1962.
  • Elipsometri ve Polarize Işık , RMA Azzam ve NM Bashara, Kuzey Hollanda, 1977, ISBN  0-444-87016-4
  • Viking Denizcilerinin Sırları—Vikingler açık okyanusları geçmek için muhteşem güneş taşlarını ve diğer teknikleri nasıl kullandılar , Leif Karlsen, One Earth Press, 2003.

Dış bağlantılar