polarisering

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Polarisering af en stående bølge på en gummitråd. I forgrunden ledes enden af ​​tråden i en cirkel gennem boremaskinen. Dette skaber en cirkulær svingning. To parallelle metalstænger tillader gummi at bevæge sig frit vandret, men ikke lodret. Som et resultat svinger gummien kun bag stængerne i et plan. Dette svarer til lineær polarisering.

Polariseringen af en tværgående bølge beskriver retningen for dens svingning . Hvis denne retning ændres hurtigt og på en uordentlig måde, taler man om en upolariseret bølge. Polarisationsgraden angiver den ordnede andel. Med bølger, der svinger i udbredelsesretningen , de langsgående bølger , er der ingen polarisering i den egentlige forstand, eller man taler om langsgående polarisering.

Komponenter, der polariserer upolariseret lys eller deler eller undertrykker polariseret lys afhængigt af polarisationstype og retning, kaldes polarisatorer .

Cirkulær polarisering: afbøjning (f.eks. Af en kabelbølge) i x- og y -retninger (i udbredelsesretningen er det nul) som funktion af tiden og z -komponenten i stedet. Rød og blå komponenterne i nedbøjningen, sort 3D -visningen. Pilen illustrerer omkredsen afbøjningsvektoren for et punkt i rummet.

Typer af polarisering

lineær polarisering
Svingningens retning er konstant. Afbøjningen fra hvilepositionen (i tilfælde af den mekaniske bølge en forskydning vinkelret på udbredelsesretningen) ændrer periodisk dens størrelse og tegn . Retningen i forhold til et bestemt plan kan specificeres som en vinkel (almindelig med seismiske bølger ) eller som en andel af de to komponenter parallelt eller vinkelret . For elektromagnetiske bølger, se det følgende kapitel.
cirkulær polarisering
(kaldet roterende polarisering i det 19. århundrede) Afbøjningsmængden er konstant (bortset fra modulering ), dens retning ændres inden for planet vinkelret på bølgevektoren ( xy -planet på billedet) med konstant vinkelhastighed. For rotationsretning se helicitet . Men i litteraturen, især de ældre, defineres det ofte som højre-cirkulær polarisering som rotation med uret, når man ser mod udbredelsesretningen (svarende til en venstre skrue). [1] [2] Forkortelser: RHCP og LHCP for højre- eller venstrehåndspolarisering ( Right Hand Circular Polarization og Left Hand Circular Polarization ).
elliptisk polarisering
Er den blandede form af de to ovenfor, og hvor afbøjningen beskriver en ellipse.

Matematisk beskrivelse

Matematisk forstås de mulige polarisationer af bølger med samme bølgelængde og frekvens som elementer i et 2-dimensionelt vektorrum. Hvad der fysisk er en superposition af tilstande, svarer til en lineær kombination af vektorer på den matematiske side. Siden ved overlejring af amplitude ( ) og fase ( ) skal observeres, komplekse tal ( ): Polariseringstilstandene af lys danner derfor et vektorrum over kroppen med komplekse tal. Som grundlag (med hvilken man kan repræsentere hver vektor) bruges på den ene side ofte de to cirkulært polariserede tilstande (venstre eller højre drejning), på den anden side bruges også to lineært polariserede tilstande med indbyrdes vinkelrette oscillationsplaner. Hver base kan udtrykkes af den anden. En cirkulært polariseret tilstand er en superposition af to lineært polariserede tilstande med indbyrdes vinkelrette oscillationsplaner, men en lineært polariseret tilstand er også en superposition af de to cirkulært polariserede. Oscillationsplanets position bestemmes af faseforskellen mellem de cirkulært polariserede tilstande. Hvis basistilstande med forskellige amplituder eller cirkulært med en lineært polariseret tilstand overlejres, opnås elliptisk polariseret lys.

Fotoner er bosoner og kan have spin -komponenter +1 eller -1, hvilket svarer til de to muligheder for cirkulær polarisering (komponenten nul kan ikke forekomme, fordi fotonet bevæger sig med lysets hastighed, se helicitet ). Spinakserne peger afhængigt af heliciteten i forplantningsretningen eller imod den. Lineær polarisering opstår fra den lineære superposition af de to cirkulært polariserede tilstande med samme amplitude, fotonerne har derefter værdien nul for den forventede værdi af vinkelmomentet.

Ved beskrivelse af overlejringer skal amplitudeforholdet og fasepositionen altid angives.

  1. Hvis to cirkulært polariserede bølger, en med uret og en mod uret, overlejres, resulterer følgende polarisationer:
    • Med de samme intensiteter og variabel faseforskel er den resulterende polarisering lineær, og retningen afhænger af basispolariseringernes faseposition.
    • I ethvert andet tilfælde resulterer elliptisk polarisering.
  2. Hvis to lineært polariserede bølger, hvis polarisationsretninger er vinkelret på hinanden, overlejres, resulterer følgende polarisationer:
    • Med en forsvindende faseforskel (eller en faseforskel, der er et multiplum af svarer) og forskellig eller samme amplitude, den resulterende polarisering er lineær, og retningen afhænger af amplitudeforholdet.
    • Med en faseforskel på og de samme amplituder er outputpolarisationen cirkulær.
    • I ethvert andet tilfælde er den resulterende polarisering elliptisk.

Hvis den absolutte intensitet og polarisationsgraden også er af interesse, kræves der i alt fire oplysninger, som en firedimensionel reelt værdsat Stokes -vektor eller som en todimensionel kompleks - værdsat Jones -vektor . Hvis man kun er interesseret i polariseringen og ikke i den absolutte intensitet, bruges Poincaré -sfæren ofte til at repræsentere polarisationstilstandene.

Som et alternativ kan kvasi-monokromatisk lys også beskrives ved kohærensmatricen. Beskrivelsen af ​​effekten af ​​et polarisationsskiftende optisk element udføres derefter ved multiplikation med en tilsvarende Müller-matrix eller en Jones-matrix .

Polarisering af elektromagnetiske bølger

Upolariseret og polariseret lys i naturen

polarisationsfilter

Formen for elektromagnetisk stråling, der hovedsageligt observeres på jorden og i universet, er termisk stråling og dermed i første omgang upolariseret, det vil sige, at de enkelte bølges egenskaber er statistisk fordelt; Det er derfor et spørgsmål om overlejring af et stort antal individuelle bølger med de mest varierede positioner af svingningsplanet og den relative fase. Delvist polariseret lys dannes heraf gennem refleksion og / eller spredning, hvor en del af de enkelte bølger har de samme egenskaber med hensyn til deres polarisering og fremstår som et polarisationsmønster .

Skrå refleksion ved grænseflader, f.eks. B. på en vandoverflade, adskiller delvist lyset i henhold til dets polarisationsretning. Den polariserede del i refleksionsplanet penetrerer snarere, den del vinkelret på den er mere tilbøjelig til at blive reflekteret. For den kvantitative afhængighed af indfaldsvinklen, se Fresnels formler .

Himmelens blå lys er sollys spredt af molekyler og statistiske udsving i densitet i luften. Luften polariseres elektrisk af hændelsesbølgen i tilfældige retninger vinkelret på indfaldsretningen. Spredt lys i retning af dette oscillationsplan (spredningsvinkel 90 °) svinger i dette plan, så det er fuldstændigt polariseret. For afhængighed af spredningsvinklen, se Rayleigh -spredning . Lyset fra himlen er imidlertid ikke helt polariseret på grund af flere spredninger og spredning på partikler.

Opfattelse af polariseret lys

Mange insekter kan skelne lineært polariseret lys i henhold til dets polariseringsretning og bruge denne effekt til at orientere sig. Dette blev undersøgt af Karl von Frisch i tilfælde af honningbier .

Knælerreje , [3] det vand bug almindelig rygsvømmer , store mus ører (Myotis Myotis) [4] og desert myrer [5] [6] er også i stand til at gøre dette, som er mennesker, omend med meget lidt kontrast ( Haidinger tot fænomen).

Betegnelser for undergrupperne af polarisationstyperne

Betegnelse af retningen for lineær polarisering af elektromagnetiske bølger i processer med ændring i lysstrålens retning (her refleksion på et spejl): Parallel polarisering betyder, at den elektriske komponent svinger i forekomstplanet.

Elektromagnetisk stråling ( lys , radiobølger osv.) Er en tværgående bølge med rette vinkler mellem bølgevektoren peger i udbredelsesretningen og vektorerne for de elektriske og magnetiske felter, eller. . Det er vilkårligt, om polariseringsretningen er svingningsretningen for det elektriske eller magnetiske felt. Dog bety og forskellige vibrationsretninger for akslen. Disse er vinkelret på hinanden. Fra det tidspunkt, hvor lys stadig blev forklaret som en mekanisk svingning af den hypotetiske ether, stammer der en definition af betegnelserne for de to polarisationsretninger, som senere viste sig at være magnetfeltvektorens svingningsretning. [7] Da de fleste interaktioner mellem elektromagnetisk stråling og stof er af elektrisk karakter, er polariseringsretningen for det meste relateret til den elektriske feltvektor i dag.

Hvis bølgen brydes, reflekteres eller spredes, er referenceplanet for udtrykkene parallelt og vinkelret det plan, hvori de indgående og udgående bølger ligger. I tilfælde af radiobølger repræsenterer jordens overflade "referenceplanet", og komponenterne kaldes normalt vandret og lodret .

Ud over parallelle og vinkelrette polariserede bølger bruges andre udtryk til at beskrive refleksionen. Man taler om TM-polariseret lys, når magnetfeltets retning er vinkelret på planet (" forekomstplan "), der spænder over forfaldsvektoren og overfladens normaler (TM = på tværs magnetisk; man taler også her om parallel , p eller π polariseret lys Lys , da det elektriske felt vinkelret på magnetfeltet i isotrope materialer ligger i forekomstplanet) og TE-polariseret lys, når det elektriske felt er vinkelret på forekomstplanet (TE = transversal elektrisk; man taler også af vinkelret , s- eller σ-polariseret lys ). [8] I retning af Brewster-vinklen brydes TM-polariseret lys mere intenst ind i mediet i stedet for at blive reflekteret, det vil sige, selv for upolariseret indfaldende lys, lyset, der dukker op i Brewsters vinkel, er altid TE-polariseret. Begge udtryk er kun defineret i forbindelse med den reflekterende overflade.

Ved cirkulært eller elliptisk polariseret lys skelnes med hensyn til E- eller H -vektors rotationsretning i forhold til formeringsretningen. Man taler her om venstre eller højre roterende polariseret lys (for navngivningskonventionerne se ovenfor).

Illustration af -, - og -Polarisering baseret på en atomovergang, som brugt i laserspektroskopi

Ved laserspektroskopi bruges cirkulær polarisering i stedet for højre og venstre ind ("Sigma-Plus") og ("Sigma-Minus"), som forårsager en ændring i det magnetiske kvantetal under atomovergange mellem energiniveauer forårsaget af +1 eller −1. Lineært polariseret lys ( ved atomovergang) kaldes -polariseret lys. Fordelen ved disse oplysninger er uafhængigheden af ​​koordinatsystemet ( højre og venstre ); i stedet refererer specifikationen til atomets valgte kvantiseringsakse.

Se også

Individuelle beviser

  1. ^ Wilhelm H. Westphal : Fysik - En lærebog . 25. udgave. Springer, 1970, s.   525 .
  2. Også i foredraget af Rudolf Gross ved Münchens Tekniske Universitet, pdf , Teknisk Universitet i München, tilgået 2017. Der beskrives denne konvention som uheldig, og det påpeges, at i nyere litteratur bruges undertiden den omvendte definition (iflg. den sædvanlige konvention for helicitet).
  3. www.fangschreckenkrebse.de .
  4. Stefan Greif, Ivailo Borissov, Yossi Yovel og Richard A. Holland: En funktionel rolle for himmelens polarisationsmønster for orientering i det større musearede flagermus. I: Naturkommunikation. Bind 5, artikelnr. 4488, 2014, doi: 10.1038 / ncomms5488 .
  5. Karl Fent: Polariseret skylight orientering i ørkenen ant cataglyphis. I: Journal of Comparative Physiology A. bind 158, nr. 2, 1986, s. 145-150, doi: 10.1007 / BF01338557 .
  6. ^ Rüdiger Wehner : Polarisationsvision - en ensartet sansekapacitet? I: Journal of Experimental Biology. Bind 204, 2001, s. 2589-2596, PMID 11511675 .
  7. ^ Eduard Von Hartmann: Moderne fysiks verdensbillede. Hermann Haacke Verlagsbuchhandlung, Leipzig, 1902 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning).
  8. ^ Polarisationsdefinitioner, Ibsen Photonics

Weblinks

Commons : polarisering - samling af billeder