Aallon polarisaatio

Electromagnetic radiation (EM) is a transverse wave in which the disturbances of magnetic field propagate transversely to the direction of wave propagation, not in parallel, as in longitudinal waves (e.g. sound waves). The directions of oscillations of electric (E) and magnetic (B) field vectors are always perpendicular to each other and to the wave vector (direction of wave propagation).

Kuva 1. Elektromagneettinen aaltodiagrammi: x, y, z suunta tilassa, E - sähköinen vektorikomponentti, B = magneettinen vektorikomponentti

Considering all the concepts defining the electromagnetic phenomena and the fact that the electric and magnetic fields are inseparable (one field induces the other), only the electric component will be discussed further. The discussion of the magnetic component is similar based on its perpendicularity in relation to the electric component.

A systematic relationship between the direction of the electric field vector’s oscillation (E) in an electromagnetic wave and the direction of wave propagation is referred to as the polarisation.

Elektromagneettisten aaltojen lähteet sisältävät muutoksia, jotka liittyvät sähkölataukseen: elektroninen ekstitaatio, hiukkasten ja ionisoitujenatomien oskillaatiot, sekä sähkölatausten tilatut virtaukset johtimissa. Sähkökentän vektorin oskillaatiot elektromagneettisessa aallossa, jotka säteilevät lähteestä omaavat saman heilahteluvälin (yhden lähteen, esim eksitoidut natriumatomit natriumilla tyhjennetyllä lampuilla), kaikissa mahdollisissa suunnissa pystysuoraan aallton propagaation suuntaa (lähdekomponenttien eri tilasuuntaus, esim natriumatomien asema purkausputkessa). Se tarkoittaa, että ei-polarisoitu elektromagneettinen aalto on itse asiassa monen polarisoidun aallon suerpasemassa.

Kuva 2. Ei-polarisoidun elektromagneettisen aallon sähkökomponentti: isomeerinen kuva ja ortogonaalinen kuva suhteessa aallon propagaation suuntaan

Elektromagneettisen aallon tyyppi on ilmastu vektorin pään muodolla E pystysuoralla tasolla aallon propagaation suuntaan nähden. Pääpolarisaatiotyypit on määritelty kirjallisuudessa: lineaarinen, ympyrä- ja elliptinen.

Lineaarinen polarisaatio voidaan havaita, kun sähkökenttävektoreiden oskillaatiot etenevät yhdellä tasolla eivätkä ole ajasta riippuvaisia.
vertical polarisaatio V, johon viitataan E_V vektorina, voidaan havaita vaakasuorien sähkömagneettiaaltojen säteessä, kun sähkökentän oskilloivat kohtisuoraan maan pintaa.

Kuva 3. Pystysuoraan polarisoitu sähkömagneettinen aalto: (a) tason pystysuora kuva aallon etenemisen suuntaan, (b) isometrinen kuva

horizontal polarisaatio H, viitattuna E_H vektoriin, voidaan havaita, kun vektorin oskillaatiot ovat samansuuntaisia Maan pintaan.

Kuva 4. Vaakasuora polarisoitu elektromagneettinen aalto: (a) pystysuoran tason kuva aallon etenemissuuntaan, (b) isometrinen kuva

Sähkökenttävektorit on lisätty yhteen vektorin lisäsääntöjen mukaan. Jos elektromagneettisten aaltojen säde on sekä pystysuoraan että vaakasuoraan polarisoitu, on lineaarinen polarisaatio havaittu, kun aaltotaajuudeen ja aallon etenemissuunta ovat identtiset, ja aineosan värähtelyt ovat yhtäpitäviä vaiheessa tai siirretty vaiheittain ±180° mukaan. Tuloksena saadun elektromagneettisen aallon polarisaation kallistus muuttuu riippuen aineosien aaltojen heilahteluvälistä. Kallistuskulma suhteessa maan pintaan on 45° identtisten heilahteluvälistä ja sattuma-vaiheesta.

Kuva 5. Tuloksena saatu elektromagneettinen aalto (sininen) lineaarisella 45°kulman polarisaatiolla: (a) pystysuoran tason kuva aallon etenemissuuntaan, (b) isometrinen kuva

Pyöröpolarisaatio voidaan havaita, kun sähkökentän vektori, pystysuorasta tasosta elektromagneettisen aallon etuosaan katsottuna on jatkuva, ja sen suunta muuttuu ajan myötä jatkuvalla kulmanopeudella. Vektori E kuvaa täyden ympyrän yhdessä aallon jaksossa.

Ympyräpolarisaatio voidaan saavuttaa seuraavasti:

Vaiheen uppouma (+90° or -90°) määrittää oikeankätisen tai vasenkätisen elektromagneettisen aallon kiertopolarisaation. Optiikoissa elektromagneettinen aalto on oikeakätisesti polarisoitu, jos aalto propagoi valvojan suuntaan ja sähkökentän vektorin pää kääntyy myötäpäivään.

Kuva 6. Tuloksena saatu elektromagneettinen aalto (sininen) oikeakätisellä kiertopolarisaatiolla (optiikassa käytetyn määrityksen mukaisesti): (a) pystysuoran tason kuva aallon etenemissuuntaan, (b) isometrinen kuva

Vasenkätinen polarisoitu aalto etenee valvojan suuntaan ja E vektori kääntyy vastapäivään.

Kuva 7. Tuloksena saatu elektromagneettinen aalto (sininen) vasenkätisellä kiertopolarisaatio (optiikoiden määrityksen mukaan): (a) pystysuoran tason kuva aallon etenemissuuntaan, (b) isometrinen kuva

Radiokonetekniikkassa kuitenkin aalto on oikeakätisesti polarisoitu, jos aalto etenee vastakkaiseen suuntaan ja sähkökentän vektorin pää pyörii myötäpäivään.
Kuvausta radiokonetekniikassa käytetyn määrityksen mukaan tullaan käyttämään lisäkeskustelussa (kehitetty vuonna 1942 IRE, nykyään IEEE).
Oikeakätisen ja vasenkätisen kiertopolaroitujen elektromagneettisten aaltojen päällekkäisyys yhtyvien heilahdusvälien mukaan ja tuloksena saadun pystysuoraan polarisoidun elektromagneettisen aallon. Uppouma vaiheessa ±90° mukaan tuottaa vaakasuoraan polarisoidun sähkömagneettisen aallon.

Kuva 8. Vasenkätiset ja oikeakätiset kiertopolaroidut sähkömagneettiaallot. Tuloksena saatu pystysuoraan polarisoitu sähkömagneettinen aalto (sininen): (a) pystysuoran tason kuva aallon etenemissuuntaan, (b) isometrinen kuva

Elliptinen polarisaatio voidaan havaita, kun sähkökentän vektori, pystysuoralla tasolla katsottuna aallon etenemissuuntaan, muuttaa sen suuntaa (kulmanopeuden ei tarvitse olla jatkuva ajassa) ja heilahdusväli. Yhdessä jaksossa, E vektori kuvaa täyden kierroksen sähkömagneettisen aallon etenemissuunnan ympärille. Samoin, kuin kiertopolarisaatio, elliptinen polarisaatio voi olla yhdessä kahdesta mahdollisesta tilasta, oikeakätinen elliptinen polarisaatio, ja vasenkätinen kiertopolarisaatio.

Kuva 9. Tuloksena saatu sähkökentän vektorin projektio (sininen) on pystysuoralla tasolla sähkömagneettisen aallon etenemissuuntaan. Elliptinen polarisaatio: (a) oikeakätinen, (b)vasenkätinen

Koska kierto (ja lineaarinen) polarisaatio on ellpitisen polarisaation erikoistapaus, polarisaation saavutusmenetelmät ovat samanlaiset joillakin pienillä muutoksilla:

Keskustellaan pystysuoraan ja vaakasuoraan polaroitujen sähkömagneettisista aalloista yhtyvillä heilahteluväleillä, identtisillä taajuuksilla ja rinnakkaisilla etenemissuunnilla. Lineaarinen polarisaatio on yhtymisvaiheiden kanssa päällekkäin. Yhtyminen vaiheessa välillä 0° ja 90° tuottaa oikeankätisen elliptisen polarisoinnin, kunnes kiertopolarisaatio saavutetaan 90° vaiheen yhtymisellä. Lisäyhtyminen vaiheessa välillä 90° ja 180° tuottaa kiertopolarisaation, elliptisen polarisaation kautta lineaariseen polarisaatioon 180°. Vaikutus on identtinen 180° → 270° → 360° kuitenkin, polarisaatio muuttuu oikeakätisestä vasenkätiseksi. Vaiheen vaihdossa 360°:ssa polarisaatio palaa sen alkuperäiseen tilaan.

Kuva 10. Tuloksena saadun sähkökentän vektorin projectio (sininen) pystysuoralla tasolla sähkömagneettisen aallon etenemissuuntaan. Muutos polarisaatiossa vaiheen uppoamisen lisääntymisen vuoksi sähkömagneettisten aaltokomponenttien välillä. Kierto- ja elliptisen polarisaation suunta näkyy punaisella nuolella.

Muutokset polarisaatiossa ovat samanarvoiset oikeakätisen ja vasenkätisen kiertopolarisoidun sähkömagneettisen aallon päällekkäisyydessä.

Kaikki sähkömagneettiset aallot luonnollisista lähteistä (ja useimmat sähkömagneettiset aallot keinotekoisista lähteistä) ovat ei-polarisoituja. Useampi fyysinen ilmiö (siirto dielektrisen välineen läpi, heijastus dielektrisen tai johtavan, Rayleigh säteilyn läpi) voi antaa preferenssin nimenomaiseen sähkökentän vektorin heilahteluvälien suuntaan. Tuloksena sähkömagneettisten aaltojen polarisoitu säde voidaan tuottaa. Joissakin tapauksissa (moninkertainen siirto dielektrisen kautta, siirto sähkömagneettisen säteilyn kautta, joka erottaa materiaalin ortogonaalisesta polarisaatiosta, taittaa kahdesti materiaalit, heijastuksen metallipinnasta tai Brewster-kulmasta) voi johtaa täydelliseen sähkömagneettisen aallon polarisaatioon.

Näin, sähkömagneettisten aaltojen polarisaatio luonnonlähteistä on aina toissijainen luonnossa. Sähkömagneettisten aaltojen polarisaatio keinotekoisista lähteistä tulee käyttöön radiotaajuuskantamassa.
Lineaarista polarisaatiota käytetään maallisessa televisiossa ja radiosignaaleissa, sekä WiFi verkostoissa. Useimmat Euroopan maat, mukaan luettuna Tsekin tasavalta, Ranska, Espanja, Saksa, Puola ja UK käyttävät DVB-T signaalia, joka siirretään vaakasuoraan polarisaatioon.

Kuva 11. 17/21-60/TRIDIGIT suunnattu antenni (Yagi-Uda tyyppi) joka on asetettu vastaanottamaan maan televisiosignaalin, joka siirretään: (a) pystysuora, (b) vaakasuora polarisaatio

Sähkömagneettisten aaltojen eteneminen alemmissa ilmakehän kerroksissa (troposfeerinen eteneminen) voi johtaa polarisaatiotason kiertoon, eri pinnoista heijastetun signaalin vuoksi, esim katoilta. Signaali, joka on heijastettu tai siirretty ylemmän ilmakehäkerroksen kautta (ionospfäärin eteneminen) voi myös johtaa polarisaatiotason kiertoon (joka on vahvasti riippuva aaltopituudesta), polarisaation suunnan kääntäminen päinvastoin vasenkätisestä oikeakätiseksi (ja vice versa) ja/tai lineaarisesta elliptiseksi polarisaatioksi (Faraday vaikutus).

Vastaanottava antenni on sijoitettava samalle tasolle, kuin siirtoantenni (lineaarisesti polaroidut aallot) tai sillä on oltava sopiva suunta (kierto- ja elliptisesti polaroidut aallot) vaimennuksen ehkäisemiseksi polarisaatiossa (ei-mukautuva polarisaatio vastaanottavassa antennissa ja polarisaatio saapuvassa signaalissa).

Lineaarisesti polaroidun aallon vaimennus lisääntyy kulman kasvaessa polarisaatiotasojen välillä. Suurin vaimennus havaitaan signaalin siirrolle ortogonaalisessa polarisaatiossa (signaalin vahvuus pultoaa jopa 30 dB:llä). Antenneja käytetään kiertopolarisaatiolle usein tämän vaikutuksen minimoimiseksi. Oikeankäden kiertopolarisaatioaallon vastaanotto antennilla vasemmän käden kiertopolarisaatioaallon vastaanottamiseksi liitetään myös suureen vaimennukseen. Porttiantenneja käytetään usein yhden kierreantennin sijasta, vakaan signaalin ylläpitämiseksi, jota vaimennetaan 3 dB:llä, riippumatta vastaanottoaallon polarisaatiosta.

Useimmissa tapauksissa satelliittitelevision signaali on siirretty kiertopolaroiduilla sähkömagneettiaalloilla. Kiertopolarisaatiota käytetään lineaarisesti-ortogonaalisesti polarisoidun päällekkäistämiseksi siirrettyjen kanavien määrän kaksinkertaistamiseksi moduloimalla erillinen televisiokanava jokaiselle aaltokomponentille.

Edistyneet tutkatekniikat käyttävät elektromagneettisia aaltoja eri polarisaatiotiloissa, riippuen odotetuista tuloksista. Lineaarista polarisaatiota voidaan myös käyttää metallikohteiden havaitsemisksi (elliptisesti polaroitu aalto on heijastettu) tai meteorologisilla havainnoilla. Kiertopolarisaatiota voidaan käyttää vaimennuksen vähentämiseksi, jonka veden läsnäolo aiheuttaa (sumu, pilvet tai sade).

Sähkömagneettisten aaltojen polarisaatiota käytetään myös monilla tiedekentillä, mukaan lukien astronomian (esim., veden havaitsemiseksi Saturnuksen rengasssa tai mikroaaltojen taustasäteilyssä), biologiaa (esim. rakenteneen ja virusten koon tutkimus), kemia (esim. enantiomeerien havaitseminen), lääke ja ydinfysiikka (esim. ydinten tutkimiseksi), ja myös valo ja raskasteollisuus (polarimetria ja virheen tunnistus), viihde (3D projektiot) tai tuotteet päivittäiseen käyttöön (LCD-näytöt ja aurinkolasit).

Elektromagneettinen säteily matkustaa sekä aalloissa että hiukkasten virtauksissa (fotoneissa). Sähkömagneettisen polarisaatioaallon konsepti klassisessa sähködynamiikassa käytetyn määrityksen mukaan omaa sen oman vastaavan fotonin spin kvantin määrässä. Jokainen sähkömagneettisen säteilyn kvantti luonnehditaan sen energian (taajuuden), vaiheen ja spin (kierron) mukaan arvolla 1 tai -1, ja kiertoakseli on aina rinnakkainen aallon etenemissuunnan kanssa. Oikean käden ja vasemman käden kiertoa käytetään vaihtoehtoisesti.

Kuva 12. Fotonin kiertokvanttimäärä: (a) 1 - vastaa oikeankäden kiertopolarisaatiota, (b) -1 - vasemman käden kiertopolarisaatiota

Sähkömagneettisen aallon lineaarinen polarisaatio voidaan havaita, kun virtaus sisältää fotoneja sekä oikeassa että vasemmassa kiertotilassa samalla todennäköisyydellä. Oikean käden kiertopolarisaatio liittyy fotonien esiintyvyyteen oikeassa kiertotilassa; ja se on vastakkain vasemman käden kiertopolarisaatiota. Ei-polarisoitu sähkömagneettinen aalto vastaa fotonien sädettä, jotka eroavat 1 ja -1 kiertokvanttimäärän tilan päällekkäisyyteen.