Поляризация электромагнитных волн
 Скачать 82.86 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВО «БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Общая физика» Дисциплина «Физические основы защиты информации» РЕФЕРАТ Тема: Поляризация электромагнитных волн. Всего 13 листов Выполнил студент группы О-19-ИБ-2-ОЗИ-Б Маслов А.В. Руководитель Краюшкина Е. Ю. Брянск 2020 ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Поляризация электромагнитных волн (ПЭВ) — одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в искажении различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). ПЭВ — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь: Эллипс поляризации; 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 не быть поляризованным, может быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В таком случае понятие поляризации понимается статистически. При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. В этом случае можно рассматривать вертикальную и горизонтальную линейные поляризациии волны. Для понимания явления поляризации света имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что когда два световых луча, линейно поляризованных под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). Поляризация света нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73). Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля интерференции Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. При этом Е и Н почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризация света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е. ЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Линейная поляризация или плоскостная поляризация электромагнитного излучения — разновидность поляризации волн, при которой вектор электрического или магнитного поля ограничен строго одним направлением и строго одной плоскостью. В случае линейной поляризации её эллипс вырождается в отрезок прямой линии, определяющий положение плоскости поляризации. Вектором электрического поля определяется ориентация линейно поляризованной электромагнитной волны (т.е. если вектор электрического поля будет вертикальным, то и излучение будет вертикально поляризованным). ЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Эллиптическая поляризация света - одно из проявлений поперечной по отношению к направлению распространения электромагнитных волн анизотропии, вследствие "поперечности" колебаний векторов напряжённости электрического E и магнитного H полей волны, при которой отсутствует осевая симметрия волны по отношению к направлению её распространения. В результате поперечной анизотропии электромагнитной волны в пространстве появляются выделенные направления колебаний векторов E и H в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Из-за взаимной ортогональности векторов E и H для полного описания состояния колебаний в электромагнитной волне достаточно задание характера колебаний только одного из векторов этих полей, в качестве которой выбирают обычно вектор напряжённости электрического поля E. КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Круговая поляризация — состояние распространяющейся электромагнитной волны (например, световой), при котором концы её электрического и магнитного векторов Е и Н в каждой точке пространства, где проходит волна, описывают окружности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В России и США используются спутниковы станции, оснащённые вращающимися антенами с круговой поляризацией. В Европе — навигационные телевизионные станции оснащены прямолинеёной поляпизацией. Исторически так сложилось, что раньше СССР использовал для ТВ вещания спутники серии «Молния», находящиеся на высокоэлептических орбитах. Для приема сигнала и слежения за спутниками использовались станции, оснащенные весьма большими антеннами и дорогим высокочувствительным оборудованием Орбита 1-3 (такая станция долго стояла в Хабаровске). Это было связано с тем, что спутники постоянно двигались, и в случае использования круговой поляризации не требовалось корректировать поляризацию в зависимости от положения спутника. В случае применения линейной поляризации, то ее пришлось бы постоянно вращать. Например, в США за стандарт аналогично принята круговая поляризация (например, Интелсаты везде применяют круговую поляризацию). Использование линейной поляризации в европеёских странах вызвано тем, что всё спутниковое вещание в Европе началось в конце 80-х годов. Для него были использованы спутники, находящиеся на стабильных геостационарных орбитах и для вещания в Ku-band в Европе была принята линейная поляризация. Не исключено, что в ближайшее время при вещании на Россию в C-band не будет линейной поляризации, т.к. в России для спутникового вещания в качестве стандарта принята круговая поляризация. 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. 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. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом позволили найти его широкое применение в научных исследованиях, в определении структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (см., например, поляризационная микроскопия), состояний элементарных излучателей и их отдельных центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о сильно удаленных (в частности, астрофизических) объектах. Вообще, поляризация света как существенно анизотропное свойство излучения, позволяет изучать все виды анизотропии вещества — поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, световых), в структуре — в подавляющем большинстве — оптически анизотропных материалов, в технике (например, в машиностроении) — упругие напряжения в конструкциях (например, поляризационно-оптический метод исследования напряжений) и т.д. Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или к настройке генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и др. С другой стороны, исследование деполяризации света при фотолюминесценции дает сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в других случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. (См. также Флюоресцентный наноскоп). Поляризация света широко используется в технике, например при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (см. Малюса закон), для усиления контраста и устранения световых бликов в фотографии, при создании светофильтров (например, поляризационных), модуляторов излучения (см. Модуляция света), служащих одними из основных элементов систем оптической локации и оптической связи для изучения протекания реакций, строения молекул, определения концентраций растворов (см. Поляриметрия, Сахариметрия) и др. Поляризация светового излучения играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать поляризацию света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определенных условиях к Поляризация света становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера). ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Скорость распространения волны может зависеть от её поляризации. Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют. Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу. Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации, передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним. Направление вращения круговой поляризации космической приемопередающей антенны должно совпадать с направлением вращения наземной приёмопередающей антенны, работающей с космической. То же самое с антеннами линейной поляризации. В космической связи используется поляризационная развязка, то есть на одной частоте работают антенны противоположных направлений вращения поляризации или ортогональные с линейной поляризацией. Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации, для этого нужен поляризатор. Антенну с поляризацией правого направления вращения легко переделать в левого направления вращения. Для этого нужно повернуть на 90 градусов относительно оси вращения её поляризатор. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения. Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы. Поляризация волн находит применение в поляризационной голографии. ПАРАМЕТРЫ СТОКСА В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. В оптике правым считается вращение электрического вектора ЭМ волны E по часовой стрелке, если смотреть против направления луча, и левым — против часовой стрелки, в радиофизике — наоборот. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, амплитудами ортогональных колебаний — полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации  ,  и разностью фаз  , либо полуосями эллипса  ,  и углом  (азимутом эллипса) между осью  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 — угол эллиптичности  , 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  .Состояние поляризации Поляризацию лучше всего понять, если сначала рассмотреть только чистые состояния поляризации и только когерентную синусоидальную волну на некоторой оптической частоте. Вектор на соседней диаграмме может описывать колебания электрического поля, излучаемого одномодовым лазером (частота колебаний которого обычно в 10 15 раз выше). Поле колеблется в плоскости xy вдоль страницы, при этом волна распространяется в направлении z, перпендикулярном странице. На первых двух диаграммах ниже показан вектор электрического поля в течение полного цикла для линейной поляризации при двух различных ориентациях; каждое из них считается отдельным состоянием поляризации (СОП). Обратите внимание, что линейная поляризация под углом 45 ° также может рассматриваться как добавление горизонтально линейно поляризованной волны (как на крайнем левом рисунке) и вертикально поляризованной волны той же амплитуды в той же фазе. Анимация, показывающая четыре различных состояния поляризации и две ортогональные проекции. Волна с круговой поляризацией как сумма двух линейно поляризованных составляющих, сдвинутых по фазе на 90 ° Теперь, если бы кто-то должен был ввести фазовый сдвиг между этими горизонтальными и вертикальными компонентами поляризации, то, как правило, получил бы эллиптическую поляризацию, как показано на третьем рисунке. Когда фазовый сдвиг составляет точно ± 90 °, возникает круговая поляризация. Таким образом, на практике создается круговая поляризация, начиная с линейно поляризованного света и используя четвертьволновую пластину для введения такого фазового сдвига. Результат двух таких сдвинутых по фазе компонентов, вызывающих вращающийся вектор электрического поля, показан на анимации справа. Обратите внимание, что круговая или эллиптическая поляризация может включать вращение поля по или против часовой стрелки. Они соответствуют различным состояниям поляризации, таким как две круговые поляризации, показанные выше. Конечно, ориентация осей x и y, используемых в этом описании, произвольна. Выбор такой системы координат и рассмотрение эллипса поляризации с точки зрения компонент поляризации x и y соответствует определению вектора Джонса с точки зрения этих базисных поляризаций. Обычно оси выбираются для решения конкретной задачи, например, x находится в плоскости падения. Поскольку существуют отдельные коэффициенты отражения для линейных поляризаций в плоскости падения и ортогональных к плоскости падения, такой выбор значительно упрощает расчет отражения волны от поверхности. Более того, в качестве базисных функций можно использовать любую пару состояний ортогональной поляризации, а не только линейные поляризации. Например, выбор правой и левой круговых поляризаций в качестве базовых функций упрощает решение проблем, связанных с круговым двулучепреломлением (оптической активностью) или круговым дихроизмом. Методы измерения с использованием поляризации Некоторые методы оптических измерений основаны на поляризации. Во многих других оптических методах поляризация имеет решающее значение или, по крайней мере, ее необходимо учитывать и контролировать; таких примеров слишком много, чтобы их приводить. Измерение стресса. В технике явление двойного лучепреломления, вызванного напряжением, позволяет легко наблюдать напряжения в прозрачных материалах. Как отмечалось выше цветность двулучепреломления обычно создает цветные узоры при просмотре между двумя поляризаторами. При приложении внешних сил наблюдается внутреннее напряжение, создаваемое в материале. Кроме того, часто наблюдается двойное лучепреломление из-за напряжений, «замороженных» во время изготовления. Это обычно наблюдается в целлофановой ленте, двойное лучепреломление которой обусловлено растяжением материала в процессе производства. Эллипсометрия. Эллипсометрия - это мощный метод измерения оптических свойств однородной поверхности. Он включает в себя измерение состояния поляризации света после зеркального отражения от такой поверхности. Обычно это делается в зависимости от угла падения или длины волны (или того и другого). Поскольку эллипсометрия основана на отражении, не требуется, чтобы образец был прозрачным для света или была доступна его обратная сторона. Эллипсометрию можно использовать для моделирования (комплексного) показателя преломления поверхности объемного материала. Это также очень полезно при определении параметров одного или нескольких тонкопленочных слоев, нанесенных на подложку. Из-за их отражательных свойств не только предсказанная величина компонент p- и s- поляризации, но и их относительный фазовый сдвиг при отражении по сравнению с измерениями с помощью эллипсометра. Обычный эллипсометр измеряет не фактический коэффициент отражения (который требует тщательной фотометрической калибровки освещающего луча), а соотношение p- и s- отражений, а также изменение эллиптичности поляризации (отсюда и название), вызванное отражением от поверхности учился. Помимо использования в науке и исследованиях, эллипсометры используются на месте, например, для управления производственными процессами. Геология. Свойство (линейного) двулучепреломления широко распространено в кристаллических минералах и действительно сыграло решающую роль в первоначальном открытии поляризации. В минералогии это свойство часто используется с использованием поляризационных микроскопов для идентификации минералов. См. Оптическую минералогию для более подробной информации. Звуковые волны в твердых материалах обладают поляризацией. Дифференциальное распространение трех поляризаций через Землю имеет решающее значение в области сейсмологии . Сейсмические волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией (поперечные волны) называются SH и SV, а волны с продольной поляризацией (волны сжатия) называются P-волнами. Химия Мы видели (выше), что двойное лучепреломление типа кристалла полезно для его идентификации, и, таким образом, обнаружение линейного двойного лучепреломления особенно полезно в геологии и минералогии. У линейно поляризованного света обычно изменяется состояние поляризации при прохождении через такой кристалл, благодаря чему он выделяется, если смотреть между двумя скрещенными поляризаторами, как видно на фотографии выше. Точно так же в химии вращение осей поляризации в жидком растворе может быть полезным измерением. В жидкости линейное двойное лучепреломление невозможно, однако может быть круговое двойное лучепреломление, когда хиральная молекула находится в растворе. Когда правые и левые энантиомеры такой молекулы присутствуют в равных количествах (так называемая рацемическая смесь), то их эффекты компенсируются. Однако, когда имеется только один (или преобладание одного), как это чаще бывает в случае органических молекул, наблюдается чистое круговое двойное лучепреломление (или оптическая активность), выявляя величину этого дисбаланса (или концентрацию молекулы сам, когда можно предположить, что присутствует только один энантиомер). Это измеряется с помощью поляриметра, в котором поляризованный свет проходит через трубку с жидкостью, на конце которой находится другой поляризатор, который вращается, чтобы обнулить прохождение света через него. Астрономия. Во многих областях астрономии большое значение имеет изучение поляризованного электромагнитного излучения из космоса. Несмотря на то, как правило, не является фактором в тепловом излучении от звезд, поляризация также присутствует в излучении когерентных астрономических источников (например, гидроксильные или метанол мазеры) и некогерентных источники, такие как крупные радио доля в активных галактиках и пульсарное радиоизлучение, а также накладывается на звездный свет из-за рассеяния на межзвездной пыли. Помимо предоставления информации об источниках излучения и рассеяния, поляризация также исследует межзвездное магнитное поле через фарадеевское вращение. Поляризация космического микроволнового фона используется для изучения физики очень ранней Вселенной. Синхротронное излучение по своей природе поляризовано. Было высказано предположение, что астрономические источники вызвали хиральность биологических молекул на Земле. |