Pyöreä polarisaatio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 16. elokuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 6 muokkausta .

Sähködynamiikassa sähkömagneettisen säteilyn ympyräpolarisaatio tai muuten ympyräpolarisaatio on yksi polarisaation tiloista , jossa sähkökenttävektorilla E aallon sähkömagneettisen kentän jokaisessa pisteessä on vakioarvo, mutta sen suunta pyörii vakionopeudella. tasossa, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan.

Ympyräpolarisaatiota voidaan pitää yleisen elliptisen polarisaation käsitteen erikoistapauksena, jolloin sähkökentän vektorien E ja H päät sekä sähkömagneettisen aallon magneettikenttä kuvaavat ellipsejä pyörimisen aikana. Elliptinen polarisaatio tapahtuu, kun lisätään kaksi keskenään kohtisuoraa lineaarisesti polarisoitua värähtelyä, joilla on eri amplitudit ja vaihe-ero. Tästä näkökulmasta lineaarista polarisaatiota voidaan pitää myös toisena rajoittavana elliptisen polarisaation erikoistapauksena .

Yleinen kuvaus

Kun kyseessä on ympyräpolarisoitu aalto, kuten oheisessa animaatiossa näkyy, sähkökenttävektorin kärki tietyssä avaruuden pisteessä kuvaa ympyrää ajan kuluessa. Ajan myötä aallon sähkökenttävektorin yläosa liikkuu spiraalina, joka on suunnattu sähkömagneettisen aallon etenemissuuntaa pitkin.

Ympyräpolarisoitu aalto voi pyöriä johonkin kahdesta mahdollisesta suunnasta: oikeanpuoleinen ympyräpolarisaatio, jossa sähkökenttävektori pyörii oikealle suhteessa etenemissuuntaan, ja vasemmanpuoleinen ympyräpolarisaatio, jossa vektori pyörii vasen.

Pyöreäpolarisaation muuntaminen lineaaripolarisaatioksi ja päinvastoin

Pyöreäpolarisaatiolla oleva valo voidaan muuntaa lineaarisella polarisaatiolla olevaksi valoksi johtamalla se neljännesaaltolevyn läpi . Lineaarisesti polarisoidun valon kulkeminen neljännesaaltolevyn läpi, jonka akselit ovat 45°:ssa polarisaatioakseliin nähden, muuttaa sen ympyräpolarisaatioksi. Tämä on yleisin tapa saada ympyräpolarisaatio käytännössä. On huomattava, että lineaarisesti polarisoidun valon kulkeminen neljännesaaltolevyn läpi muussa kuin 45° kulmassa johtaa yleensä elliptiseen polarisaatioon.

Tietoja ehdoista

Kenttä katsotaan oikeanpuoleiseksi ympyräpolarisoiduksi, jos aallon etenemissuunnan kanssa samaan suuntaan katsovan lähteen kannalta sähkökenttävektori E pyörii myötäpäivään. Toinen animaatio on esimerkki vasemmanpuoleisesta ympyräpolarisaatiosta ( sähkökenttävektorin E kierto vastapäivään ) käyttäen samaa sääntöä. Tämä määritelmä noudattaa Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) -standardia, ja siksi sitä käytetään yleisesti insinööriyhteisössä [1] [2] [3] . Radioastronomit käyttävät tätä määritelmää myös Kansainvälisen tähtitieteellisen liiton (IAU) vuonna 1973 hyväksytyn päätöslauselman mukaisesti [4] Optisessa kirjallisuudessa käytetään usein vaihtoehtoista määritelmää, kun polarisaatiovektorin pyörimissuuntaa tarkastellaan pisteestä. vastaanottimen näkökulmasta [5] [6] Tätä määritelmää käytetään myös optiikan ja fotoniikan alan tutkijoiden ja insinöörien kansainvälisen yhdistyksen - Society of Optics and Photonics (SPIE) - jäsenten töissä. [7] Monissa optiikkaa käsittelevissä fysiikan oppikirjoissa käytetään toista määritelmää, kun valoa kuvataan vastaanottimen näkökulmasta [8] [5] . Sekaannusten välttämiseksi polarisaatioongelmista puhuttaessa on suositeltavaa merkitä "määritelty lähteen näkökulmasta" tai "määritelty vastaanottimen näkökulmasta".

Dikroismi

Tiedetään, että valo, jolla on vasen ja oikea ympyräpolarisaatio, absorboituu eri tavalla kulkiessaan optisesti aktiivisten molekyylien liuosten läpi. Tätä valon differentiaalisen absorption ilmiötä kutsutaan ympyrädikroismiksi tai ympyrädikroismiksi . Pyöreädikroismi on perusta spektroskopialle, jota käytetään optisen isomerian ja molekyylien sekundaarirakenteen määrittämiseen. Pyöreä dikroismi esiintyy useimmissa biologisissa molekyyleissä niiden sisältämien oikealle kiertävien (esim. jotkut sokerit) ja vasemmalle kiertävien [en (esim. jotkut aminohapot) molekyylien vuoksi. On myös huomionarvoista, että biologisten molekyylien toissijainen rakenne luo myös erillisen pyöreän dikroismin vastaaviin molekyyleihinsä. Siksi proteiinien alfakierteellä , beetalevyllä ja satunnaiskelojen alueilla ja nukleiinihappojen kaksoiskierteellä on tyypillisiä spektrisignaalien ympyrän dikroismin ilmentymiä, jotka luonnehtivat niiden rakenteita.

Lisäksi oikein valituissa olosuhteissa jopa ei-kiraaliset molekyylit, toisin sanoen täysin peilisymmetriset molekyylit, osoittavat magneettikentän indusoimaa magneettista pyöreää dikroismia.

Luminesenssi

Kiertopolarisoitua luminesenssia voi esiintyä, kun loisteaine tai loisteaineryhmä on kiraalinen . Säteilyn polarisaatioaste kvantifioidaan samalla tavalla kuin ympyrädikroismissa , epäsymmetriatekijänä , jota joskus kutsutaan myös anisotropiatekijäksi . Se määritellään seuraavasti:

g_{em}\ =\ 2\left({\theta _{\mathrm {left} }-\theta _{\mathrm {oikea} } \over \theta _{\mathrm {vasen} }+\ theta _{\mathrm {oikea} }}\oikea)

jossa vastaa valon kvanttituottoa vasemmalla ympyräpolarisaatiolla ja oikeanpuoleisen ympyräpolarisaation valoa. $\theta _{\mathrm {left} }$ ${\displaystyle \theta _{\mathrm {oikea} ))$

Siten puhdasta vasenta tai puhdasta oikeaa ympyräpolarisaatiota vastaavan g em :n suurin absoluuttinen arvo on 2. Samaan aikaan pienin itseisarvo, jonka g em voi saavuttaa ja joka vastaa lineaarisesti polarisoitua tai polaroimatonta valoa, on nolla.

Matemaattinen kuvaus

Sähkömagneettisen aallon yhtälön klassinen ratkaisu eli yhtälö , joka kuvaa sähkömagneettisten aaltojen etenemistä väliaineen läpi tai tyhjiössä, sähkö- ja magneettikenttien tasosiniaaltoaallon tapauksessa on

{\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)&={\hattu {\mathbf {z} }}\times \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)\end{aligned}}

missä k on aaltoluku ,

\omega =ck

on aallon kulmataajuus , ortogonaalinen matriisi, jonka sarakkeet määrittelevät poikittaisen xy-tason, ja on valon nopeus . $\mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} )),{\hat {\mathbf {y} }}\oikea]$ ${\näyttötyyli 2\kertaa 2}$ $c$

Tässä

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

on kentän amplitudi ja

|\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}}

normalisoitu Jones-vektori xy-tasossa. Jos sitä kierretään radiaanilla suhteessa , ja amplitudi x on yhtä suuri kuin amplitudi y, jolla aallolla on ympyräpolarisaatio. Jones-vektorilla on muoto ${\displaystyle \alpha _{y))$ $\pi /2$ $\alpha _{x}$

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

jossa plusmerkki osoittaa vasemmanpuoleista ympyräpolarisaatiota ja miinusmerkki oikeanpuoleista ympyräpolarisaatiota. Ympyräpolarisaation tapauksessa vakiosuuruinen sähkökenttävektori pyörii xy-tasossa.

Jos kantavektorit määritellään siten, että

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

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

sitten polarisaatiotila voidaan kirjoittaa "RL-pohjaan" muodossa

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

missä

{\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) )\oikea)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\end{aligned}}

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

Pyöreä polarisaatio luonnossa

Luonnossa tunnetaan vain muutamia mekanismeja, jotka tuottavat systemaattisesti ympyräpolarisoitua valoa. Albert Michelson havaitsi vuonna 1911, että kultaisesta skarabekuoriaisesta Chrysina resplendens heijastuva valo oli pääosin vasenkätistä. Sen jälkeen ympyräpolarisaatiota on havaittu useissa muissa skarabekuoriaisissa , kuten Chrysina gloriosassa , [9] sekä joissakin äyriäisissä , kuten mantis-katkarapussa . Näissä tapauksissa päämekanismi on kitiinin kynsinauhojen kierteisyys molekyylitasolla. [10] .

Tulikärpäsen toukkien bioluminesenssi on myös ympyräpolarisoitunutta, kuten raportoitiin vuonna 1980 lajien Photuris lucicrescens ja Photuris versicolor osalta . Tulikärpästen osalta on vaikeampaa löytää mikroskooppista selitystä polarisaatiolle, koska toukkien vasemman ja oikean lyhdyn on havaittu säteilevän vastakkaisen kierron polarisoitua valoa. Kirjoittajat olettavat, että lineaarisesti polarisoitunutta valoa säteilee alun perin kohdistettujen fotosyyttien sisällä olevien epähomogeenisuuksien vuoksi , ja siitä tulee ympyräpolarisoitunutta valoa , joka kulkee kudoksen läpi lineaarisella kahtaistaituksella. [yksitoista]

Vesi-ilma-rajapinnat ovat toinen pyöreän polarisaation lähde. Pintaan takaisin siroteltu auringonvalo on lineaarisesti polarisoitunut. Jos tämä valo sitten heijastuu kokonaan sisäisesti takaisin alas, sen pystysuuntainen komponentti käy läpi vaihesiirron. Siten vedenalaiselle tarkkailijalle, joka katsoo ylöspäin, Snell-ikkunan heikko valo on osittain ympyräpolarisoitunut. [12]

Luonnossa heikompia ympyräpolarisaation lähteitä ovat lineaaristen polarisaattoreiden aiheuttama moninkertainen sironta, kuten ympyräpolarisoidussa tähtivalossa, ja selektiivinen absorptio kiertokirjeisesti dikroisissa väliaineissa .

Kahden sirkkakatkarapulajin on raportoitu pystyvän havaitsemaan ympyräpolarisoitua valoa. [13] [14]

Katso myös

Aaltojen polarisaatio
Polarisaattori
Kiraalisuus
stereokuvaus
Aaltolevy
Sähkömagneettisen aallon yhtälön sinimuotoiset tasoaaltoratkaisut
Fotonipolarisaatio

Kirjallisuus

Landsberg G. S. . - Toim. 6. stereo .. - M . : Fizmatlit , 2003. - 848 s. — ISBN 5-9221-0314-8 . .
Syntynyt M. , Wolf E. Optiikan perusteet. Ed. 2. - M . : "Nauka" , 1973. - 720 s.
Fyysinen tietosanakirja. - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja , 1984.

Linkit

↑ IEEE Std 149-1979 (R2008), "IEEE Standard Test Procedures for Antennas". Vahvistettu 10. joulukuuta 2008, hyväksytty 15. joulukuuta 1977, IEEE-SA Standards Board. Hyväksytty 9. lokakuuta 2003, American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109/IEEEESTD.1979.120310 , s. 11.1, s. 61."Polarisaation tunnetta tai kätisyystuntoa ... kutsutaan oikeakätiseksi (vasenkätiseksi), jos pyörimissuunta on myötäpäivään (vastapäivään) havaitsijalle, joka katsoo etenemissuuntaan"
↑ Sähkömagneettiset aallot ja antennit – SJ Orfanidis: Alaviite s. 45, "useimmat tekniset tekstit käyttävät IEEE-sopimusta ja useimmat fysiikan tekstit, päinvastaista käytäntöä."
↑ Sähkömagneettiset aallot ja antennit – SJ Orfanidis s. 44 "Kierrä vasemman ja oikean kätesi sormet nyrkkiin ja osoita molemmat peukalot etenemissuuntaan "
↑ IAU General Assembly Meeting, 1973, Commission 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. POLARISAATIOMÄÄRITELMÄT -- "Westerhoutin johtama työryhmä kutsuttiin koolle keskustelemaan polarisaatiokirkkauslämpötilojen määritelmästä, jota käytetään kuvattaessa polarisoituja laajennettuja esineitä ja Toimikunnat 25 ja 40 hyväksyivät seuraavan päätöslauselman: "PÄÄTTÄÄN, että Stokes-parametrien viitekehys on oikea nousu ja deklinaatio sähkövektorin maksimin sijaintikulmalla q, joka alkaa pohjoisesta ja kasvaa itään. Elliptinen polarisaatio määritellään Institute of Electrical and Electronics Engineersin (IEEE Standard 211, 1969) määritelmien mukaisesti. Mitattu kiinteässä pisteessä avaruudessa, kasvaa ajan myötä, kuvataan oikeakätiseksi ja positiiviseksi."
↑ 1 2 Spektrilinjojen polarisaatio. 2004 E. Landi Degl'innocenti, M Landolfi Kohta 1.2 "Kun ... sähkökenttävektorin kärki pyörii myötäpäivään säteilylähdettä päin olevan tarkkailijan kohdalla, ... (se otetaan huomioon)... positiivinen (tai oikeakätinen ) polaarinen kiertokirje, Meidän yleissopimuksemme, ... yhtyy Shurcliffin (1952) ja Clarken ja Graingerin (1971) klassisiin polarisoitua valoa käsitteleviin oppikirjoihin ehdottamiin polarimetrian alalla työskentelevät tähtitieteilijät Monet radioastronomit toisaalta , käytä päinvastaista käytäntöä [1] Arkistoitu 15. huhtikuuta 2021 Wayback Machineen
↑ HANDBOOK OPTICS Volume I, Devices, Measurements and Properties, Michael Bass Sivu 272 Alaviite: "Oikea-ympyräpolarisoitu valo määritellään sähkövektorin kiertämiseksi myötäpäivään, kun tarkkailija katsoo aallon kulkusuuntaa vastaan ."
↑ Polarisaatioellipsi . spie.org . Haettu 13. huhtikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2018. (määrätön)
↑ Luennot fysiikasta Feynman (Vol. 1, ch.33-1) "Jos sähkövektorin pää, kun katsomme sitä valon tullessa suoraan meitä kohti, kiertää vastapäivään, kutsumme sitä ... Käytäntömme vasemman ja oikeanpuoleisen ympyräpolarisaation merkitsemisestä on yhdenmukainen sen kanssa, jota nykyään käytetään kaikille muille fysiikan hiukkasille, jotka osoittavat polarisaatiota (esim. elektronit). Optiikkaa käsittelevät kirjat ovat päinvastaisia, joten pitää olla varovainen."
↑ Srinivasarao, Mohan; Park, Jung Ok; Crne, Matija; Sharma, Vivek. Jalokivikuoriaisten ympyräpolarisoidun väristyksen rakenteellinen alkuperä // Science : Journal. - 2009. - 24. heinäkuuta ( nide 325 , nro 5939 ). - s. 449-451 . - doi : 10.1126/tiede.1172051 . — PMID 19628862 .
↑ Hegedüs, Ramón; Győző Szelb; Gabor Horváth. Skarabeekuoriaisten (Coleoptera: Rutelidae, Cetoniidae ) ympyräpolarisoituvan kynsinauhan kuvantamispolarimetria // Vision Research : päiväkirja. - 2006. - syyskuu ( osa 46 , nro 17 ). - P. 2786-2797 . - doi : 10.1016/j.visres.2006.02.007 . — PMID 16564066 . Arkistoitu alkuperäisestä 21. heinäkuuta 2011.
↑ Wynberg, Hans; Meijer, E. W.; Hummelen, JC; Dekkers, HPJM; Schippers, P.H.; Carlson, AD Bioluminesenssissa havaittu kiertopolarisaatio // Nature . - 1980. - 7. elokuuta ( nide 286 , nro 5773 ). - s. 641-642 . - doi : 10.1038/286641a0 . - . Arkistoitu alkuperäisestä 24. heinäkuuta 2011.
↑ Horváth, Gabor; Dezso Varju. Polarisoitunut valo eläinnäössä : polarisaatiokuviot luonnossa . - 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. Pyöreä polarisaationäkö stomatopod-äyriäisissä // Current Biology . - Cell Press , 2008. - Voi. 18 , ei. 6 . - s. 429-434 . - doi : 10.1016/j.cub.2008.02.066 . — PMID 18356053 .
↑ Sonja Kleinlogel; Andrew White. Katkarapujen salainen maailma: polarisaationäkö parhaimmillaan (englanniksi) // PLOS One : Journal. - 2008. - Voi. 3 , ei. 5 . -P.e2190 . _ doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . - . - arXiv : 0804.2162 . — PMID 18478095 .

Wikimedia Commonsissa on kiertopolarisaatioon liittyvää mediaa

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)