Введение

Состояние поляризации

В электродинамике круговая поляризация электромагнитной волны – это состояние поляризации, в котором в каждой точке электромагнитное поле волны имеет постоянную величину и вращается с постоянной скоростью в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В электродинамике сила и направление электрического поля определяются его вектором электрического поля. В случае циркулярно поляризованной волны, конец вектора электрического поля в данной точке пространства связан с фазой света по мере его распространения во времени и пространстве. В любой момент времени вектор электрического поля волны указывает на точку на спирали, ориентированной вдоль направления распространения. Циркулярно поляризованная волна может вращаться в одном из двух возможных направлений: правокруговая поляризация (RHCP), в которой вектор электрического поля вращается по часовой стрелке относительно направления распространения, и левокруговая поляризация (LHCP), в которой вектор вращается против часовой стрелки. Круговая поляризация является предельным случаем эллиптической поляризации. Другим особым случаем является более понятная линейная поляризация. Все три термина были введены Огюстеном Жаном Френелем в мемуаре, представленном Французской академии наук 9 декабря 1822 года. Френель впервые описал случай круговой поляризации, еще не дав ему названия, в 1821 году. Феномен поляризации возникает как следствие того, что свет ведет себя как двумерная поперечная волна. Круговая поляризация возникает, когда два ортогональных вектора компонентов электрического поля имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе ровно на 90° или на четверть длины волны.

Характеристики

В циркулярно поляризованной электромагнитной волне отдельные векторы электрического поля, а также их результирующий вектор, имеют постоянную величину и изменяющийся фазовый угол. Поскольку это плоская волна, каждый вектор представляет величину и направление электрического поля для всей плоскости, перпендикулярной оптической оси. В частности, для кругово поляризованной плоской волны эти векторы указывают на то, что электрическое поле, от плоскости к плоскости, сохраняет постоянную силу, в то время как его направление непрерывно вращается. Обратитесь к двум изображениям в статье о плоской волне, чтобы лучше понять эту динамику. Такой свет считается правосторонним, кругово поляризованным по часовой стрелке, если на него смотрит приемник. Поскольку это электромагнитная волна, каждый вектор электрического поля имеет соответствующий, но не показанный, вектор магнитного поля, который перпендикулярен вектору электрического поля и пропорционален ему по величине. В результате, векторы магнитного поля образовали бы вторую спираль, если бы их отобразили. Круговая поляризация часто встречается в оптике, и в этом разделе электромагнитная волна будет просто называться светом. Природа круговой поляризации и ее связь с другими типами поляризации часто понимается, если рассматривать электрическое поле как состоящее из двух взаимно перпендикулярных компонент. Вертикальная компонента и соответствующая ей плоскость показаны синим цветом, а горизонтальная компонента и соответствующая ей плоскость – зеленым. Обратите внимание, что горизонтальная компонента, направленная вправо (относительно направления распространения), опережает вертикальную на четверть длины волны, что соответствует фазовому сдвигу в 90°. Именно это квадратурное соотношение фаз создает спираль и приводит к тому, что точки максимальной величины вертикальной компоненты соответствуют точкам нулевой величины горизонтальной компоненты, и наоборот. В результате этого выравнивания определенные векторы, соответствующие спирали, точно совпадают с максимумами вертикальной и горизонтальной компонент. Чтобы понять, как этот квадратурный фазовый сдвиг соответствует вращающемуся электрическому полю с постоянной величиной, представьте себе точку, движущуюся по кругу по часовой стрелке. Рассмотрите, как вертикальное и горизонтальное смещение точки относительно центра круга изменяются во времени по синусоидальному закону и сдвинуты по фазе на четверть цикла. Считается, что смещения сдвинуты по фазе на четверть цикла, поскольку максимальное горизонтальное смещение (влево) достигается на четверть цикла раньше, чем максимальное вертикальное смещение. Теперь, обращаясь к иллюстрации, представьте себе, что центр описанного круга движется вдоль оси от переднего плана к заднему. Движущаяся точка будет описывать спираль, при которой смещение влево (относительно наблюдателя) опережает вертикальное смещение. Подобно тому, как горизонтальное и вертикальное смещения вращающейся точки сдвинуты по фазе на четверть цикла во времени, величина горизонтальной и вертикальной компонент электрического поля сдвинута по фазе на четверть длины волны. Следующая пара иллюстраций демонстрирует левосторонний, кругово поляризованный против часовой стрелки свет, видимый приемником. Поскольку он левосторонний, горизонтальная компонента, направленная вправо (относительно направления распространения), теперь отстает от вертикальной компоненты на четверть длины волны, а не опережает ее.

Волновая пластина

Для преобразования циркулярно поляризованного света в противоположную поляризацию можно использовать половинчатую волновою пластинку. Половинчатая волновою пластинка сдвигает данную линейную компоненту света на половину длины волны относительно её ортогональной линейной компоненты.

Отражение

Поляризованный свет отражается от поверхности с обратной циркуляцией при нормальном падении. При таком отражении вращение плоскости поляризации отраженного света идентично вращению поляризации падающего света. Однако, поскольку распространение происходит в противоположном направлении, то же направление вращения, которое для падающего луча описывается как "правое", для распространения в обратном направлении будет "левым", и наоборот. Помимо изменения циркуляции, сохраняется также эллиптичность поляризации (за исключением случаев отражения от двулучепреломляющей поверхности). Важно отметить, что этот принцип строго выполняется только для света, отраженного при нормальном падении. Например, правокруговая поляризация, отраженная от диэлектрической поверхности при скользящем угле (угле, превышающем угол Брюстера), все равно будет правокруговой, но эллиптически поляризованной. Свет, отраженный от металла при ненормальном угле падения, как правило, также изменяет свою эллиптичность. Такие ситуации можно решить, разложив падающую циркулярную (или другую) поляризацию на компоненты линейной поляризации, параллельные и перпендикулярные плоскости падения, обычно обозначаемые p и s соответственно. Отраженные компоненты в p и s поляризациях находятся с помощью коэффициентов Френеля, которые обычно различны для этих двух линейных поляризаций. Только в особом случае нормального падения, когда между p и s нет различий, коэффициенты Френеля для обеих компонент оказываются одинаковыми, что и обуславливает вышеописанное свойство.

Переход на линейную поляризацию

Кругово поляризованный свет можно преобразовать в линейно поляризованный, пропуская его через четвертьволновую пластинку. Прохождение линейно поляризованного света через четвертьволновую пластинку, оси которой расположены под углом 45° к оси поляризации, преобразует его в круговую поляризацию. Фактически, это наиболее распространенный способ получения круговой поляризации на практике. Следует отметить, что прохождение линейно поляризованного света через четвертьволновую пластинку под углом, отличным от 45°, как правило, приводит к эллиптической поляризации.

Конвенции о ручной работе

Круговую поляризацию можно назвать правой или левой, а также по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от направления вращения вектора электрического поля. К сожалению, существует две противоположные исторические традиции.

С точки зрения получателя

В этой альтернативной конвенции поляризация определяется с точки зрения приемника. Используя эту конвенцию, левую или правую циркуляцию определяют, направив левый или правый большой палец к источнику, против направления распространения, а затем сопоставив направление скручивания пальцев с временным вращением поля. При использовании этой конвенции, в отличие от другой, определенная циркуляция волны соответствует винтовой природе поля в пространстве. В частности, если представить себе зафиксированную во времени правую волну, то, скрутив пальцы правой руки вокруг спирали, большой палец укажет в направлении продвижения спирали, учитывая направление вращения. Важно отметить, что в контексте природы всех винтов и спиралей не имеет значения, в каком направлении вы направляете большой палец при определении ее циркуляции. При определении того, является ли волна круговой поляризацией по часовой стрелке или против часовой стрелки, снова принимается точка зрения приемника и, глядя в сторону источника, против направления распространения, наблюдается направление временного вращения поля. Как и в другой конвенции, правая циркуляция соответствует вращению по часовой стрелке, а левая – против часовой стрелки. Многие учебники по оптике используют эту вторую конвенцию. Она также используется SPIE и Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Использование двух конвенций

Как уже было сказано ранее, существует значительная путаница в отношении этих двух соглашений. В общем случае, инженерные, квантовой физики и радиоастрономические сообщества используют первое соглашение, в котором волна рассматривается с точки зрения источника. Следует отметить, что IEEE определяет RHCP и LHCP противоположным образом по сравнению с тем, как это делают физики. Стандарт IEEE 1979 года по антеннам отображает RHCP на южном полюсе сферы Пуанкаре. IEEE определяет RHCP, используя правую руку, где большой палец указывает направление передачи, а остальные пальцы – направление вращения электрического поля во времени. Причина использования противоположных соглашений физиками и инженерами заключается в том, что астрономические наблюдения всегда проводятся с учетом входящей волны, направленной к наблюдателю, в то время как большинство инженеров предполагают, что они находятся за передатчиком и наблюдают за волной, распространяющейся от него. В данной статье не используется стандарт IEEE 1979 года по антеннам и соглашение +t, обычно применяемое в работах IEEE.

FM радио

Термин "круговая поляризация" часто ошибочно используется для описания сигналов смешанной поляризации, применяемых преимущественно в FM-радиовещании (87,5–108,0 МГц в США), где вертикальная и горизонтальная компоненты распространяются одновременно с помощью одной или комбинированной антенной решетки. Это обеспечивает лучшее проникновение сигнала в здания и зоны со сложным приемом, чем сигнал с поляризацией в одной плоскости. В данном случае поляризацию более корректно называть случайной, поскольку поляризация на приемной стороне, хотя и остается постоянной, изменяется в зависимости от направления на передатчик и других факторов, связанных с конструкцией передающей антенны. См. параметры Стокса. Термин "FM-радио" в данном контексте относится к FM-вещанию, а не к радиосвязи (более точно называемой наземной мобильной связью), которая практически исключительно использует вертикальную поляризацию.

Дихроизм

Круговой дихроизм (CD) — это дифференциальное поглощение лево- и правовращающего циркулярно поляризованного света. Круговой дихроизм лежит в основе спектроскопического метода, который можно использовать для определения оптического изомеризма и вторичной структуры молекул. Как правило, это явление проявляется в полосах поглощения любой оптически активной молекулы. Следовательно, круговой дихроизм демонстрируют большинство биологических молекул из-за содержащихся в них декстроротаторных (например, некоторых сахаров) и левовращающих (например, некоторых аминокислот) молекул. Важно отметить также, что вторичная структура также придает своим молекулам характерный спектр CD. Таким образом, альфа-спираль, бета-лист и участки случайной катушки белков, а также двойная спираль нуклеиновых кислот имеют CD-спектральные сигнатуры, отражающие их структуру. Кроме того, при определенных условиях даже нехиральные молекулы проявляют магнитный круговой дихроизм — то есть круговой дихроизм, индуцированный магнитным полем.

Люминесценция

Циркулярно поляризованная люминесценция (ЦПЛ) может возникать, когда люминофор или совокупность люминофоров является хиральным. Степень поляризации излучения количественно оценивается аналогично круговому дихроизму, в терминах фактора диссимметрии, который также иногда называют фактором анизотропии. Это значение выражается следующим образом:

где соответствует квантовому выходу левовращающегося циркулярно поляризованного света, а – правовращающегося. Максимальное абсолютное значение , соответствующее чисто лево- или правовращающейся циркулярной поляризации, равно 2. Минимальное абсолютное значение, которое может принимать, соответствующее линейно поляризованному или неполяризованному свету, равно нулю.

В квантовой механике

В квантовомеханическом представлении свет состоит из фотонов. Поляризация является проявлением спинового углового момента света. В частности, в квантовой механике направление спина фотона связано с циркулярной поляризацией света (его хиральностью), а спин пучка фотонов аналогичен спину пучка частиц, таких как электроны.

В природе

Известно лишь несколько механизмов в природе, способных систематически производить циркулярно поляризованный свет. В 1911 году Альберт Абрахам Микельсон обнаружил, что свет, отражаемый от золотистого жука Chrysina resplendens, преимущественно левополяризован. С тех пор циркулярная поляризация была измерена у нескольких других жуков-скарабеев, таких как Chrysina gloriosa, а также у некоторых ракообразных, таких как креветки-богомолы. В этих случаях основополагающим механизмом является молекулярная спиральность хитиновой кутикулы. Биолюминесценция личинок светлячков также циркулярно поляризована, как было сообщено в 1980 году для видов Photuris lucicrescens и Photuris versicolor. Для светлячков сложнее найти микроскопическое объяснение поляризации, поскольку было обнаружено, что левый и правый фонари личинок излучают поляризованный свет с противоположной направленностью. Авторы предполагают, что свет начинается с линейной поляризации из-за неоднородностей внутри выровненных фотоцитов и приобретает циркулярную поляризацию при прохождении через линейно-двупреломляющую ткань. Поверхность раздела воды и воздуха также является источником циркулярной поляризации. Солнечный свет, рассеивающийся обратно к поверхности, линейно поляризован. Если этот свет затем полностью внутренне отражается обратно вниз, его вертикальная составляющая претерпевает сдвиг фазы. Для подводного наблюдателя, смотрящего вверх, слабый свет за окном Снелла, следовательно, (частично) циркулярно поляризован. К более слабым источникам циркулярной поляризации в природе относятся многократное рассеяние линейными поляризаторами, как в случае циркулярной поляризации звездного света, и селективное поглощение циркулярно-дихроичными средами. Радиоизлучение от звезд и пульсаров может быть сильно циркулярно поляризованным. Сообщается, что два вида креветок-богомолов способны обнаруживать циркулярно поляризованный свет.