Кіріспе

Поляризациялық күй. Электродинамикада электромагниттік толқынның дөңгелек поляризациясы – бұл поляризациялық күй, онда әрбір нүктеде толқынның электромагниттік өрісі тұрақты шамаға ие және толқынның таралу бағытына перпендикуляр жазықтықта тұрақты жылдамдықпен айналады. Электродинамикада электр өрісінің күші мен бағыты оның электр өрісі векторымен анықталады. Дөңгелек поляризацияланған толқын жағдайында электр өрісі векторының ұшы белгілі бір кеңістіктегі нүктеде уақыт және кеңістіктегі жарықтың фазасына байланысты өзгереді. Кез келген уақыт сәтінде толқынның электр өрісі векторы таралу бағытымен бірге орналасқан спиральдегі нүктені көрсетеді. Дөңгелек поляризацияланған толқын екі мүмкін бағытта айналуы мүмкін: оң жақты дөңгелек поляризация (RHCP), онда электр өрісі векторы таралу бағытына қатысты оң жақты бағытта айналады, және сол жақты дөңгелек поляризация (LHCP), онда вектор сол жақты бағытта айналады. Дөңгелек поляризация – эллипстік поляризацияның шектік жағдайы. Екінші ерекше жағдай – түсінуге оңайырақ сызықтық поляризация. Бұл үш терминнің барлығын Огюстен Жан Френель 1822 жылғы 9 желтоқсанда Франция Ғылым академиясына оқыған естеліктерінде енгізді. Френель дөңгелек поляризацияның жағдайын алғаш рет 1821 жылы сипаттады, бірақ оған әлі атау бермеген. Поляризация құбылысы жарықтың екі өлшемді көлденең толқын ретінде қасиет танытуының салдарынан туындайды. Дөңгелек поляризация екі өзара перпендикуляр электр өрісі компоненттерінің векторлары тең шамада болғанда және дәл 90° немесе толқын ұзындығының төрттен бір бөлігіне қатысты фазалық айырмашылыққа ие болғанда пайда болады.

Сипаттамалары

Дөңгелек поляризацияланған электромагниттік толқында жеке электр өрісі векторлары, сондай-ақ олардың біріктірілген векторы тұрақты шамаға ие, ал фазалық бұрышы өзгеріп отырады. Бұл жазықтық толқыны болғандықтан, әрбір вектор оптикалық оське перпендикуляр бүкіл жазықтық үшін электр өрісінің шамасын және бағытын көрсетеді. Атап айтқанда, бұл дөңгелек поляризацияланған жазық толқын болғандықтан, бұл векторлар электр өрісінің жазықтықтан жазықтыққа тұрақты күшті екенін, ал оның бағыты үздірілсіз айналып тұрғанын көрсетеді. Бұл динамиканы жақсырақ түсіну үшін жазық толқын мақаласындағы осы екі суретті қараңыз. Бұл жарық қабылдағыш қараса оң жаққа қарай, сағат жүрісімен дөңгелек поляризацияланған деп есептеледі. Бұл электромагниттік толқын болғандықтан, әрбір электр өрісі векторына сәйкес, бірақ суреттелмеген, электр өрісі векторына тік бұрышта орналасқан және шамасына пропорционалды магниттік өріс векторы бар. Нәтижесінде магнит өрісі векторлары екінші спиральді құрар еді. Дөңгелек поляризация оптика саласында жиі кездеседі, сондықтан осы бөлімде электромагниттік толқынды жай ғана жарық деп атаймыз. Дөңгелек поляризацияның мәні және оның басқа поляризациялармен байланысы электр өрісін бір-біріне перпендикуляр екі компонентке бөліп қарастыру арқылы жақсы түсініледі. Тік компонент және оған сәйкес жазықтық көк түспен, ал көлденең компонент және оған сәйкес жазықтық жасыл түспен көрсетілген. Назар аударыңыз, оң жаққа қарай (қозғалыс бағытына қатысты) көлденең компонент тік компоненттен бір тоқсан толқын ұзындығымен, яғни 90° фазалық айырмашылықпен алға жетеді. Дәл осы квадраттық фазалық қатынас спиральді құрады және тік компоненттің максималды шамасының нүктелері көлденең компоненттің нөлдік шамасының нүктелерімен сәйкес келеді, және керісінше. Бұл сәйкестіктің нәтижесінде спиральға сәйкес келетін, тік және көлденең компоненттердің максимумдарына дәл сәйкес келетін белгілі бір векторлар пайда болады. Бұл квадраттық фазалық ығысудың тұрақты шамада айналатын электр өрісіне қалай сәйкес келетінін түсіну үшін дөңгелек бойымен сағат тілімен қозғалатын нүктені көзге елестетіңіз. Нүктенің дөңгелек ортасына қатысты вертикальді және горизонтальді орын ауысуы уақыт бойынша синусоидалық түрде өзгеретінін және циклдің төрттен бір бөлігіне фазадан тыс екенін қарастырыңыз. Орын ауысулар циклдің төрттен бір бөлігіне дейін фазадан тыс болады, өйткені көлденең максималды орын ауысу (солға қарай) тік максималды орын ауысуға жеткенге дейін циклдің төрттен бір бөлігіне жетеді. Енді суретті қайта қарастырып, жоғарыда сипатталған шеңбердің ортасы алдыңғы жағынан артқы жағына дейін ось бойымен қозғалатынын көзге елестетіңіз. Айналатын нүкте спиральді құрады, сол жаққа қарай жылжуы тік жылжуды бастайды. Айналмалы нүктенің көлденең және тік орын ауысуы уақыт бойынша циклдің төрттен бір бөлігіне фазадан тыс болған сияқты, электр өрісінің көлденең және тік компоненттерінің шамалары толқын ұзындығының төрттен бір бөлігіне фазадан тыс болады. Келесі суреттер сол жаққа қарай, сағат тіліне қарсы бағытта дөңгелек поляризацияланған жарықты көрсетеді. Сол жаққа қарай қозғалғандықтан, оң жаққа қарай (қозғалыс бағытына қатысты) көлденең компонент енді тік компонентті жетектеп отырудың орнына, толқын ұзындығының төрттен бір бөлігімен қалып қояды.

Толқындық пластина

Дөңгелек поляризацияланған жарықтың поляризациясын өзгерту үшін жарты толқынды пластина қолданылуы мүмкін. Жарты толқынды пластина жарықтың белгілі бір сызықтық компонентін, оның ортогональды сызықтық компонентіне қатысты жарты толқынға жылдырады.

Ойлану

Поляризацияланған жарықтың бұрыштығы қалыпты түсу жағдайында бетке кері шағылысады. Мұндай шағылыста шағылысқан жарықтың поляризация жазықтығының айналуы, түскен өрістің айналуымен бірдей болады. Дегенмен, енді кері бағытта таралумен, түсуші сәуле үшін "оң бұрылысты" деп сипатталатын сол айналу бағыты, кері бағытта таралу үшін "сол бұрылысты" болады, және керісінше. Бұрыштығының кері өзгеруінен басқа, поляризацияның эллиптикалық сипаты да сақталады (бирефрингті беттен шағылысқан жағдайларды қоспағанда). Бұл принцип тек қалыпты түсу жағдайында шағылысқан жарыққа ғана қатысты екенін ескеріңіз. Мысалы, диэлектрлік беттен Брюстер бұрышынан асып түсетін сыртқы бұрышпен шағылысқан оң дөңгелек поляризацияланған жарық, оң бұрылысты, бірақ эллиптикалық поляризацияланған күйде шығады. Металлдан қалыпты емес бұрышпен шағылысқан жарық, әдетте, оның эллиптикалық сипаты да өзгереді. Мұндай жағдайларды, дөңгелек (немесе басқа) поляризацияны түсу жазықтығына параллель және перпендикуляр сызықтық поляризация компоненттеріне бөлшектеу арқылы шешуге болады, олар әдетте p және s деп белгіленеді. P және s сызықтық поляризацияларындағы шағылысқан компоненттер, осы екі сызықтық поляризация үшін әдетте әртүрлі болатын Френель шағылысу коэффициенттерін қолдану арқылы анықталады. Тек p және s арасында ешқандай айырмашылық болмайтын қалыпты түсудің ерекше жағдайында ғана, екі компоненттің Френель коэффициенттері бірдей болады, бұл жоғарыда аталған қасиетке алып келеді.

Сызықтық поляризацияға ауыстыру

Дөңгелек поляризацияланған жарықты төртінші толқындық пластинка арқылы өткізу арқылы сызықтық поляризацияланған жарыққа айналдыруға болады. Сызықтық поляризацияланған жарықты, оның поляризация осьіне 45° бұрышпен орналасқан осьтері бар төртінші толқындық пластинка арқылы өткізу оны дөңгелек поляризацияға айналдырады. Шындығында, бұл практикада дөңгелек поляризацияны жасаудың ең көп қолданылатын тәсілі. Сызықтық поляризацияланған жарықты 45° емес, басқа бұрышта төртінші толқындық пластинка арқылы өткізу көбінесе эллипстік поляризацияны тудырады.

Қолмен жұмыс істеу ережесі

Дөңгелек поляризация электр өрісі векторының айналу бағытына қарай оң немесе сол жақты, сағат тілі бойынша немесе сағат тіліне қарсы деп аталуы мүмкін. Өкінішке орай, екі қарама-қайшы тарихи дәстүр бар.

Қабылдаушының көзқарасы бойынша

Бұл баламалы конвенцияда поляризация қабылдаушының көзқарасынан анықталады. Осы конвенцияны қолдану арқылы, сол немесе оң қолдылықты анықтау үшін, сол немесе оң бармағыңызды таралу бағытына қарсы, көзіңізге қарай бағыттаңыз, содан кейін саусақтарыңыздың иілуін өрістің уақыт бойынша айналуымен сәйкестендіріңіз. Бұл конвенцияны қолданғанда, екінші конвенциядан айырмашылығы, толқынның анықталған қолдылығы кеңістіктегі өрістің бұранда тәрізді табиғатының қолдылығымен сәйкес келеді. Атап айтқанда, егер оң қолды толқынды уақытта тоқтатсаңыз, оң қолыңыздың саусақтарын спираль бойына орағанда, бармағыңыз спиральдің таралу бағытына қарай бағытталады, айналу бағытын ескере отырып. Барлық бұрандалар мен спиральдердің табиғатын ескерсек, оның қолдылығын анықтағанда сіз бармағыңызды қай бағытта бағыттағаныңыз маңызды емес. Толқынның сағат бойынша немесе сағатқа қарсы айналмалы поляризацияланғанын анықтағанда, қабылдаушының көзқарасын қайтадан ескеріп, көзіңізге қарай, таралу бағытына қарсы, өрістің уақыт бойынша айналу бағытын бақылаңыз. Екінші конвенциядағыдай, оң қолдылық сағат бойынша айналуға, ал сол қолдылық сағатқа қарсы айналуға сәйкес келеді. Көптеген оптикалық оқулықтар осы екінші конвенцияны қолданады. Оны SPIE және Халықаралық таза және қолданбалы химия одағы (IUPAC) да қолданады.

Екі конвенцияның қолданылуы

Жоғарыда айтылғандай, осы екі конвенцияға қатысты маңызды түсініспеушіліктер бар. Жалпы ереже бойынша, инженерлік, кванттық физика және радиоастрономия салаларындағы мамандар бірінші конвенцияны қолданады, онда толқын көзінің тұрғысынан қарастырылады. IEEE RHCP және LHCP терминдерін физиктер қолданатынынан кері анықтайды. IEEE 1979 жылғы антенна стандартында Пуанкаре сферасының Оңтүстік полюсінде RHCP көрсетілген. IEEE RHCP-ді оң қолмен анықтайды, мұнда бас бармақ тарату бағытын, ал қалған саусақтар E өрісінің уақыт бойынша айналу бағытын көрсетеді. Физиктер мен инженерлердің қолданатын қарама-қарсы конвенциялардың себебі – астрономиялық байқаулар әрқашан бақылаушыға қарай келіп тұратын толқынмен жүзеге асырылады, ал көптеген инженерлер үшін олар таратушының артында тұрып, толқын өздерінен алыстап бара жатқанын бақылайды деп есептеледі. Бұл мақалада IEEE 1979 жылғы антенна стандарты қолданылмайды және IEEE еңбектерінде әдетте қолданылатын +t конвенциясы да қолданылмайды.

FM радиосы

"Дөңгелек поляризация" термині көбінесе FM радиосында (АҚШ-та 87,5–108,0 МГц) қолданылатын аралас поляризация сигналдарын сипаттау үшін дұрыс емес қолданылады, онда тік және көлденең компоненттер бір немесе біріктірілген антенна жиынтығы арқылы бір уақытта таратылады. Бұл, сигналдың бір жазықтықта поляризацияланған сигналына қарағанда, ғимараттарға және қабылдау қиын аймақтарға тереңірек енуіне мүмкіндік береді. Бұл жағдайда поляризацияны кездейсоқ поляризация деп атау қолайырақ, себебі қабылдағыштағы поляризация тұрақты болғанымен, таратушыдан бағытқа және тарату антеннасының құрылымындағы басқа факторларға байланысты өзгереді. Стокс параметрлерін қараңыз. Жоғарыдағы "FM радио" термині FM хабар таратуды білдіреді, екі тарапты радиобайланысты емес (дұрысырақ айтқанда, жерлік мобильді радио), ол көбінесе тік поляризацияны қолданады.

Дихроизм

Дөңгелек дихроизм (ДД) – сол және оң жақтан айналмалы поляризацияланған жарықтың әртүрлі мөлшерде жұтылуы. Дөңгелек дихроизм – молекулалардың оптикалық изомериясын және екіншілік құрылымын анықтауға қолданылатын спектроскопияның бір түрі. Әдетте, бұл құбылыс кез келген оптикалық белсенді молекуланың жұтылу спектрінде байқалады. Осының салдарынан, дөңгелек дихроизм көптеген биологиялық молекулаларда кездеседі, себебі олардың құрамында оң жақты бұратын (мысалы, кейбір қанттар) және сол жақты бұратын (мысалы, кейбір аминқышқылы) молекулалар болады. Екіншілік құрылым да молекуласына ерекше ДД сипаттамасын беретінін атап өткен жөн. Сондықтан, ақуыздардың альфа-спиралі, бета-парағы және кездейсоқ орам аймақтары, сондай-ақ нуклеин қышқылының қос спиралі – олардың құрылымдарын көрсететін ДД спектрлік белгілеріне ие. Сонымен қатар, қажетті жағдайлар туғанда, тіпті хиральды емес молекулалар да магниттік дөңгелек дихроизмді көрсетеді, яғни магниттік өріс әсерінен туындаған дөңгелек дихроизмді.

Жарық түсіру

Кругты поляризацияланған люминесценция (CPL) люминофор немесе люминофорлар жиынтығы хиральды болған кезде пайда болуы мүмкін. Эмиссиялардың поляризация дәрежесі циркулярлық дихроизмдегідей, диссимметрия факторы арқылы өлшенетін болады, кейде оны анизотропия факторы деп те атайды. Бұл мән келесі формуламен беріледі:

мұнда сол жақтан айналатын дөңгелек поляризацияланған жарықтың кванттық шығымына, ал оң жақтан айналатын жарықтың кванттық шығымына сәйкес келеді. Таза сол немесе оң жақтан айналатын дөңгелек поляризацияға сәйкес келетін gem-нің ең жоғары абсолюттік мәні 2-ге тең. Ал gem-нің ең төменгі абсолюттік мәні, сызықты поляризацияланған немесе поляризацияланбаған жарыққа сәйкес келеді, ол нөлге тең.

Кванттық механикада

Кванттық механикалық көзқарас бойынша, жарық фотондардан құралған. Поляризация – жарықтың спиндік бұрыштық импульсінің бір көрінісі. Әрі тіпті, кванттық механикада фотонның спинінің бағыты, дөңгелек поляризацияланған жарықтың оң немесе сол жақтылығымен байланысты, ал фотондар шоғының спині, электрондар сияқты бөлшектер шоғының спиніне ұқсас.

Табиғатта

Табиғатта тек бірнеше механизм ғана шеңберлік поляризацияланған жарықты жүйелі түрде шығарады. 1911 жылы Альберт Абрахам Микельсон Chrysina resplendens алтын қоңызынан шағылған жарықтың сол жаққа қарай поляризацияланғанын анықтады. Содан бері айналмалы поляризация Chrysina gloriosa сияқты басқа да бірнеше қоңыздарда, сондай-ақ мантис-шаян сияқты кейбір шағын қабықтылыларда өлшенді. Бұл жағдайларда негізгі механизм - хитиндік қабықтың молекулалық деңгейіндегі спиральды құрылымы. Жарыққұрқақтардың личинкаларының биолюминесценциясы да шеңберлік поляризацияланған, бұл туралы 1980 жылы Photuris lucicrescens және Photuris versicolor түрлері үшін хабарланған. Жарыққұрқақтарда поляризацияның микроскопиялық түсіндірмесін табу қиын, өйткені личинкалардың сол және оң жарық шамдары қарама-қарсы бағытта поляризацияланған жарықты шығарады. Авторлар жарық сызықтық поляризациядан басталады деп болжайды, себебі фотоциттердің ішіндегі біртектіліксіздіктерге байланысты, ал сызықтық екі сыну тіндері арқылы өтетін кезде ол шеңберлік поляризацияны қабылдайды. Су-әуе шектесі суреттері шеңберлік поляризацияның тағы бір көзін қамтамасыз етеді. Жер бетіне шашыраған күн сәулесі сызықтық поляризацияланады. Егер бұл жарық толығымен ішкі жағынан кері шағылысса, оның тік компоненті фазалық өзгеріске ұшырайды. Су астындағы бақылаушыға Снелл терезесінен тыс әлсіз жарық (ішінара) шеңберлік поляризацияланған болып көрінеді. Табиғаттағы шеңберлік поляризацияның әлсіз көздері, жұлдыз жарығының шеңберлік поляризациясы сияқты, сызықтық поляризаторлардың көп рет шашырауы және шеңберлік дихроизмдік ортаның селективті жұтылуы. Жұлдыздар мен пульсарлардан таралатын радиоэмиссия күшті шеңберлік поляризацияланған болуы мүмкін. Екі түрдің мантис-шаяны шеңберлік поляризацияланған жарықты анықтай алатыны туралы хабарланған.