Polarizacija valovanja

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje
Animacija prikazuje štiri različne polarizacije in pravokotni projekciji polarizacij.

Polarizácija valovánja je parameter valovanja, ki opisuje smer njegovega nihanja. Nekatera valovanja imajo vedno enako smer nihanja, se pravi je tudi polarizacija v isti smeri. Primer takega valovanja je zvočno valovanje v tekočini ali plinu. Drugače je pri elektromagnetnem valovanju. Tu električno in magnetno polje nihata pravokotno drugo na drugo, in hkrati pravokotno na smer širjenja valovanja. Načinov, na katere to počneta, je več. Nihanje lahko poteka v eni smeri (linearna polarizacija) ali pa se s širjenjem vala suče (krožna ali eliptična polarizacija). Smer polarizacije je po dogovoru smer nihanja električnega polja.

Običajni optični materiali (na primer steklo) so izotropni in polarizacijo ohranjajo. Obstajajo pa tudi optično aktivne ali dvolomne snovi pri katerih se polarizacija spreminja oziroma vpliva na širjenje žarka.

Opis polarizacije[uredi | uredi kodo]

Polarizacija ravnega vala[uredi | uredi kodo]

Vertikalno polariziran elektromagnetni val z valovno dolžino λ. Vektor električnega polja E (rdeča) niha v navpični smeri, vektor magnetnega polja B ali H pa je pravokoten nanj (modra). Oba vektorja sta pravokotna na smer širjenja vala z.

Polarizacijo najbolje razumemo z obravnavo enostavnih primerov.

Recimo, da imamo elektromagnetni val, ki se širi v smeri . To pomeni, da vektorja električnega, E, in magnetnega polja, H, ležita v ravnini , to je ravnini, ki je pravokotna na os. E in H lahko potem zapišemo kot:

in .

Tu so amplitude električnega in magnetnega polja v in smeri. Kot rečeno, v smeri ni polj. S označimo valovni vektor in z krožno frekvenco.

Tak ravni val je polariziran linearno, se pravi samo v eni smeri, ki leži v ravnini. Opišemo ga z amplitudama:

,

kjer je :

in skupna amplituda električnega polja, E:

.

Eliptična polarizacija in polarizacijska elipsa[uredi | uredi kodo]

Primer zgornjega razdelka je preprost, a nam žal ne nudi celostnega vpogleda v polarizacijo valovanj. Sedaj obravnavajmo primer, ki je bolj splošen. Recimo, da imamo ravni val, ki se širi v smeri, vektorja električnega, E, in magnetnega polja, H pa ležita v ravnini . E lahko potem v kompleksni obliki zapišemo kot:

Če zapišemo po posameznih komponentah, dobimo:

Do tu je zapis enak tistemu iz prejšnjega razdelka, dodali smo le faze . V nadaljnji izpeljavi upoštevamo samo realni del eksponentov in dobimo:

Slika prikazuje elipso, ki bi jo dobili, če bi z risanjem sledili vektorju električnega polja E.

Vidimo, da x in y komponenti obe nihata z isto frekvenco , a se razlikujeta v fazi. Uvedemo fazni zamik in z malo premetavanja enačb dobimo:

To je enačba elipse, zasukane za kot glede na os. Kot dobimo:

S pomočjo , lahko zapišemo polosi elipse:

Eliptičnost, , definiramo kot:

Končno lahko val zapišemo kot:

Če vzamemo poljuben monokromatski elektromagnetni val in rišemo vektor električnega polja, v splošnem dobimo elipso, se pravi, je val eliptično polariziran. Linearna in krožna polarizacija sta le mejna primera eliptične polarizacije.

Linearna in krožna polarizacija[uredi | uredi kodo]

Linerano polariziran val in njegova projekcija na ravnini spodaj.

Recimo najprej, da je v enačbi elipse ali . Enačba se preoblikuje na:

To ni več enačba elipse, temveč enačba premice z naklonom . Električno polje zapišemo:

Vektor električnega polja, E, v tem primeru niha v smeri, definirani z in .

Drug mejni primer je, ko sta in . Iz enačbe elipse potem dobimo:

To je enačba krožnice. Eliptična polarizacija pri teh pogojih zavzame mejno vrednost krožne polarizacije. Vektor električnega polja, E, zapišemo kot:

Zapis polarizacije z Jonesovimi vektorji[uredi | uredi kodo]

Vse informacije o polarizaciji elektromagnetnega vala, so vsebovane v njegovi amplitudi in fazi. Vemo, da lahko val, ki potuje v smeri zapišemo kot:

.

Jonesov vektor je potem:

.

Pove nam amplitudi in fazi v in smeri. Vsota kvadratov absolutnih vrednosti obeh komponent je proporcionalna svetlobni intenziteti. Običajno Jonesovo matriko še normaliziramo, da olajšamo računanje. Nekaj zgledov Jonesovih vektorjev je zbranih v naslednji tabeli:

Polarizacija Pripadajoči Jonesov vektor
Linearno polarizirana v x smeri
Linearno polarizirana v y smeri
Linearno polarizirana in nagnjena za kot 45° glede na x os
Linearno polarizirana in nagnjena za kot - 45° glede na x os
Desnosučno krožno polarizirana
Levosučno krožno polarizirana

Jonesovi vektorji močno olajšajo računanje s polarizacijami, saj lahko optične elemente predstavimo v obliki matrik. Nadležno računanje se potem reducira na preprosto množenje matrik.

Polarizacija naravne svetlobe[uredi | uredi kodo]

Naravna svetloba je nepolarizirana. Pri naravni svetlobi dobimo valovanje iz velikega števila naključnih atomskih sipalcev. Ti izsevajo valovni paket v času reda . Vsi izsevani paketi z enako frekvenco tvorijo polariziran val, ki pa traja le toliko, dokler se ne izseva nov paket. Izsevana svetloba je tako skupek vseh možnih valovnih paketov, ki so popolnoma nepredvidljivi. Če so spremembe pri izsevu tako hitre, da nobena polarizacija ne prevlada, pravimo, da je svetloba naravna. Lahko bi rekli, da je nepolarizirana, vendar je to rahlo napačen opis. Vsaka svetloba je polarizirana, bolj je pomembna hitrost spreminjanja polarizacije. Rečemo lahko, da je naravna svetloba delno polarizirana.

Literatura in viri[uredi | uredi kodo]