Поляризация электромагнитных волн
Поляризация электромагнитных волн
Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:
- Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
- Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
- Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.
Некогерентное излучение может быть не поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным.
При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.
Содержание
Теория явления
Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.
Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.
Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.
Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.
По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.
Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.
Некоторые живые существа [1] , например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая [2] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.
История открытия
Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.
Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).
В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.
Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.
В 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.
Параметры Стокса
В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A1 , A2 и разностью фаз φ , либо полуосями эллипса a , b и углом ψ между осью x и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:
, 
, 
, 
.
Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:
.
Если ввести вспомогательный угол χ , определяемый выражением 
(знак 
соответствует правой, а 
— левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:
, 
, 
.
На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса 
, 
, 
интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса 
. Углы 
и 
имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре, поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре.
Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса 
, 
, 
. Для поляризованного света 
.
См. также
Литература
- Ахманов С. А., Никитин С. Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
- Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973
Примечания
- ↑ Некоторые люди также обладают способностью различать поляризаци света, в частности эти люди могут наблюдать невооруженным глазом эффекты, связанные с частичной поляризацией света дневного неба. Так описывает этот эффект Лев Николаевич Толстой в своей повести «Юность»:
«и, вглядываясь в растворенную дверь балкона … , и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает;» - ↑http://www.membrana.ru/lenta/?8088
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое «Поляризация электромагнитных волн» в других словарях:
Поляризация — (франц. polarisation, первоисточник: греч. pólos ось, полюс) процессы и состояния, связанные с разделением каких либо объектов, преимущественно в пространстве. Поляризация вакуума Поляризация волн Поляризация электромагнитных волн… … Википедия
Поляризация волн — У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация. Поляризация волн характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В продольной… … Википедия
Поляризация частиц — Поляризацией волны называется явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной … Википедия
Поляризация волны — Поляризацией волны называется явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной … Википедия
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН — характеристика волн, определяющая пространственную направленность векторных волновых полей. Исторически это понятие было введено в оптике ещё во времена довекторных описаний и первоначально основывалось на свойствах поперечной анизотропии… … Физическая энциклопедия
Поляризация света — Поляризация для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь: Эллипс поляризации Линейную… … Википедия
Поляризация фотонов — Поляризация для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь: Эллипс поляризации Линейную… … Википедия
Поляризация света — одно из фундаментальных свойств оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). П. с.… … Большая советская энциклопедия
Поляризация волн — нарушение осевой симметрии распределения возмущений (например, смещений и скоростей в механической волне или напряжённостей электрических и магнитных полей в электромагнитных волнах) в поперечной волне относительно направления её… … Большая советская энциклопедия
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН — (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Источник
Поляризация электромагнитной волны
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций
Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем
Лаборатория «Электродинамика и распространение радиоволн»
Лабораторная работа № ВИ-102
Поляризация электромагнитной волны
Целью работы является изучение поляризации электромагнитной волны и исследование с помощью виртуальной лабораторной установки различных видов поляризации.
Подготовка к работе.
Перед выполнением работы необходимо изучить соответствующий лекционный материал, настоящее описание и, при необходимости, рекомендованную литературу [1, с.57-59; 2, с.60-62; 3, с.158-162; 4, с.139-143; 5, с.180-187].
Краткие теоретические сведения.
В общем случае однородная плоская волна, которая распространяется в направлении оси z, имеет векторы 
и 
, лежащие в плоскости xOy фазового фронта. Эти векторы взаимно ортогональны, пропорциональны по величине и образуют с вектором Пойнтинга правую тройку векторов. Положение вектора в плоскости xOy может быть произвольным. Однако, вследствие того, что волна является гармонической с частотой 
и периодом колебаний 
, изменяющийся по величине и направлению вектор возвращается каждый период в исходное положение и рисует при этом своим концом на плоскости xOy замкнутую кривую, называемую годографом вектора . Вектор при этом однозначно определяется вектором и, при необходимости, всегда может быть найден.
Поляризация волны определяет закон изменения направления и величины вектора 
этой волны в данной точке пространства за период колебания. По форме годографа вектора определяют три вида поляризации монохроматических волн: линейная, круговая и эллиптическая.
Рассмотрим вектор 
, произвольно лежащий в плоскости xOy (рис.1):
. (1)
Рис.1. Вектор напряжённости электрического поля
Мгновенное значение модуля вектора
(2)
Угол вектора с осью x
(3)
Линейно поляризованной называют волну, у которой направление вектора остаётся неизменным с течением времени. Если начальные фазы суммируемых в выражении (1) ортогональных компонент поля совпадают 
или сдвинуты друг относительно друга на 
, то результирующая волна будет иметь линейную поляризацию. Действительно, подставив в (1) 
(где при 
и при 
), имеем
, (4)
. (5)
Из (5) следует, что
, (6)
и что направление 
колебаний вектора образует с осью x угол 
, который определяется соотношением
,
(7)
и, следовательно, не изменяется с течением времени (рис.2).
Рис.2. Линейно поляризованная волна
Плоскость, проходящую через направление распространения электромагнитной волны и вектор , называют плоскостью поляризации. Плоскость поляризации линейно поляризованной волны не изменяет своего положения с течением времени.
Поляризованной по кругу называют волну, у которой вектор равномерно вращается, описывая за время одного периода своим концом окружность.
Однородная плоская волна с круговой поляризацией получается в результате суперпозиции двух линейно поляризованных волн, имеющих взаимно перпендикулярные векторы с равными амплитудами 
и сдвигом начальных фаз на 
.
Пусть, например, составляющая 
отстает по фазе:
. (8)
В этом случае согласно (1) имеем:
, 
. (9)
Определим мгновенное значение модуля вектора этой волны:
. (10)
Таким образом, вектор постоянен по величине. Угол между осью и направлением вектора определяется соотношением
(11)
. (12)
Из (12) следует, что в каждой фиксированной точке наблюдения 
угол линейно возрастает по закону с увеличением , изменяясь на за время одного периода . Таким образом, при 
суперпозиция (1) определяет в точке 
равномерное вращение вектора с угловой скоростью в направлении по часовой стрелке, если смотреть в направлении оси z, т.е. в сторону составляющей, отстающей по фазе; конец вектора описывает при этом вращении окружность (рис.3). Можно также говорить, что направление движения волны и вращение вектора образуют правовинтовую систему.
Рис. 3. Волна правой круговой поляризации
Из (12) также следует, что в каждый фиксированный момент времени 
угол линейно уменьшается по закону с увеличением координаты , изменяясь на на расстоянии, равном . Таким образом, в момент времени вектор равномерно поворачивается с увеличением координаты в направлении против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения волны, делая один оборот на расстоянии . Концы векторов , относящихся к различным точкам оси z, расположены при этом на левовинтовой круговой спирали (рис.3).
Если положить в (1) 
и 
, то вместо (9) имеем:
, 
. (13)
и аналогичным путем вновь получаем однородную плоскую волну с круговой поляризацией. Однако, у этой волны в точке вектор равномерно вращается в направлении против часовой стрелки (рис.4), а направление движения волны и вращение вектора образуют левовинтовую систему. В момент времени концы векторов на оси z расположены на правовинтовой круговой спирали (рис.4).
Рис.4. Волна левой круговой поляризации
Условимся называть поляризацию правой (левой), если в фиксированной точке направление вращения вектора образует с направлением распространения волны правовинтовую (левовинтовую) систему.
Плоскость поляризации волны, которая поляризована по кругу, в каждой точке пространства равномерно вращается с течением времени.
Эллиптически поляризованной называют волну, у которой вектор вращается, описывая за время одного периода своим концом эллипс (рис.5).
Однородная плоская волна с эллиптической поляризацией получается в результате суперпозиции двух линейно поляризованных волн со взаимно перпендикулярными векторами во всех случаях, когда не выполняются рассмотренные выше условия возникновения линейной и круговой поляризаций.
Поле волны эллиптической поляризации также бывает правого или левого направления вращения. Для количественного описания такого поля вводят коэффициент эллиптичности 
, который равен отношению меньшей и большей полуосей эллипса
. (14)
Иногда определяют и угол 
между большей полуосью эллипса и осью x.
Для измерения поляризации электромагнитной волны применяют метод линейно поляризованной антенны. В качестве такой антенны может применяться полуволновый вибратор, открытый конец прямоугольного металлического волновода или пирамидальный рупор. Пусть при работе на излучение линейно поляризованная антенна создаёт поле 
. При работе на приём в поле произвольно поляризованного вектора 
на выходе антенны будет напряжение, пропорциональное скалярному произведению 
После пикового детектора с точностью до постоянного сомножителя получаем напряжение
, (15)
где 
— угол между векторами, 
— период колебания. Если поле линейно поляризовано, то 
будет максимально при 
и равно нулю при 
градусов. Если поле имеет круговую поляризацию, то будет неизменно при любом . При измерении в поле эллиптической поляризации получаем при изменении максимальное и минимальное значения напряжения, пропорциональные большей и меньшей полуосям эллипса поляризации соответственно. Заметим, что поворачивать линейно поляризованную антенну, меняя угол , надо так, чтобы её вектор лежал в плоскости фазового фронта исследуемого поля .
При автоматизации измерений линейно поляризованную антенну быстро вращают вокруг оси, направленной на источник исследуемого поля, меняя угол . На экране индикатора с синхронной с этим вращением круговой развёрткой в полярной системе отображается величина 
. По полученной на экране картине судят о поляризации поля.
Описание лабораторной установки.
Виртуальная лабораторная установка для исследования поляризации поля состоит из трёх частей, отображаемых в трёх закладках на экране: «Генератор поля» (Рис.6), «Измерение вручную» (рис.7) и «Измерение автоматическое» (рис.8).
В верхней части лицевой панели расположен заголовок «Поляризация электромагнитной волны» и кнопка останова STOP.
Рис.6. Лицевая панель ВИ «Поляризация поля». Страница «Генератор поля»
Работа с установкой начинается в закладке «Генератор поля». В её левой части имеется 4 движковых регулятора, которые задают амплитуды и начальные фазы двух ортогональных компонент поля. Справа на экране выводится эллипс поляризации волны, который в частных случаях превращается в отрезок прямой линии или круг.
Рис.7. Лицевая панель ВИ «Поляризация поля». Страница «Измеритель ручной»
Для измерения параметров эллипса служит инструмент «Измеритель параметров эллипса». Он представляет собой на экране вектор с изменяемыми модулем и угловым положением. Подводя конец вектора с помощью регуляторов модуля и угла к характерным точкам эллипса, определяем его параметры.
Рис.8. Лицевая панель ВИ «Поляризация поля». Страница «Измеритель автомат».
На закладке «Измерение вручную» реализован метод линейно поляризованной антенны. В левой части находится регулятор углового положения антенны относительно горизонта. При работе установки его можно поворачивать, ухватив курсором мыши за стрелку-указатель. Справа находятся стрелочный и цифровой индикаторы напряжения на выходе детектора. Регулятор усиления позволяет установить удобные для наблюдения пределы измеряемой величины.
На закладке «Измерение автоматическое» отображается в полярных координатах величина .
Непосредственно под экраном расположена группа кнопок, осуществляющих управление перемещением курсора по экрану. Там же под экраном в двух индикаторах отображаются текущие координаты курсора. Справа от экрана в двух цифровых индикаторах выводятся текущие полярные координаты курсора. Там же находится дополнительный регулятор «Усиление». С помощью этих средств управления можно измерять параметры отображаемой на экране кривой.
Порядок выполнения работы.
Исследования выполняются в соответствии с выбранным вариантом. Исходные величины взять в таблице 1.
Таблица 1. Исходные параметры для исследования поляризации электромагнитной волны
| Вариант 1 | Вариант 2 | Вариант 3 | Вариант 4 | Вариант 5 |
| 45 | 20 | 80 | 30 | 60 |
Запустить лабораторную установку, ознакомиться с органами управления.
Исследовать поле линейной поляризации:
открыть закладку «Генератор поля»;
сформировать поле линейной поляризации под углом к горизонту. Параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;
построить график полученной зависимости в полярных координатах. Определить по ней параметры поляризации;
перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.
Исследовать поле эллиптической поляризации:
открыть закладку «Генератор поля»;
сформировать поле эллиптической поляризации с вертикальным положением большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности 
; параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;
построить график полученной зависимости. Определить по ней параметры поляризации;
перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.
Исследовать поле круговой поляризации:
открыть закладку «Генератор поля»;
сформировать поле круговой поляризации. Параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;
построить график полученной зависимости. Определить по ней параметры поляризации;
перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.
Исследовать поле эллиптической поляризации с наклоненным эллипсом:
открыть закладку «Генератор поля»;
сформировать поле эллиптической поляризации с углом 
к горизонту большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности 
. Параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;
построить график полученной зависимости. Определить по ней параметры поляризации;
перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.
Объяснить полученные зависимости, опираясь на знание теории.
Оформить и защитить отчёт по работе.
Требования к отчёту.
Отчёт оформляется каждым студентом индивидуально. Он должен содержать краткое описание виртуального эксперимента, результаты измерений в виде таблиц и графиков, анализ результатов и выводы.
7. Контрольные вопросы.
1. Что такое поляризация электромагнитной волны?
2. Почему поляризация определяется только по вектору напряжённости электрического поля?
3. Какие бывают виды поляризации гармонической волны?
4. При каких условиях формируется поле линейной поляризации?
5. При каких условиях формируется поле круговой поляризации?
6. Чем отличаются поля правого и левого вращения?
7. Что такое коэффициент эллиптичности?
8. В чём суть измерения поляризации методом линейно поляризованной антенны?
9. Как можно сформировать поле линейной поляризации, наклонённое под 45 градусов к горизонту?
10. Какая фигура будет на индикаторе автоматического прибора измерения поляризации в линейно поляризованном поле?
11. Какая фигура будет на индикаторе автоматического прибора измерения поляризации в поле круговой поляризации?
1. Баскаков С.И. Основы электродинамики. — М.: Советское радио, 1973. -248с.
2. Семёнов Н.А. Техническая электродинамика. — М.: Связь, 1973. -480с.
3. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. — М.: Высшая школа, 1974. -536с.
4. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. — М.: Связь, 1978. -432с.
5. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. — М.: Радио и связь, 2000. -536с.
Источник