Bølge polarisering

Elektromagnetisk stråling (EM) er en tværgående bølge, hvor magnetfelets forstyrrelser spredes tværgående i retning af bølgeudbredelse, ikke parallelt, som i langsgående bølger (fx lydbølger). Retningslinjerne for oscillationer af elektriske ( E ) og magnetiske ( B ) feltvektorer er altid vinkelret på hinanden og til bølgevektoren (retning af bølgeudbredelse).

Fig. 1. Elektromagnetisk bølgediagram: x, y, z retninger i rummet, E - elektrisk vektor komponent, B = magnetisk vektor komponent

I betragtning af alle de begreber, der definerer de elektromagnetiske fænomener og det faktum, at de elektriske og magnetiske felter er uadskillelige (et felt inducerer det andet), vil kun den elektriske komponent blive diskuteret yderligere. Diskussionen af den magnetiske komponent er ens baseret på dens vinkelrethed i forhold til den elektriske komponent.

Et systematisk forhold mellem retningen af den elektriske feltvektors oscillation (E) i en elektromagnetisk bølge og retningen af bølgeudbredelse betegnes som polarisering.

Kilderne til elektromagnetiske bølger indbefatter ændringer forbundet med den elektriske ladning: elektron-excitations-, partikel- og ioniserede atomeroscillationer, såvel som en ordnet strøm af elektriske ladninger i lederne. Oscillationerne af den elektriske feltvektor i den elektromagnetiske bølge udstrålet af kilden har den samme amplitude (enkeltkilde, f.eks. Exciterede natriumatomer i natriumudladningslamper), i alle mulige retninger vinkelret på bølgeudbredelsens retning (forskellig rumlig orientering af Kildekomponenter, fx position af natriumatomer i udløbsrøret). Det betyder, at en ikke-polariseret elektromagnetisk bølge faktisk er en tilfældig overlejring af mange polariserede bølger.

Figur 2. Den elektriske komponent af den ikke-polariserede elektromagnetiske bølge: isometrisk visning og ortogonalt billede i forhold til retningen af bølgeformidling.

Den type elektromagnetiske bølgepolarisation er angivet ved formen af vektorenden E på et plan vinkelret på bølgeudbredelsens retning. Tre hovedtyper af polarisering er defineret i litteraturen: lineær, cirkulær og elliptisk.

Den lineære polarisation kan observeres, når oscillationerne af den elektriske feltvektor udbreder sig i et enkelt plan og ikke er tidsafhængige.
Den vertical polarisation V, der omtales som E_V vektor, kan observeres i en stråle af vandrette elektromagnetiske bølger Når forstyrrelserne i det elektriske felt svinger i retningen vinkelret på jordens overflade.

Fig. 3. Lodret polariseret elektromagnetisk bølge: (a) billede af planet vinkelret på bølgeudbredelsens retning, (b) isometrisk visning.

Polariseringen H, der kaldes horizontal, kaldet E_H, kan observeres, når vektorens oscillationer er parallelle med Jordens overflade.

Fig. 4. Vandret polariseret elektromagnetisk bølge: (a) billede af planet vinkelret på bølgeudbredelsens retning, (b) isometrisk visning

De elektriske feltvektorer tilføjes sammen som pr. vektoradditionsreglerne. Hvis strålen med elektromagnetiske bølger er både vertikalt og vandret polariseret, observeres den lineære polarisation, når bølgefrekvenserne og retningen af bølgeforplantning er identiske, og de vibrasjoner, der udgør hinanden, er sammenfaldende i fase eller forskydes i fase med ± 180 °. Hældningsvinklen for den resulterende elektromagnetiske bølgepolarisation ændres afhængigt af amplituderne af de bestående bølger. Hældningsvinklen i forhold til jordens overflade er 45 ° for identiske amplituder og sammenfaldende faser.

Fig. 5. Den resulterende elektromagnetiske bølge (blå) med lineær polarisation i en vinkel på 45 °: (a) billede af planet vinkelret på bølgeudbredelsens retning, (b) isometrisk visning

Den cirkulære polarisation kan observeres, når den elektriske feltvektor, set fra planet vinkelret på den elektromagnetiske bølgefront, er konstant, og dens retning ændrer sig i tid ved konstant vinkelhastighed. Vektoren E beskriver en fuld cirkel i en enkelt bølgeperiode.

Cirkulær polarisering kan opnås ved:

Faseforskydningen (+ 90 ° eller -90 °) bestemmer den højre eller venstre cirkulære polarisering af den elektromagnetiske bølge. I optik er den elektromagnetiske bølge polariseret med højre hånd, hvis bølgen fortegner i observatørens retning, og slutningen af den elektriske feltvektor drejer med uret.

Fig. 6. Den resulterende elektromagnetiske bølge (blå) med højre cirkulær polarisation (som pr. Definition anvendt i optik): (a) billede af planet vinkelret på bølgeudbredelsens retning, (b) isometrisk visning

Venstre polariseret bølge forplantes i observatørens retning, og E vektoren roterer modsat urets retning.

Fig. 7. Den resulterende elektromagnetiske bølge (blå) med venstre cirkulær polarisation (ifølge definitionen anvendt i optik): (a) billede af planet vinkelret på bølgeudbredelsens retning, (b) isometrisk visning

I radioteknologi er bølgen imidlertid polariseret med højre hånd, hvis bølgen fortegner i modsat retning, og slutningen af den elektriske feltvektor drejer med uret.
En beskrivelse som defineret i radioteknologi vil blive anvendt i den videre diskussion (udviklet i 1942 af IRE, i øjeblikket IEEE).
En overlejring af højre og venstre cirkulært polariserede elektromagnetiske bølger med sammenfaldende amplituder og faser producerer en resulterende vertikalt polariseret elektromagnetisk bølge. En forskydning i fase med ± 90 ° vil frembringe en vandret polariseret elektromagnetisk bølge.

Fig. 8. Overlejringen af venstre og højre cirkulært polariserede elektromagnetiske bølger. Den resulterende lodret polariserede elektromagnetiske bølge (blå): (a) billede af planet vinkelret på bølgeudbredelsens retning, (b) isometrisk visning

Den elliptiske polarisation kan observeres, når den elektriske feltvektor, som set på planet vinkelret på forplantningsbølgens overflade, ændrer sin retning (vinkelhastigheden behøver ikke være konstant i tiden) og amplitude. I en enkelt periode beskriver E vektoren en fuld cirkel omkring retningen af elektromagnetisk bølgeudbredelse. På samme måde som cirkulær polarisation kan elliptisk polarisation være i en af to mulige tilstande, højre elliptisk polarisation og venstre cirkulær polarisering.

Figur 9. Projicering af den resulterende elektriske feltvektor (blå) på et plan vinkelret på retningen af elektromagnetisk bølgeudbredelse. Elliptisk polarisering: (a) højre, (b) venstre hånd

Da den cirkulære (og lineære) polarisation er et specielt tilfælde af elliptisk polarisering, er fremgangsmåderne til opnåelse af polariseringen ligeledes lette med små ændringer:

Lad os diskutere lodret og vandret polariserede elektromagnetiske bølger ved sammenfaldende amplituder, identiske frekvenser og parallelle retninger af udbredelse. En lineær polarisering er en overlejring ved sammenfaldende faser. En forskydning i fase fra 0 ° til 90 ° frembringer en højre elliptisk polarisation, indtil en højre cirkulær polarisation opnås ved 90 ° faseforskydning. Yderligere forskydning i fase fra 90 ° til 180 ° frembringer en cirkulær polarisering gennem elliptisk polarisering til lineær polarisering ved 180 °. Effekten er identisk ved 180 ° → 270 ° → 360 °, men polariseringen ændres fra højre til venstre. Ved en faseforskydning på 360 ° vender polariseringen tilbage til sin indledende tilstand.

Figur 10. Projicering af den resulterende elektriske feltvektor (blå) på et plan vinkelret på retningen af elektromagnetisk bølgeudbredelse. Ændring i polarisationstilstand på grund af stigningen i faseforskydning mellem de elektromagnetiske bølgekomponenter. Retningen for cirkulær og elliptisk polarisation er vist med en rød pil.

Ændringer i polarisation er ækvivalente for overlejring af højre og venstre cirkulært polariserede elektromagnetiske bølge.

Alle elektromagnetiske bølger fra naturlige kilder (og de fleste elektromagnetiske bølger fra kunstige kilder) er ikke-polariserede. Flere fysiske fænomener (transmission gennem et dielektrisk medium, reflektion fra en dielektrisk eller dirigent, Rayleigh-spredning) kan give fortrinsret til en bestemt retning af de elektriske feltvektorsvingninger. Som følge heraf kan en delvist polariseret stråle af elektromagnetiske bølger fremstilles. I visse tilfælde (multiple transmission gennem dielektrisk transmission kan transmissionen gennem elektromagnetisk strålings adskillende materiale med ortogonal polarisering, dobbeltbrydende materialer, refleksion fra metaloverflade eller i Brewster-vinkel) føre til en fuldstændig polarisering af den elektromagnetiske bølge.

Polariseringen af elektromagnetiske bølger fra naturlige kilder er således altid sekundær i naturen. Polariseringen af elektromagnetiske bølger fra kunstige kilder bruges mest i radiofrekvensområdet.
Lineær polarisering bruges i terrestriske tv- og radiosignaler samt WiFi-netværk. De fleste europæiske lande, herunder Tjekkiet, Frankrig, Spanien, Tyskland, Polen og Det Forenede Kongerige bruger DVB-T-signal, der transmitteres i vandret polarisering.

Fig. 11. 17/21-60/TRIDIGIT retningsantenne (Yagi-Uda type) indstillet til at modtage et jordbaseret tv-signal, der sendes i: (a) lodret, (b) vandret polarisation

Formering af de elektromagnetiske bølger i de nedre atmosfærelag (troposfærisk forplantning) kan føre til rotation af polarisationsplanet på grund af signalet reflekteret fra forskellige overflader, f.eks. tagene. Signalet reflekteret eller transmitteret gennem de øvre atmosfære lag (ionosfærisk udbredelse) kan også føre til rotation af polariseringsplanet (stærkt afhængig af bølgelængden), omvendt polariseringsretning fra venstre til højre (og omvendt) og/ eller ændring fra lineær til elliptisk polarisering (Faraday effekt).

Modtageantennen skal placeres i samme plan som transmitterantennen (lineært polariserede bølger) eller skal have en korrekt retning (cirkulært og elliptisk polariserede bølger) for at forhindre dæmpning i polarisation (inkompatibel polarisering af modtageantenne og polarisering af indkommende signal).

Dæmpningen af lineært polariseret bølge stiger med stigningen i vinkel mellem polarisationsplanerne. Den maksimale dæmpning observeres for signalet, der transmitteres i ortogonal polarisering (signalstyrkefald med op til 30 dB). Antennerne til cirkulær polarisation bruges ofte til at minimere denne effekt. Modtagelsen af den højre cirkulært polariserede bølge af antennen til modtagelse af venstrehånds cirkulært polariserede bølger er også forbundet med høj dæmpning. Turnstile-antenner bruges ofte i stedet for enkelt spiral-antenner til at opretholde et stabilt signal svækket med 3 dB, uanset polariseringen af den modtagne bølge.

I de fleste tilfælde transmitteres satellit-tv-signal ved hjælp af cirkulært polariserede elektromagnetiske bølger. Den cirkulære polarisation anvendes som en overlejring af lineært ortogonalt polariserede bølger for at fordoble antallet af transmitterede kanaler ved at modulere en separat fjernsynskanal for hver bølgekomponent.

Avancerede radarteknikker bruger elektromagnetiske bølger i forskellige polarisationsstilstande afhængigt af forventede resultater. Lineær polarisering kan også bruges til at detektere metalobjekter (en elliptisk polariseret bølge reflekteres) eller meteorologiske observationer. Cirkulær polarisering kan bruges til at reducere dæmpningen forårsaget af tilstedeværelsen af vand (tåge, skyer eller regn).

Polarisering af elektromagnetiske bølger anvendes også inden for mange videnskabelige områder, herunder astronomi (f.eks. at detektere vand i ringen af Saturn eller mikrobølge baggrundsstråling), biologi (f.eks. undersøgelse af virusets struktur og størrelse), kemi (f.eks. enantiomerer), medicin og nuklear fysik (f.eks. at studere kerner), og også i lys og tung industri (polarimetri og fejl afsløring), underholdning (3D projektioner) eller produkter til daglig brug (LCD-skærme og solbriller).

Elektromagnetisk stråling bevæger sig både i bølger og som en strøm af partikler (fotoner). Begrebet elektromagnetisk bølgepolarisation som pr. Definition, der anvendes i den klassiske elektrodynamik, har dens ækvivalent i foton-spin-kvanteantalet. Hvert kvantum af den elektromagnetiske stråling er kendetegnet ved sin energi (frekvens), fase og centrifugering med en værdi på 1 eller -1, og spin-aksen er altid parallel med bølgeudbredelsens retning. Højre og venstre spinding anvendes alternativt.

Fig. 12. Photon spin-kvante nummer: (a) 1 - svarende til den højre cirkulære polarisation, (b) -1 - venstre cirkulær polarisation

Linjær polarisation af den elektromagnetiske bølge kan observeres, når en strøm indbefatter fotoner i både højre og venstre spin-tilstand med samme sandsynlighed. Højre cirkulær polarisering er relateret til forekomsten af fotoner i en ret spin-tilstand; og det er modsat i venstre cirkulær polarisering. Ikke-polariseret elektromagnetisk bølge svarer til en stråle af fotoner, som er forskellige superpositioner af 1 og -1 tilstanden af spin-kvanteantalet.