Введение
Свойство волн, способных колебаться более чем в одной ориентации. Поляризация (также поляризация) — это свойство поперечных волн, определяющее геометрическую ориентацию колебаний. В поперечной волне направление колебания перпендикулярно направлению распространения волны, а также в поперечных звуковых волнах (волнах сдвига) в твердых телах. Электромагнитная волна, такая как свет, состоит из связанных колеблющихся электрического и магнитного полей, которые всегда перпендикулярны друг другу; по соглашению, "поляризация" электромагнитных волн относится к направлению электрического поля. При линейной поляризации поля колеблются в одном направлении. При круговой или эллиптической поляризации поля вращаются с постоянной скоростью в плоскости по мере распространения волны, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Свет или другое электромагнитное излучение из многих источников, таких как солнце, пламя и лампы накаливания, состоит из коротких волновых пакетов с равной смесью поляризаций; это называется неполяризованным светом. Поляризованный свет можно получить, пропуская неполяризованный свет через поляризатор, который пропускает волны только одной поляризации. Большинство распространенных оптических материалов не влияют на поляризацию света, но некоторые материалы — проявляющие двойное лучепреломление, дихроизм или оптическую активность — по-разному влияют на свет в зависимости от его поляризации. Некоторые из них используются для изготовления поляризационных фильтров. Свет также частично поляризуется при отражении под углом от поверхности. Согласно квантовой механике, электромагнитные волны также можно рассматривать как потоки частиц, называемых фотонами. В этом случае поляризация электромагнитной волны определяется квантово-механическим свойством фотонов, называемым спином. У фотона есть один из двух возможных спинов: он может вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно направления движения. Кругополяризованные электромагнитные волны состоят из фотонов только одного типа спина, либо с положительным, либо с отрицательным вращением. Линейно поляризованные волны состоят из фотонов, находящихся в суперпозиции состояний с положительным и отрицательным вращением, с одинаковой амплитудой и синхронизированными фазами, что приводит к колебаниям в плоскости. Поверхностные волны или волны, распространяющиеся в волноводе (например, в оптическом волокне), обычно не являются поперечными волнами, но могут быть описаны как электрический или магнитный поперечный режим, или гибридный режим. Даже в свободном пространстве продольные компоненты поля могут возникать в фокусных областях, где приближение плоской волны перестает выполняться. Крайним примером является радиально или тангенциально поляризованный свет, в фокусе которого электрическое или магнитное поле соответственно полностью продольное (направлено вдоль направления распространения). Для продольных волн, таких как звуковые волны в жидкостях, направление колебания по определению совпадает с направлением распространения, поэтому вопрос о поляризации обычно даже не поднимается. С другой стороны, звуковые волны в твердом теле могут быть как поперечными, так и продольными, что дает в общей сложности три компоненты поляризации. В этом случае поперечная поляризация связана с направлением касательного напряжения и смещения в направлениях, перпендикулярных направлению распространения, в то время как продольная поляризация описывает сжатие твердого тела и колебания вдоль направления распространения. Дифференциальное распространение поперечной и продольной поляризаций важно в сейсмологии.
Polarization (also polarisation) is a property of transverse waves which specifies the geometrical orientation of the oscillations. In a transverse wave, the direction of the oscillation is perpendicular to the direction of motion of the wave. and transverse sound waves (shear waves) in solids. An electromagnetic wave such as light consists of a coupled oscillating electric field and magnetic field which are always perpendicular to each other; by convention, the "polarization" of electromagnetic waves refers to the direction of the electric field. In linear polarization, the fields oscillate in a single direction. In circular or elliptical polarization, the fields rotate at a constant rate in a plane as the wave travels, either in the right hand or in the left hand direction. Light or other electromagnetic radiation from many sources, such as the sun, flames, and incandescent lamps, consists of short wave trains with an equal mixture of polarizations; this is called unpolarized light. Polarized light can be produced by passing unpolarized light through a polarizer, which allows waves of only one polarization to pass through. The most common optical materials do not affect the polarization of light, but some materials—those that exhibit birefringence, dichroism, or optical activity—affect light differently depending on its polarization. Some of these are used to make polarizing filters. Light also becomes partially polarized when it reflects at an angle from a surface. According to quantum mechanics, electromagnetic waves can also be viewed as streams of particles called photons. When viewed in this way, the polarization of an electromagnetic wave is determined by a quantum mechanical property of photons called their spin. A photon has one of two possible spins: it can either spin in a right hand sense or a left hand sense about its direction of travel. Circularly polarized electromagnetic waves are composed of photons with only one type of spin, either right or left hand. Linearly polarized waves consist of photons that are in a superposition of right and left circularly polarized states, with equal amplitude and phases synchronized to give oscillation in a plane. Surface waves or waves propagating in a waveguide (such as an optical fiber) are generally not transverse waves, but might be described as an electric or magnetic transverse mode, or a hybrid mode. Even in free space, longitudinal field components can be generated in focal regions, where the plane wave approximation breaks down. An extreme example is radially or tangentially polarized light, at the focus of which the electric or magnetic field respectively is entirely longitudinal (along the direction of propagation). For longitudinal waves such as sound waves in fluids, the direction of oscillation is by definition along the direction of travel, so the issue of polarization is normally not even mentioned. On the other hand, sound waves in a bulk solid can be transverse as well as longitudinal, for a total of three polarization components. In this case, the transverse polarization is associated with the direction of the shear stress and displacement in directions perpendicular to the propagation direction, while the longitudinal polarization describes compression of the solid and vibration along the direction of propagation. The differential propagation of transverse and longitudinal polarizations is important in seismology.
Поляризация
Поляризацию лучше всего понимать, начав с рассмотрения только чистых состояний поляризации и только когерентной синусоидальной волны на определенной оптической частоте. Вектор на соседнем рисунке может описывать колебание электрического поля, излучаемого одномодовым лазером (частота колебаний которого обычно в 10¹⁵ раз выше). Поле колеблется в плоскости xy вдоль страницы, при этом волна распространяется в направлении z, перпендикулярно странице. Первые две диаграммы ниже отображают вектор электрического поля в течение полного цикла для линейной поляризации в двух различных ориентациях; каждая из них считается отдельным состоянием поляризации (SOP). Следует отметить, что линейную поляризацию под углом 45° также можно рассматривать как сумму горизонтально линейно поляризованной волны (как на левом рисунке) и вертикально поляризованной волны той же амплитуды и в той же фазе. Если же ввести фазовый сдвиг между этими горизонтальной и вертикальной компонентами поляризации, то обычно получится эллиптическая поляризация, как показано на третьем рисунке. При точном фазовом сдвиге ±90° образуется круговая поляризация (четвертая и пятая фигуры). Таким образом, круговая поляризация создается на практике, начиная с линейно поляризованного света и используя четвертьволновую пластинку для введения такого фазового сдвига. Результат двух таких сдвинутых по фазе компонент, вызывающий вращающийся вектор электрического поля, показан в анимации справа. Обратите внимание, что круговая или эллиптическая поляризация может включать в себя вращение поля по часовой стрелке или против часовой стрелки. Они соответствуют различным состояниям поляризации, таким как две круговые поляризации, показанные выше. Разумеется, ориентация осей x и y, используемых в этом описании, произвольна. Выбор такой системы координат и представление эллипса поляризации в терминах компонентов поляризации x и y соответствует определению вектора Джонса (ниже) в терминах этих базисных поляризаций. Обычно выбирают оси, чтобы они соответствовали конкретной задаче, например, ось x лежит в плоскости падения. Поскольку существуют отдельные коэффициенты отражения для линейных поляризаций, направленных в плоскость падения и ортогональных ей (p- и s-поляризации, см. ниже), этот выбор значительно упрощает расчет отражения волны от поверхности. Более того, в качестве базисных функций можно использовать любую пару ортогональных состояний поляризации, а не только линейные поляризации. Например, выбор правой и левой круговой поляризации в качестве базисных функций упрощает решение задач, связанных с круговым бирефракцией (оптической активностью) или круговым дихроизмом.
Эллипса поляризации
Рассмотрим чисто поляризованную монохроматическую волну. Если бы вектор электрического поля был изображен на графике в течение одного цикла колебаний, то, как показано на рисунке, обычно получился бы эллипс, соответствующий определенному состоянию эллиптической поляризации. Следует отметить, что линейная и круговая поляризации являются частными случаями эллиптической поляризации. Состояние поляризации можно описать, используя геометрические параметры эллипса и его "крутизну", то есть, направление вращения вокруг эллипса – по часовой стрелке или против часовой стрелки. Одним из способов параметризации эллипса является указание угла ориентации ψ, определяемого как угол между главной осью эллипса и осью x, а также эллиптичности ε = a/b – отношения длины большой оси к длине малой оси эллипса (также известного как осевое отношение). Эллиптичность является альтернативным способом параметризации эксцентриситета эллипса или угла эллиптичности, как показано на рисунке.
Геология
Свойство (линейного) двойного лучепреломления широко распространено в кристаллических минералах и, фактически, сыграло ключевую роль в первоначальном открытии поляризации. В минералогии это свойство часто используется с помощью поляризационных микроскопов для идентификации минералов. Более подробную информацию можно найти в разделе "Оптическая минералогия". Звуковые волны в твердых телах демонстрируют поляризацию. Дифференциальное распространение трех поляризаций в земной коре имеет решающее значение в сейсмологии. Горизонтально и вертикально поляризованные сейсмические волны (волны сдвига) обозначаются как SH и SV, а волны с продольной поляризацией (волны сжатия) – как P-волны.
Химия
Мы видели (выше), что двоякопреломление определенного типа кристаллов полезно для их идентификации, и, следовательно, обнаружение линейного двоякопреломления особенно важно в геологии и минералогии. Линейно поляризованный свет обычно изменяет свое состояние поляризации при прохождении через такой кристалл, что делает его заметным при наблюдении между двумя скрещенными поляризаторами, как видно на фотографии выше. Подобным образом, в химии вращение плоскостей поляризации в жидком растворе может быть полезным измерением. В жидкости линейное двоякопреломление невозможно, но может возникать круговое двоякопреломление, когда в растворе присутствует хиральная молекула. Когда право- и левовращающие энантиомеры такой молекулы присутствуют в равных количествах (так называемая рацемическая смесь), их эффекты взаимно уничтожаются. Однако, когда присутствует только один энантиомер (или его преобладание), что чаще встречается для органических молекул, наблюдается результирующее круговое двоякопреломление (или оптическая активность), которое показывает степень этого дисбаланса (или концентрацию самой молекулы, если можно предположить, что присутствует только один энантиомер). Это измеряется с помощью поляриметра, в котором поляризованный свет пропускается через трубку с жидкостью, в конце которой расположен другой поляризатор, который вращается для подавления прохождения света через него.
Астрономия
Во многих областях астрономии изучение поляризованного электромагнитного излучения из космоса имеет большое значение. Хотя обычно это не является фактором в тепловом излучении звезд, поляризация также присутствует в излучении когерентных астрономических источников (например, гидроксильных или метанольных мазеров), и некогерентных источников, таких как протяженные радиолепестки в активных галактиках, и радиоизлучение пульсаров (которое, как предполагается, иногда может быть когерентным), а также накладывается на звёздный свет при рассеянии на межзвёздной пыли. Помимо предоставления информации об источниках излучения и рассеяния, поляризация также позволяет исследовать межзвёздное магнитное поле посредством вращения Фарадея. Поляризация космического микроволнового фона используется для изучения физики очень ранней Вселенной. Синхротронное излучение по своей природе является поляризованным. Было высказано предположение, что астрономические источники могли стать причиной хиральности биологических молекул на Земле, однако в качестве альтернативной теории предложена селекция хиральности на неорганических кристаллах.
Солнцезащитные очки с поляризацией
Неполяризованный свет, отражаясь от зеркальной (блестящей) поверхности, обычно приобретает некоторую степень поляризации. Это явление было впервые замечено в начале 1800-х годов математиком Этьеном Луи Малюсом, в честь которого и назван закон Малюса. Поляризационные солнцезащитные очки используют этот эффект для уменьшения бликов от отражений с горизонтальных поверхностей, в частности, от дороги при взгляде под скользящим углом. Пользователи поляризационных солнцезащитных очков могут иногда наблюдать нежелательные эффекты поляризации, такие как цветозависимое двулучепреломление, например, в закалённом стекле (например, в автомобильных стёклах) или изделиях из прозрачного пластика, в сочетании с естественной поляризацией, возникающей при отражении или рассеянии. Поляризованный свет от ЖК-мониторов (см. ниже) становится особенно заметным при ношении таких очков.
Поляризация неба и фотография
Поляризация наблюдается в свете неба, поскольку она обусловлена солнечным светом, рассеянным аэрозолями при прохождении через атмосферу Земли. Рассеянный свет создает яркость и цвет ясного неба. Эту частичную поляризацию рассеянного света можно использовать для затемнения неба на фотографиях, увеличивая контрастность. Эффект наиболее заметен в точках неба, образующих угол 90° к Солнцу. Поляризационные фильтры используют эти эффекты для оптимизации результатов съемки сцен, где присутствует отражение или рассеяние от неба. Поляризация неба использовалась для ориентации в навигации. Небесный компас Пфунда применялся в 1950-х годах для навигации вблизи полюсов магнитного поля Земли, когда солнце и звезды были невидимы (например, в дневное время под облаками или в сумерках). Существует спорное предположение, что викинги использовали аналогичное устройство ("солнечный камень") в своих масштабных экспедициях через Северную Атлантику в IX–XI веках, до появления магнитного компаса из Азии в Европе в XII веке. Связанным с небесным компасом является "полярный циферблат", изобретенный Чарльзом Уитстоуном в конце XIX века.
Технологии отображения
Принцип технологии жидкокристаллических дисплеев (LCD) основан на вращении оси линейной поляризации жидкокристаллическим массивом. Свет от подсветки (или отражающего слоя в устройствах, не включающих или не требующих подсветки) сначала проходит через линейный поляризующий лист. Этот поляризованный свет проходит через фактический слой жидких кристаллов, который может быть организован в пиксели (для телевизора или монитора компьютера) или в другом формате, например, семисегментный дисплей или с индивидуальными символами для конкретного продукта. Жидкокристаллический слой производится с последовательной правой (или левой) хиральностью, по существу состоящей из крошечных спиралей. Это вызывает круговое двойное лучепреломление и сконструировано таким образом, чтобы обеспечивалось вращение линейного состояния поляризации на 90 градусов. Однако, когда напряжение подается на ячейку, молекулы выпрямляются, уменьшая или полностью теряя круговое двойное лучепреломление. На стороне дисплея находится еще один линейный поляризующий лист, обычно ориентированный на 90 градусов относительно листа за активным слоем. Поэтому, когда круговое двойное лучепреломление удаляется при приложении достаточного напряжения, поляризация прошедшего света остается под прямым углом к переднему поляризатору, и пиксель выглядит темным. Однако при отсутствии напряжения вращение поляризации на 90 градусов приводит к ее точному совпадению с осью переднего поляризатора, позволяя свету проходить. Промежуточные напряжения создают промежуточное вращение оси поляризации, а пиксель имеет промежуточную интенсивность. Дисплеи, основанные на этом принципе, широко распространены и в настоящее время используются в подавляющем большинстве телевизоров, компьютерных мониторов и видеопроекторов, что делает предыдущую технологию ЭЛТ по существу устаревшей. Использование поляризации в работе ЖК-дисплеев сразу же становится очевидным для тех, кто носит поляризованные солнцезащитные очки, часто делая дисплей нечитаемым. В совершенно ином смысле поляризационное кодирование стало ведущим (но не единственным) методом доставки отдельных изображений левому и правому глазу в стереоскопических дисплеях, используемых для 3D-фильмов. Это предполагает отдельные изображения, предназначенные для каждого глаза, либо проецируемые с двух различных проекторов с ортогонально ориентированными поляризующими фильтрами, либо, чаще, с одного проектора с мультиплексированием поляризации во времени (быстрое чередующееся поляризационное устройство для последовательных кадров). Поляризованные 3D-очки с подходящими поляризующими фильтрами гарантируют, что каждый глаз получает только предназначенное для него изображение. Исторически такие системы использовали линейное поляризационное кодирование, поскольку оно было недорогим и обеспечивало хорошее разделение. Однако круговая поляризация делает разделение двух изображений нечувствительным к наклону головы и широко используется в 3D-кинотеатрах сегодня, например, система от RealD. Проецирование таких изображений требует экранов, которые сохраняют поляризацию проецируемого света при просмотре в отражении (например, серебряные экраны); обычный диффузный белый экран для проекций вызывает деполяризацию проецируемых изображений, что делает его непригодным для этого применения. Хотя сейчас устаревшие, ЭЛТ-мониторы страдали от отражения от стеклянной оболочки, вызывая блики от источников света в помещении и, следовательно, плохую контрастность. Для устранения этой проблемы было использовано несколько антибликовых решений. Одно из решений использовало принцип отражения кругово поляризованного света. Круговой поляризующий фильтр перед экраном позволяет пропускать (например) только правую круговую поляризацию света в помещении. Теперь правый кругово поляризованный свет (в зависимости от используемой конвенции) имеет направление электрического (и магнитного) поля, вращающееся по часовой стрелке при распространении в направлении +z. При отражении поле все еще имеет то же направление вращения, но теперь распространение происходит в направлении -z, что делает отраженную волну левой круговой поляризацией. При размещении правого кругового поляризационного фильтра перед отражающим стеклом нежелательный свет, отражаемый от стекла, будет находиться в состоянии поляризации, которое блокируется этим фильтром, устраняя проблему отражения. Реверс круговой поляризации при отражении и устранение отражений таким образом можно легко наблюдать, глядя в зеркало в 3D-очках, использующих левую и правую круговую поляризацию в двух линзах. Закрыв один глаз, другой глаз увидит отражение, в котором он не сможет увидеть себя; эта линза будет казаться черной. Однако другая линза (закрытого глаза) будет иметь правильную круговую поляризацию, позволяя закрытому глазу быть легко видимым для открытого.
Радиопередача и прием
Все радио (и микроволновые) антенны, используемые для передачи или приема, по своей природе поляризованы. Они передают (или принимают сигналы от) определенной поляризации, будучи полностью нечувствительными к противоположной; в некоторых случаях эта поляризация является функцией направления. Большинство антенн номинально линейно поляризованы, но возможна также эллиптическая и круговая поляризация. Как и в оптике, под "поляризацией" радиоволны понимается поляризация ее электрического поля, при этом магнитное поле повернуто на 90 градусов относительно него для линейно поляризованной волны. Подавляющее большинство антенн линейно поляризованы. Фактически, из соображений симметрии можно показать, что антенна, полностью лежащая в плоскости, включающей наблюдателя, может иметь поляризацию только в направлении этой плоскости. Это применимо ко многим случаям, позволяя легко определить поляризацию такой антенны в предполагаемом направлении распространения. Таким образом, типичная антенна Яги или логопериодическая антенна с горизонтальными проводниками, видимая со второй станции в направлении горизонта, обязательно горизонтально поляризована. Вертикальная "антенна-хлыст" или AM-вещательная мачта, используемая в качестве антенного элемента (опять же, для наблюдателей, расположенных горизонтально относительно нее), будет передавать в вертикальной поляризации. Антенна-турникс с четырьмя плечами в горизонтальной плоскости также передает горизонтально поляризованное излучение в направлении горизонта. Однако, когда та же антенна-турникс используется в "осевом режиме" (вверх, для той же горизонтально ориентированной конструкции), ее излучение становится циркулярно поляризованным. На промежуточных высотах оно эллиптически поляризовано. Поляризация важна в радиосвязи, поскольку, например, попытка приема вертикально поляризованного сигнала горизонтально поляризованной антенной существенно ослабит силу сигнала (или, при очень контролируемых условиях, сведет ее к нулю). Этот принцип используется в спутниковом телевидении для удвоения пропускной способности канала в фиксированном частотном диапазоне. Один и тот же частотный канал можно использовать для двух сигналов, передаваемых с противоположными поляризациями. Настраивая приемную антенну на одну или другую поляризацию, можно выбрать любой сигнал без помех от другого. Особенно из-за наличия земли существуют различия в распространении (а также в отражениях, вызывающих "призраки" на телевидении) между горизонтальной и вертикальной поляризацией. AM- и FM-радио обычно используют вертикальную поляризацию, а телевидение – горизонтальную. Особенно на низких частотах следует избегать горизонтальной поляризации, поскольку фаза горизонтально поляризованной волны инвертируется при отражении от земли. Удаленная станция в горизонтальном направлении будет принимать как прямую, так и отраженную волну, которые, таким образом, могут взаимно гаситься. Эта проблема решается при использовании вертикальной поляризации. Поляризация также важна при передаче радиолокационных импульсов и приеме радиолокационных отражений той же или другой антенной. Например, обратное рассеяние радиолокационных импульсов каплями дождя можно избежать, используя круговую поляризацию. Как и зеркальное отражение циркулярно поляризованного света меняет направление поляризации, как обсуждалось выше, тот же принцип применим к рассеянию объектами, значительно меньшими длины волны, такими как капли дождя. С другой стороны, отражение этой волны от неровного металлического объекта (например, самолета) обычно приводит к изменению поляризации и (частичному) приему отраженной волны той же антенной. Влияние свободных электронов в ионосфере в сочетании с магнитным полем Земли вызывает вращение Фарадея – своего рода круговой двойной лучепреломление. Это тот же механизм, который может вращать ось линейной поляризации электронами в межзвездном пространстве, как упоминалось ниже. Величина вращения Фарадея, вызванного такой плазмой, значительно возрастает на более низких частотах, поэтому на более высоких микроволновых частотах, используемых спутниками, эффект минимален. Однако передачи средних и коротких волн, принимаемые после рефракции в ионосфере, сильно подвержены этому влиянию. Поскольку путь волны через ионосферу и вектор магнитного поля Земли вдоль этого пути довольно непредсказуемы, волна, переданная с вертикальной (или горизонтальной) поляризацией, обычно будет иметь произвольную ориентацию поляризации на приемной стороне.
Поляризация и зрение
Многие животные способны воспринимать некоторые компоненты поляризации света, например, линейно горизонтально поляризованный свет. Это обычно используется для навигации, поскольку линейная поляризация небесного света всегда перпендикулярна направлению на солнце. Эта способность широко распространена среди насекомых, включая пчел, которые используют эту информацию для ориентации в своих коммуникативных танцах. Быстро меняющиеся, ярко окрашенные узоры кожи каракатиц, используемые для общения, также включают поляризационные узоры, а креветки-богомолы обладают поляризационно-селективной отражающей тканью. Считалось, что голуби воспринимают поляризацию неба, что предположительно помогало им находить дорогу домой, но исследования показали, что это распространенное заблуждение. Невооруженный человеческий глаз слабо чувствителен к поляризации и не требует использования фильтров. Поляризованный свет создает очень слабый узор в центре поля зрения, называемый кистью Гайдингера. Этот узор очень трудно заметить, но при достаточной практике можно научиться обнаруживать поляризованный свет невооруженным глазом.