Круговая поляризация света¶
Круговая поляризация — один из типов поляризации электромагнитной волны, при котором вектор электрического поля в каждой точке пространства вращается с постоянной угловой скоростью, описывая окружность в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В отличие от линейной поляризации, где вектор напряжённости колеблется вдоль одной прямой, и эллиптической, где траектория является эллипсом, круговая поляризация представляет собой частный случай эллиптической, при котором полуоси эллипса равны.
¶Физическая природа явления
Электромагнитная волна представляет собой поперечную волну: векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения и друг другу. Если волна является суперпозицией двух взаимно перпендикулярных линейно-поляризованных волн с одинаковой частотой, но с разностью фаз, равной ±π/2 (90°), и с равными амплитудами, то результирующий вектор электрического поля будет описывать окружность.
Различают правую (правовинтовую) и левую (левовинтовую) круговую поляризацию. Правая круговая поляризация соответствует вращению вектора по часовой стрелке при наблюдении вдоль направления распространения волны (от источника), левая — против часовой стрелки. В российской и советской литературе также используется терминология «правое» и «левое» вращение, а в западной — «правая круговая» (RCP) и «левая круговая» (LCP) поляризация.
¶Математическое описание
Для волны, распространяющейся вдоль оси z, компоненты вектора электрического поля при круговой поляризации записываются в виде:
E_x = E_0 cos(ωt − kz) E_y = ±E_0 sin(ωt − kz)
где E_0 — амплитуда, ω — угловая частота, k — волновое число, а знак «±» определяет направление вращения. При сложении этих двух компонент получается:
|E| = √(E_x² + E_y²) = E_0 = const
То есть модуль вектора напряжённости остаётся постоянным, а направление вектора непрерывно меняется. Фазовая разность между ортогональными компонентами равна ровно 90°, а их амплитуды идентичны — это и есть условия круговой поляризации.
¶Методы получения
¶Отражение и преломление
Круговая поляризация возникает при отражении линейно-поляризованного света от поверхности под определённым углом — так называемым углом Брюстера. При этом угле отражённая волна полностью поляризована, однако направление поляризации отражённого и преломлённого лучей взаимно перпендикулярно. Если наложить на путь отражённого луча пластину, поворачивающую плоскость поляризации на 90°, можно получить круговую поляризацию.
¶Пластины, поворачивающие фазу
Наиболее распространённый способ получения круговой поляризации — использование фазовых пластин (пластин Коста, кварцевых пластин, пластин из магния-фторида и других бирефрингентных материалов), толщина которых подобрана так, чтобы разность оптических путей для двух ортогональных компонент составляла четверть длины волны (λ/4). Такие пластины называются четвертьволновыми. Если на вход подаётся линейно-поляризованный свет с направлением поляризации под углом 45° к оптическим осям пластины, на выходе получается круговая поляризация.
¶Поляризационные призмы
Круговую поляризацию можно получить с помощью поляризационных призм, например призмы Глана — Томсона или призмы Николя, скомбинированных с четвертьволновой пластиной. Существуют также специальные элементы — «круговые поляризаторы», совмещающие в себе поляризатор и четвертьволновую пластину.
¶Естественные источники
Круговая поляризация встречается в естественных условиях. Свет, отражённый от поверхности планеты (например, от лунной поверхности или от атмосферы), при определённых геометрических условиях приобретает эллиптическую или круговую поляризацию. Некоторые минералы и кристаллы (например, турмалин) обладают свойством циркулярного дихроизма — различного поглощения левой и правой круговой поляризации.
¶Применение
¶Оптика и фотоника
Круговая поляризация применяется в поляризационной оптике, лазерной технике, оптических волокнах. В оптической связи круговая поляризация используется для передачи сигнала, так как она устойчива к случайным поворотам плоскости поляризации в волокне.
¶Астрономия
В астрономии круговая поляризация применяется для исследования магнитных полей звёзд и галактик (эффект Фарадея — поворот плоскости поляризации в магнитном поле). Измерение степени круговой поляризации позволяет определить направление и величину магнитного поля вдоль луча зрения.
¶Биология и медицина
Круговая поляризация используется в биологических исследованиях для изучения хиральности молекул. Молекулы с хиральностью (например, ДНК, белки) по-разному взаимодействуют с левой и правой круговой поляризацией. Метод кругового дихроизма (КД) широко применяется для определения вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот.
¶Радиолокация
В радиолокации круговая поляризация применяется для уменьшения влияния атмосферных помех (дождя, снега), так как круговая поляризация меньше рассеивается на частицах осадков, чем линейная.
¶Связь с другими типами поляризации
Любая поляризация электромагнитной волны может быть представлена как суперпозиция правой и левой круговой поляризации. Это свойство используется в математическом аппарате описания поляризации и позволяет рассматривать круговую поляризацию как базис для анализа произвольных состояний поляризации.
¶История
Явление круговой поляризации было открыто в 1830-х годах французским физиком Жаном-Батистом Био, а затем детально изучено Огюстеном Френелем и Дэвидом Брюстером. Термин «круговая поляризация» был введён в научный оборот в середине XIX века. В России исследования поляризации света проводились В. К. Риттером, а позднее — А. Г. Столетовым и его школой.
¶Источники
- Физическая энциклопедия. — М.: Большая российская энциклопедия.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука.
- Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука.
- Сергеев А. А. Физика. — М.: Просвещение.
- Гурьев С. М. Оптика. — М.: Высшая школа.