الاستقطاب الدائري

متجهات المجال الكهربائي لموجة كهرومغناطيسية مستقطبة دائريًا تنتشر في الهواء. تُعتبر هذه الموجة مستقطبة دائريًا باتجاه عقارب الساعة (يمينًا) من وجهة نظر المصدر، أو مستقطبة دائريًا عكس اتجاه عقارب الساعة (يسارًا) من وجهة نظر المستقبل.

في الديناميكا الكهربائية ، الاستقطاب الدائري للموجة الكهرومغناطيسية هو حالة استقطاب يكون فيها المجال الكهرومغناطيسي للموجة عند كل نقطة له مقدار ثابت ويدور بمعدل ثابت في مستوى عمودي على اتجاه الموجة.

في الديناميكا الكهربائية، تُحدد شدة واتجاه المجال الكهربائي بواسطة متجه المجال الكهربائي. في حالة الموجة المستقطبة دائريًا، ترتبط نقطة رأس متجه المجال الكهربائي ، عند أي نقطة في الفضاء، بطور الضوء أثناء انتقاله عبر الزمان والمكان. في أي لحظة زمنية، يشير متجه المجال الكهربائي للموجة إلى نقطة على مسار حلزوني موجه على طول اتجاه الانتشار. يمكن للموجة المستقطبة دائريًا أن تدور في أحد اتجاهين: الاستقطاب الدائري الأيمن (RHCP)، حيث يدور متجه المجال الكهربائي باتجاه اليمين بالنسبة لاتجاه الانتشار، والاستقطاب الدائري الأيسر (LHCP)، حيث يدور المتجه باتجاه اليسار .

الاستقطاب الدائري حالة خاصة من الاستقطاب الإهليلجي . أما الحالة الخاصة الأخرى فهي الاستقطاب الخطي ، وهو أسهل فهمًا . وقد صاغ أوغستين-جان فرينل هذه المصطلحات الثلاثة في مذكرة قُرئت أمام الأكاديمية الفرنسية للعلوم في 9  ديسمبر 1822. [ 1 ] [ 2 ] وكان فرينل قد وصف حالة الاستقطاب الدائري لأول مرة، دون أن يُطلق عليها اسمًا آنذاك، في عام 1821. [ 3 ]

تنشأ ظاهرة الاستقطاب نتيجة لحقيقة أن الضوء يتصرف كموجة مستعرضة ثنائية الأبعاد .

يحدث الاستقطاب الدائري عندما يكون متجهي مركبتي المجال الكهربائي المتعامدين متساويين في المقدار ويكونان خارج الطور بمقدار 90 درجة بالضبط، أو ربع الطول الموجي.

صفات

الضوء المستقطب دائريًا (بدون مكونات) - يميني من وجهة نظر المصدر
الضوء المستقطب دائريًا (بمكوناته) - يميني من وجهة نظر المصدر
يتم عرض الضوء المستقطب دائريًا باستخدام المكونات - حيث تتوافق نقاط الحد الأقصى للمكون الرأسي مع نقاط الحد الأدنى للمكون الأفقي، والعكس صحيح.

في الموجة الكهرومغناطيسية المستقطبة دائريًا، تكون متجهات المجال الكهربائي الفردية، بالإضافة إلى متجهها المركب، ذات مقدار ثابت ، مع تغير زاوية الطور. وبما أن هذه موجة مستوية ، فإن كل متجه يمثل مقدار واتجاه المجال الكهربائي لمستوى كامل عمودي على المحور البصري . وبشكل أدق، وبما أن هذه موجة مستوية مستقطبة دائريًا ، فإن هذه المتجهات تشير إلى أن المجال الكهربائي، من مستوى إلى آخر، له شدة ثابتة بينما يدور اتجاهه باستمرار. راجع مقال الموجة المستوية لفهم هذه الديناميكية بشكل أفضل. ولأن هذه موجة كهرومغناطيسية ، فإن لكل متجه مجال كهربائي متجه مجال مغناطيسي مقابل له، ولكنه غير موضح في الرسم، ويكون متعامدًا مع متجه المجال الكهربائي ومتناسبًا معه في المقدار. ونتيجة لذلك، فإن متجهات المجال المغناطيسي سترسم لولبًا ثانيًا إذا تم عرضها.

غالباً ما يتم مواجهة الاستقطاب الدائري في مجال البصريات، وفي هذا القسم، سيتم الإشارة إلى الموجة الكهرومغناطيسية ببساطة باسم الضوء .

غالبًا ما يُفهم الاستقطاب الدائري وعلاقته بأنواع الاستقطاب الأخرى من خلال تصور المجال الكهربائي مُقسَّمًا إلى مُركِّبتين متعامدتين. يُوضَّح المُركِّب الرأسي ومستواه باللون الأزرق، بينما يُوضَّح المُركِّب الأفقي ومستواه باللون الأخضر. لاحظ أن المُركِّب الأفقي المُتجه لليمين يسبق المُركِّب الرأسي (في اتجاه الانتشار) بربع طول موجي ، أي بفارق طور 90 درجة. هذه العلاقة الطورية التربيعية هي التي تُشكِّل الحلزون وتجعل نقاط القيمة القصوى للمُركِّب الرأسي تُطابق نقاط القيمة الصفرية للمُركِّب الأفقي، والعكس صحيح. ينتج عن هذا التوافق متجهات مُختارة، تُطابق الحلزون، وتُطابق تمامًا القيم القصوى للمُركِّبين الرأسي والأفقي.

لفهم كيفية توافق إزاحة الطور التربيعية هذه مع مجال كهربائي يدور مع الحفاظ على مقدار ثابت، تخيل نقطة تتحرك باتجاه عقارب الساعة في دائرة. لاحظ كيف تتغير الإزاحات الرأسية والأفقية للنقطة، بالنسبة لمركز الدائرة، بشكل جيبي مع الزمن، وتكون خارج الطور بمقدار ربع دورة. يُقال إن الإزاحات خارجة عن الطور بمقدار ربع دورة لأن أقصى إزاحة أفقية (نحو اليسار) تُبلغ قبل ربع دورة من بلوغ أقصى إزاحة رأسية. بالرجوع إلى الرسم التوضيحي، تخيل مركز الدائرة الموصوفة للتو، يتحرك على طول المحور من الأمام إلى الخلف. سترسم النقطة الدوارة مسارًا حلزونيًا، حيث تسبق الإزاحة نحو يسارنا الإزاحة الرأسية. وكما أن الإزاحات الأفقية والرأسية للنقطة الدوارة خارجة عن الطور بمقدار ربع دورة مع الزمن، فإن مقدار المركبتين الأفقية والرأسية للمجال الكهربائي خارجة عن الطور بمقدار ربع طول موجي.

الضوء المستقطب دائريًا (بدون مكونات) - يساري من وجهة نظر المصدر
الضوء المستقطب دائريًا (بمكوناته) - يساري من وجهة نظر المصدر

في الرسمين التوضيحيين التاليين، يتأخر المكون الأفقي المتجه لليمين ( يحدث بعد) المكون الرأسي (على طول اتجاه الحركة) بمقدار ربع طول الموجة، بدلاً من أن يسبقه.

انعكاس اليد

لوحة الموجات

لتحويل الضوء المستقطب دائريًا إلى الاستقطاب المعاكس، يمكن استخدام صفيحة نصف موجة . تعمل صفيحة نصف الموجة على إزاحة أحد مكونات الضوء الخطية بمقدار نصف طول موجي بالنسبة لمكونه الخطي المتعامد - أي أن المكون الأفقي الذي ربما كان متقدمًا على المكون الرأسي قبل دخول صفيحة نصف الموجة سيتأخر عن المكون الرأسي عند خروجه من صفيحة الموجة (في اتجاه الانتشار) - أو العكس.

لا تعتمد هذه الطريقة لعكس اتجاه الاستقطاب الدائري للضوء على أي زاوية محددة، كزاوية 45° أو أي زاوية أخرى، لمحاذاة الضوء الساقط مع محاور الصفيحة الموجية. مع ذلك، فإن الصفائح الموجية حساسة للطول الموجي، ويتم تصميم سمك الصفيحة لتحويل الموجات عند طول موجي معين.

انعكاس

تنعكس خاصية الاستقطاب اليدوي للضوء المستقطب عند انعكاسه عن سطح ما بشكل عمودي . عند هذا الانعكاس، يكون دوران مستوى استقطاب الضوء المنعكس مطابقًا لدوران مستوى استقطاب الضوء الساقط. مع ذلك، عند انتشار الضوء في الاتجاه المعاكس ، يصبح اتجاه الدوران نفسه الذي يُوصف بأنه "يميني" للشعاع الساقط، "يساريًا" (مع الحفاظ على اتجاه الرصد نفسه) عند الانتشار في الاتجاه المعاكس، والعكس صحيح. بالإضافة إلى انعكاس خاصية الاستقطاب اليدوي، تبقى خاصية الإهليلجية للاستقطاب محفوظة (باستثناء حالات الانعكاس عن سطح ثنائي الانكسار ).

لاحظ أن هذا المبدأ ينطبق بدقة على الضوء المنعكس عند السقوط العمودي. فعلى سبيل المثال، الضوء المستقطب دائريًا يمينًا المنعكس من سطح عازل بزاوية سقوط مماسية (زاوية أكبر من زاوية بروستر ) سيظل مستقطبًا يمينًا، ولكنه مستقطب إهليلجيًا. كما أن استقطاب الضوء المنعكس من معدن بزاوية سقوط غير عمودية يتغير عمومًا. يمكن حل هذه الحالات بتحليل الاستقطاب الدائري (أو غيره) الساقط إلى مركبتين من الاستقطاب الخطي، إحداهما موازية لمستوى السقوط والأخرى عمودية عليه ، ويُرمز لهما عادةً بـ p و s على التوالي. تُحسب مركبات الاستقطاب الخطي p و s المنعكسة بتطبيق معاملات فرينل للانعكاس، والتي تختلف عادةً بين هذين النوعين من الاستقطاب. فقط في حالة السقوط العمودي، حيث لا يوجد فرق بين p و s ، تكون معاملات فرينل للمركبتين متطابقة، مما يؤدي إلى الخاصية المذكورة أعلاه.

سلسلة من ثلاث شرائح صور التُقطت باستخدام نظارات MasterImage ثلاثية الأبعاد ذات الاستقطاب الدائري، وبدونها، لبعض خنافس الورد الأوروبية الميتة (Cetonia aurata)، والتي يستمد لونها الأخضر اللامع من الضوء المستقطب يسارًا. لاحظ أنه بدون النظارات، تظهر الخنافس وصورها بلون لامع. يزيل المستقطب يمينًا لون الخنافس ولكنه يُبقي على لون الصور. أما المستقطب يسارًا فيفعل العكس، مُظهرًا انعكاس اتجاه الضوء المنعكس.

التحويل إلى الاستقطاب الخطي

يمكن تحويل الضوء المستقطب دائريًا إلى ضوء مستقطب خطيًا بتمريره عبر صفيحة ربع موجة . يؤدي تمرير الضوء المستقطب خطيًا عبر صفيحة ربع موجة بزاوية 45° مع ​​محور استقطابه إلى تحويله إلى استقطاب دائري. في الواقع، هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج الاستقطاب الدائري عمليًا. تجدر الإشارة إلى أن تمرير الضوء المستقطب خطيًا عبر صفيحة ربع موجة بزاوية أخرى غير 45° ينتج عنه عمومًا استقطاب إهليلجي.

اتفاقيات استخدام اليد

تُعرَّف الموجة المستقطبة دائريًا باتجاه عقارب الساعة (يمينًا) من وجهة نظر المصدر، بينما تُعرَّف من وجهة نظر المستقبل بأنها مستقطبة دائريًا عكس اتجاه عقارب الساعة (يسارًا).
تُعرَّف الموجة المستقطبة دائريًا يساريًا/عكس اتجاه عقارب الساعة من وجهة نظر المصدر. وتُعتبر مستقطبة دائريًا يمينيًا/مع اتجاه عقارب الساعة من وجهة نظر المستقبل.

يمكن الإشارة إلى الاستقطاب الدائري بأنه يميني أو يساري، ومع عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة، وذلك تبعاً لاتجاه دوران متجه المجال الكهربائي. وللأسف، توجد اصطلاحات تاريخية متعارضة.

من وجهة نظر المصدر

باستخدام هذا الاصطلاح، يُحدد الاستقطاب من وجهة نظر المصدر. عند استخدام هذا الاصطلاح، يُحدد استخدام اليد اليسرى أو اليمنى بتوجيه الإبهام الأيسر أو الأيمن بعيدًا عن المصدر، في نفس اتجاه انتشار الموجة، ومطابقة انحناء الأصابع مع اتجاه الدوران الزمني للمجال عند نقطة معينة في الفضاء. عند تحديد ما إذا كانت الموجة مستقطبة دائريًا باتجاه عقارب الساعة أو عكسها، يُؤخذ منظور المصدر مرة أخرى، ومع النظر بعيدًا عن المصدر وفي نفس اتجاه انتشار الموجة، يُلاحظ اتجاه الدوران الزمني للمجال.

باستخدام هذا الاصطلاح، يكون متجه المجال الكهربائي لموجة مستقطبة دائريًا يساريًا كما يلي: (هـx،هـy،هـz)(كوس2πλ(جت-z)،-الخطيئة2πλ(جت-z)،0).{\displaystyle \left(E_{x},\,E_{y},\,E_{z}\right)\propto \left(\cos {\frac {2\pi }{\lambda }}\left(ct-z\right),\,-\sin {\frac {2\pi }{\lambda }}\left(ct-z\right),\,0\right).}

كمثال محدد، انظر إلى الموجة المستقطبة دائريًا في الرسوم المتحركة الأولى. وفقًا لهذا الاصطلاح، تُعرَّف هذه الموجة بأنها يمينية الاستقطاب، لأنه عندما يُشير المرء بإبهام يده اليمنى في اتجاه انتشار الموجة، تنحني أصابع تلك اليد في اتجاه الدوران الزمني للمجال. وتُعتبر مستقطبة دائريًا باتجاه عقارب الساعة، لأنه من وجهة نظر المصدر، عند النظر في اتجاه انتشار الموجة، يدور المجال في اتجاه عقارب الساعة. أما الرسوم المتحركة الثانية فهي للضوء اليساري الاستقطاب أو عكس اتجاه عقارب الساعة، باستخدام الاصطلاح نفسه.

يتوافق هذا الاتفاق مع معيار معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، ونتيجة لذلك، يُستخدم بشكل عام في الأوساط الهندسية. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

يستخدم علماء الفيزياء الكمية أيضاً هذا الاصطلاح الخاص باليدوية لأنه يتوافق مع اصطلاحهم الخاص باليدوية بالنسبة لدوران الجسيم. [ 7 ]

يستخدم علماء الفلك الراديوي هذا الاتفاق أيضًا وفقًا لقرار الاتحاد الفلكي الدولي (IAU) الصادر عام 1973. [ 8 ]

من وجهة نظر المتلقي

في هذا الاصطلاح البديل، يُحدد الاستقطاب من وجهة نظر المُستقبِل. وباستخدام هذا الاصطلاح، يُحدد استخدام اليد اليسرى أو اليمنى بتوجيه إبهام اليد اليسرى أو اليمنى نحو المصدر، عكس اتجاه الانتشار، ثم مطابقة انحناء الأصابع مع الدوران الزمني للمجال.

عند استخدام هذا الاصطلاح، على عكس الاصطلاح الآخر، تتطابق اتجاهية الموجة المحددة مع اتجاهية المجال الحلزوني في الفضاء. تحديدًا، إذا تم تجميد موجة يمينية في الزمن، فعند لف أصابع اليد اليمنى حول الحلزون، سيشير الإبهام إلى اتجاه تقدم الحلزون، نظرًا لاتجاه الدوران. تجدر الإشارة إلى أنه، في سياق طبيعة جميع اللوالب والحلزونات، لا يهم الاتجاه الذي يشير إليه الإبهام عند تحديد اتجاهية الموجة.

عند تحديد ما إذا كانت الموجة مستقطبة بشكل دائري في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة، يأخذ المرء مرة أخرى وجهة نظر جهاز الاستقبال، وأثناء النظر نحو المصدر، عكس اتجاه الانتشار، يلاحظ المرء اتجاه الدوران الزمني للمجال.

وكما هو الحال في الاتفاقية الأخرى، فإن استخدام اليد اليمنى يتوافق مع الدوران في اتجاه عقارب الساعة، واستخدام اليد اليسرى يتوافق مع الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة.

تستخدم العديد من كتب البصريات هذا الاصطلاح الثاني. [ 9 ] [ 10 ] كما تستخدمه جمعية SPIE [ 11 ] والاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC). [ 12 ]

استخدامات الاتفاقيتين

كما ذُكر سابقًا، ثمة التباس كبير فيما يتعلق بهذين الاصطلاحين. وكقاعدة عامة، تستخدم الأوساط الهندسية والفيزيائية الكمية وعلم الفلك الراديوي الاصطلاح الأول، حيث تُلاحَظ الموجة من وجهة نظر المصدر. [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] في المقابل، تستخدم العديد من الكتب الدراسية التي تتناول البصريات والكيمياء الاصطلاح الثاني، حيث يُلاحَظ الضوء من وجهة نظر المُستقبِل. [ 7 ] [ 9 ]

ولتجنب الالتباس، من الممارسات الجيدة تحديد "كما هو محدد من وجهة نظر المصدر" أو "كما هو محدد من وجهة نظر المتلقي" عند مناقشة مسائل الاستقطاب.

يقترح أرشيف المعيار الفيدرالي الأمريكي 1037C اتفاقيتين متناقضتين بشأن استخدام اليد. [ 13 ]

تجدر الإشارة إلى أن معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) يُعرّف الاستقطاب الدائري الأيمن (RHCP) والاستقطاب الدائري الأيسر (LHCP) بشكل معاكس لما هو مُستخدم في علم البصريات. يُظهر معيار هوائيات IEEE لعام 1979 الاستقطاب الدائري الأيمن على القطب الجنوبي لكرة بوانكاريه ( تُظهر مقالة كرة بوانكاريه اتجاه الاستقطاب وفقًا لاتفاقية علم البصريات). يُعرّف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات الاستقطاب الدائري الأيمن باستخدام اليد اليمنى مع توجيه الإبهام نحو اتجاه الإرسال (تُلاحظ الموجة من وجهة نظر المصدر)، بينما تُشير الأصابع إلى اتجاه دوران المجال الكهربائي مع الزمن. يكمن الأساس المنطقي للاتفاقيات المعاكسة المُستخدمة في علم البصريات والكيمياء في أن الملاحظات تُجرى عادةً من وجهة نظر المُستقبِل مع انتقال الموجة الواردة نحو الراصد، بينما يُفترض أن معظم المهندسين يقفون خلف المُرسِل ويُشاهدون الموجة وهي تبتعد عنهم. لا تستخدم هذه المقالة معيار هوائيات IEEE لعام 1979، ولا تستخدم اتفاقية +t المُستخدمة عادةً في أعمال معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.

ومع ذلك، وفقًا لمنشور المعايير الأحدث [ 14 ] ، فإن معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) يُعرّف معنى الاستقطاب على النحو التالي:

"يُطلق على إحساس الاستقطاب، أو اليد ... اسم اليد اليمنى (أو اليد اليسرى) إذا كان اتجاه الدوران في اتجاه عقارب الساعة (أو عكس اتجاه عقارب الساعة) بالنسبة للمراقب الذي ينظر في اتجاه الانتشار" [ 14 ]

يذكر جيه دي كراوس (مخترع الهوائي الحلزوني) أن "الهوائي الحلزوني ذو الالتفاف الأيسر يستجيب للاستقطاب الدائري الأيسر، بينما يستجيب الهوائي الحلزوني ذو الالتفاف الأيمن للاستقطاب الدائري الأيمن (وفقًا لتعريف معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات)". [ 15 ] وبالتالي، فإن الهوائي الحلزوني ذو الالتفاف الأيمن يشع موجة ذات التفاف أيمن، حيث يدور متجه المجال الكهربائي في اتجاه عقارب الساعة عند النظر إلى اتجاه الانتشار.

راديو FM

مصفوفة هوائيات ثنائية القطب متقاطعة لجهاز إرسال محطة KENZ بتردد 94.9 ميجاهرتز وقدرة 48 كيلوواط على جبل ليك في ولاية يوتا. وهي تشع موجات راديو مستقطبة دائريًا.

تستخدم محطات البث الإذاعي بتقنية FM أحيانًا الاستقطاب الدائري لتحسين اختراق الإشارة للمباني والمركبات. وهذا مثال على ما يُشير إليه الاتحاد الدولي للاتصالات بـ"الاستقطاب المختلط"، أي البث الإذاعي الذي يتضمن مكونات مستقطبة أفقيًا ورأسيًا. [ 16 ] في الولايات المتحدة، تنص لوائح لجنة الاتصالات الفيدرالية على أن الاستقطاب الأفقي هو المعيار للبث بتقنية FM، ولكن "يمكن استخدام الاستقطاب الدائري أو الإهليلجي إذا لزم الأمر". [ 17 ]

ثنائية اللون

الاستقطاب الدائري ( CD ) هو امتصاص تفاضلي للضوء المستقطب دائريًا يسارًا ويمينًا . ويُعدّ الاستقطاب الدائري أساسًا لنوع من أنواع التحليل الطيفي الذي يُمكن استخدامه لتحديد التماثل الضوئي والبنية الثانوية للجزيئات .

بشكل عام، تظهر هذه الظاهرة في نطاقات امتصاص أي جزيء نشط ضوئيًا . ونتيجة لذلك، تُظهر معظم الجزيئات البيولوجية خاصية الاستقطاب الدائري، نظرًا لاحتوائها على جزيئات يمينية الدوران (مثل بعض السكريات ) ويسارية الدوران (مثل بعض الأحماض الأمينية ). ومن الجدير بالذكر أيضًا أن البنية الثانوية تُضفي استقطابًا دائريًا مميزًا على جزيئاتها. لذا، فإن مناطق الحلزون ألفا ، والصفيحة بيتا ، واللفائف العشوائية في البروتينات، والحلزون المزدوج في الأحماض النووية، لها بصمات طيفية للاستقطاب الدائري تُمثل بنيتها.

أيضًا، في ظل الظروف المناسبة، حتى الجزيئات غير الكيرالية ستظهر ثنائية اللون الدائرية المغناطيسية - أي ثنائية اللون الدائرية الناتجة عن مجال مغناطيسي.

التلألؤ

يمكن أن يحدث التلألؤ المستقطب دائريًا (CPL) عندما يكون أحد المواد المضيئة أو مجموعة منها كيراليًا . ويتم قياس مدى استقطاب الانبعاثات بنفس طريقة قياس الاستقطاب الدائري ، وذلك من خلال عامل عدم التناظر ، والذي يُشار إليه أحيانًا بعامل التباين . وتُعطى هذه القيمة بالمعادلة التالية:

زهـم = 2(θلهـوت-θرأنازحتθلهـوت+θرأنازحت){\displaystyle g_{em}\ =\ 2\left({\theta _{\mathrm {left} }-\theta _{\mathrm {right} } \over \theta _{\mathrm {left} }+\theta _{\mathrm {right} }}\right)}

أينθلهـوت{\displaystyle \theta _{\mathrm {left} }}يتوافق مع المردود الكمي للضوء المستقطب دائريًا يساريًا، وθرأنازحت{\displaystyle \theta _{\mathrm {right} }}مقارنةً بالضوء ذي الاستقطاب الدائري الأيمن. وبالتالي، فإن القيمة المطلقة القصوى لـ g em ، التي تتوافق مع الاستقطاب الدائري الأيمن أو الأيسر البحت، هي 2. في حين أن أصغر قيمة مطلقة يمكن أن تصل إليها g em ، التي تتوافق مع الضوء المستقطب خطيًا أو غير المستقطب، هي صفر.

الوصف الرياضي

الحل الكلاسيكي للموجة المستوية الجيبية لمعادلة الموجة الكهرومغناطيسية للمجالين الكهربائي والمغناطيسي هو :

هـ(ر،ت)=|هـ|Rهـ{سؤال|ψخبرة[أنا(كz-ωت)]}ب(ر،ت)=1جz^×هـ(ر،ت){\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)&=\left|\,\mathbf {E} \,\right|\mathrm {Re} \left\{\mathbf {Q} \left|\psi \right\rangle \exp \left[i\left(kz-\omega t\right)\right]\right\}\\\mathbf {B} (\mathbf {r} ,t)&={\dfrac {1}{c}}{\hat {\mathbf {z} }}\times \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)\end{aligned}}}

حيث k هو العدد الموجي ؛

ω=جك{\displaystyle \omega =ck}

هي التردد الزاوي للموجة؛سؤال=[x^،y^]{\displaystyle \mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} }},{\hat {\mathbf {y} }}\right]}هو متعامد2×2{\displaystyle 2\times 2}مصفوفة تمتد أعمدتها على المستوى العرضي xy؛ وج{\displaystyle c}هي سرعة الضوء .

هنا،

|هـ|{\displaystyle \left|\,\mathbf {E} \,\right|}

هي سعة المجال، و

|ψ =دهـو (ψxψy)=(كوسθخبرة(أناαx)الخطيئةθخبرة(أناαy)){\displaystyle |\psi \rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\begin{pmatrix}\psi _{x}\\\psi _{y}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos \theta \exp \left(i\alpha _{x}\right)\\\sin \theta \exp \left(i\alpha _{y}\right)\end{pmatrix}}}

هو متجه جونز المعياري في المستوى xy.

لوαy{\displaystyle \alpha _{y}}يتم تدويرها بواسطةπ/2{\displaystyle \pi /2}الراديان بالنسبة إلىαx{\displaystyle \alpha _{x}}وإذا كانت سعة الموجة على المحور السيني تساوي سعة الموجة على المحور الصادي، فإن الموجة تكون مستقطبة دائريًا. متجه جونز هو:

|ψ=12(1±أنا)خبرة(أناαx){\displaystyle |\psi \rangle ={1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\\pm i\end{pmatrix}}\exp \left(i\alpha _{x}\right)}

حيث تشير علامة الجمع إلى الاستقطاب الدائري الأيسر، وتشير علامة الطرح إلى الاستقطاب الدائري الأيمن. في حالة الاستقطاب الدائري، يدور متجه المجال الكهربائي ذو المقدار الثابت في المستوى س - ص .

إذا تم تعريف متجهات الأساس بحيث:

|R =دهـو 12(1-أنا){\displaystyle |\mathrm {R} \rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\-i\end{pmatrix}}}

و:

|ل =دهـو 12(1أنا){\displaystyle |\mathrm {L} \rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\i\end{pmatrix}}}

عندئذٍ يمكن كتابة حالة الاستقطاب في "أساس RL" على النحو التالي:

|ψ=ψR|R+ψل|ل{\displaystyle |\psi \rangle =\psi _{\mathrm {R} }|\mathrm {R} \rangle +\psi _{\mathrm {L} }|\mathrm {L} \rangle }

أين:

ψR =دهـو 12(كوسθ+أناالخطيئةθخبرة(أنادلتا))خبرة(أناαx)ψل =دهـو 12(كوسθ-أناالخطيئةθخبرة(أنادلتا))خبرة(أناαx){\displaystyle {\begin{aligned}\psi _{\mathrm {R} }~&{\stackrel {\mathrm {def} }{=}}~{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\cos \theta +i\sin \theta \exp \left(i\delta \right)\right)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\\\psi _{\mathrm {L} }~&{\stackrel {\mathrm {def} }{=}}~{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\cos \theta -i\sin \theta \exp \left(i\delta \right)\right)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\end{aligned}}}

و:

دلتا=αy-αx.{\displaystyle \delta =\alpha _{y}-\alpha _{x}.}

الهوائيات

يمكن استخدام عدد من الأنواع المختلفة من عناصر الهوائي لإنتاج إشعاع مستقطب دائريًا (أو شبه دائري)؛ وفقًا لبالانيس ، [ 18 ] يمكن استخدام عناصر ثنائية القطب :

"... يوفر ثنائيا قطب متقاطعان مركبتي المجال المتعامدتين.... إذا كان ثنائيا القطب متطابقين، فإن شدة المجال لكل منهما على طول سمت الرأس ... ستكون متساوية. كذلك، إذا تم تغذية ثنائيي القطب بفارق طور زمني قدره 90 درجة (تربيع الطور)، فسيكون الاستقطاب على طول سمت الرأس دائريًا... إحدى طرق الحصول على فرق الطور الزمني البالغ 90 درجة بين مركبتي المجال المتعامدتين، واللتين يشعهما ثنائيا القطب على التوالي، هي تغذية أحد ثنائيي القطب بخط نقل أطول أو أقصر بمقدار ربع طول موجي من الآخر،" ص 80؛

أو العناصر الحلزونية :

"لتحقيق الاستقطاب الدائري [في الوضع المحوري أو وضع إطلاق النار النهائي] ... يجب أن يكون محيط C للحلزون ... مع C / الطول الموجي = 1 بالقرب من الأمثل، والمسافة حوالي S = الطول الموجي / 4،" ص 571؛

أو عناصر التصحيح :

"... يمكن الحصول على استقطاب دائري وبيضاوي باستخدام ترتيبات تغذية متنوعة أو تعديلات طفيفة على العناصر... يمكن الحصول على استقطاب دائري عند إثارة نمطين متعامدين بفارق طور زمني 90 درجة بينهما. ويمكن تحقيق ذلك بضبط الأبعاد الفيزيائية للرقعة... بالنسبة لعنصر رقعة مربعة، فإن أسهل طريقة لإثارة استقطاب دائري مثالي هي تغذية العنصر من حافتين متجاورتين... ويتم الحصول على فرق الطور التربيعي بتغذية العنصر بمقسم طاقة 90 درجة،" ص 859.

في ميكانيكا الكم

في منظور ميكانيكا الكم ، يتكون الضوء من فوتونات . والاستقطاب هو مظهر من مظاهر الزخم الزاوي المغزلي للضوء . وبشكل أكثر تحديدًا، في ميكانيكا الكم، يرتبط اتجاه دوران الفوتون باتجاهية الضوء المستقطب دائريًا، ويكون دوران حزمة الفوتونات مشابهًا لدوران حزمة الجسيمات، مثل الإلكترونات. [ 19 ] في الاصطلاح الفيزيائي (من وجهة نظر المصدر)، يتوافق الاستقطاب الدائري الأيمن مع دوران موجب (يرمز له بـσ+{\displaystyle \sigma ^{+}}بينما يتوافق الاستقطاب الدائري الأيسر مع اللف المغزلي السالب (يُشار إليه بـσ-{\displaystyle \sigma ^{-}}). [ 20 ]

في الطبيعة

يعكس السطح الخارجي لخنفساء الورد الضوء المستقطب دائريًا يساريًا بشكل شبه حصري.

لا يُعرف سوى عدد قليل من الآليات في الطبيعة التي تُنتج ضوءًا مستقطبًا دائريًا بشكل منهجي . في عام 1911، اكتشف ألبرت أبراهام ميكلسون أن الضوء المنعكس من خنفساء الجعران الذهبية (Chrysina resplendens) يكون مستقطبًا يساريًا بشكل تفضيلي. ومنذ ذلك الحين، تم قياس الاستقطاب الدائري في العديد من خنافس الجعران الأخرى ، مثل Chrysina gloriosa ، [ 21 ] بالإضافة إلى بعض القشريات مثل جراد البحر السرعوفي . في هذه الحالات، تكمن الآلية الأساسية في الحلزونية الجزيئية للطبقة الخارجية الكيتينية . [ 22 ] وقد أُبلغ عن قدرة نوعين من جراد البحر السرعوفي على اكتشاف الضوء المستقطب دائريًا. [ 23 ] [ 24 ]

يُظهر التلألؤ البيولوجي ليرقات اليراعات استقطابًا دائريًا، كما ورد في عام 1980 بالنسبة لنوعي Photuris lucicrescens و Photuris versicolor . ويصعب إيجاد تفسير مجهري لهذا الاستقطاب في اليراعات، إذ وُجد أن المصابيح اليسرى واليمنى لليرقات تُصدر ضوءًا مستقطبًا باتجاهين متعاكسين. ويقترح الباحثون أن الضوء يبدأ باستقطاب خطي نتيجةً لعدم تجانس الخلايا الضوئية المتراصة ، ثم يكتسب استقطابًا دائريًا أثناء مروره عبر الأنسجة ذات الانكسار الخطي المزدوج . [ 25 ]

تم رصد الاستقطاب الدائري في الضوء المنعكس من الأوراق والميكروبات الضوئية. [ 26 ]

تُشكّل أسطح التماس بين الماء والهواء مصدرًا آخر للاستقطاب الدائري. ضوء الشمس الذي يتشتت عائدًا إلى السطح يكون مستقطبًا خطيًا. إذا انعكس هذا الضوء كليًا داخليًا عائدًا إلى الأسفل، فإن مركّبته الرأسية تخضع لانزياح طوري. لذلك، بالنسبة لمراقب تحت الماء ينظر إلى الأعلى، يكون الضوء الخافت خارج نافذة سنيل مستقطبًا دائريًا (جزئيًا). [ 27 ]

وتشمل المصادر الأضعف للاستقطاب الدائري في الطبيعة التشتت المتعدد بواسطة المستقطبات الخطية ، كما هو الحال في الاستقطاب الدائري لضوء النجوم، والامتصاص الانتقائي بواسطة الوسائط ثنائية اللون الدائرية .

يمكن أن يكون انبعاث الراديو من النجوم النابضة مستقطباً بشكل دائري قوي. [ 28 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. أ. فريسنل، "Mémoire sur la double réfraction que les rayons lumineux éprouvent en traversant les aiguilles de crystal de roche suivant les الاتجاهات المتوازية إلى الفأس"، اقرأ في 9 ديسمبر 1822؛ طبع في H. de Senarmont، E. Verdet، and L. Fresnel (eds.)، Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel ، vol. 1 (1866)، الصفحات من731 إلى 51؛ مترجم كـ "مذكرات عن الانكسار المزدوج الذي تتعرض له أشعة الضوء عند عبور إبر الكوارتز في اتجاهات موازية للمحور"، زينودو : 4745976 ، 2021 (وصول مفتوح)؛ §§9-10.  
  2. ^ أكاديمية العلوم، Procès-verbaux des séances de l'Académie Tenues depuis la Foundation de l'Institut jusqu'au mois d'août 1835 ، المجلد. 7 (لـ 1820–23)، هينداي، Basses Pyrénées: Imprimerie de l'Observatoire d'Abbadia، 1916، p. 401.
  3. أ. فريسنل، "ملاحظة sur le calcul des teintes que lapolization développe dans les lames crystallisées" وما يليها، Annales de Chimie et de Physique ، Ser. 2، المجلد. 17، الصفحات 102–11 (مايو 1821)، 167–96 (يونيو 1821)، 312–15 ("حاشية"، يوليو 1821)؛ أعيد طبعه (مع أرقام الأقسام المضافة) في H. de Senarmont، E. Verdet، and L. Fresnel (eds.)، Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel ، vol. 1 (1866)، الصفحات من 609 إلى 48؛ مترجمة إلى "حول حساب الألوان التي يتطور الاستقطاب في الألواح البلورية، وملاحظة  لاحقة"، زينودو : 4058004 (المشاع الإبداعي)، 2021؛حاشية المؤلف للفقرة 16.  
  4. معيار IEEE رقم 149-1979 (R2008)، "إجراءات اختبار IEEE القياسية للهوائيات". أُعيد تأكيده في 10 ديسمبر 2008، وتمت الموافقة عليه في 15 ديسمبر 1977، من قِبل مجلس معايير IEEE-SA. تمت الموافقة عليه في 9 أكتوبر 2003، من قِبل المعهد الوطني الأمريكي للمعايير. ISBN 0-471-08032-2doi : 10.1109/IEEESTD.1979.120310 ، القسم 11.1، الصفحة 61. " يُطلق على اتجاه الاستقطاب، أو اليد... اسم اليد اليمنى (اليد اليسرى) إذا كان اتجاه الدوران في اتجاه عقارب الساعة (عكس اتجاه عقارب الساعة) بالنسبة لمراقب ينظر في اتجاه الانتشار". 
  5. 1 2 الموجات الكهرومغناطيسية والهوائيات – إس جيه أورفانيديس: الحاشية ص. 45، "تستخدم معظم النصوص الهندسية اتفاقية IEEE ومعظم نصوص الفيزياء الاتفاقية المعاكسة".
  6. الموجات الكهرومغناطيسية والهوائيات – إس جيه أورفانيديس صفحة 44 "قم بثني أصابع يديك اليسرى واليمنى في قبضة ووجه كلا الإبهامين نحو اتجاه الانتشار"
  7. ١ ٢ ٣ محاضرات في الفيزياء لفاينمان (المجلد ١، الفصل ٣٣-١): "إذا دارت نهاية متجه المجال الكهربائي، عندما ننظر إليه بينما يأتي الضوء نحونا مباشرةً، في اتجاه عكس عقارب الساعة، فإننا نسمي ذلك استقطابًا دائريًا يمينيًا. ... يتوافق اصطلاحنا لتسمية الاستقطاب الدائري الأيسر والأيمن مع الاصطلاح المستخدم اليوم لجميع الجسيمات الأخرى في الفيزياء التي تُظهر استقطابًا (مثل الإلكترونات). مع ذلك، تُستخدم في بعض كتب البصريات اصطلاحات معاكسة، لذا يجب توخي الحذر."
  8. 1 2 اجتماع الجمعية العامة للاتحاد الفلكي الدولي، 1973، اللجنة 40 (علم الفلك الراديوي/Radioastronomie)، 8. تعريفات الاستقطاب - "تم تشكيل فريق عمل برئاسة ويسترهوت لمناقشة تعريف درجات حرارة سطوع الاستقطاب المستخدمة في وصف الأجسام الممتدة المستقطبة وخلفية المجرة. وقد اعتمدت اللجنتان 25 و40 القرار التالي: "يُقرر أن يكون إطار مرجع معلمات ستوكس هو إطار الصعود المستقيم والميل، مع زاوية موضع الحد الأقصى للمتجه الكهربائي، q، التي تبدأ من الشمال وتزداد باتجاه الشرق. ويُعرَّف الاستقطاب الإهليلجي وفقًا لتعريفات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (معيار IEEE 211، 1969). وهذا يعني أن استقطاب الإشعاع الوارد، الذي تزداد فيه زاوية موضع المتجه الكهربائي، q، المقاسة عند نقطة ثابتة في الفضاء، مع مرور الوقت، يوصف بأنه يميني وموجب."
  9. 1 2 الاستقطاب في الخطوط الطيفية. 2004 إي. لاندي ديجلينوسينتي، إم لاندولفي. القسم 1.2 "عندما ... يدور طرف متجه المجال الكهربائي في اتجاه عقارب الساعة بالنسبة لمراقب يواجه مصدر الإشعاع، ... (سيتم اعتباره) ... استقطابًا دائريًا موجبًا (أو يمينيًا). يتوافق اصطلاحنا ... مع تلك المقترحة في الكتب الدراسية الكلاسيكية حول الضوء المستقطب من قِبل شوركليف (1952) وكلارك وجرينجر (1971). ويستخدم علماء الفلك البصريون العاملون في مجال قياس الاستقطاب نفس الاصطلاح أيضًا، مع بعض الاستثناءات القليلة. من ناحية أخرى، يستخدم العديد من علماء الفلك الراديوي الاصطلاح المعاكس.
  10. دليل البصريات المجلد الأول، الأجهزة والقياسات والخصائص، مايكل باس الصفحة 272 حاشية: "يُعرَّف الضوء المستقطب دائريًا يمينًا بأنه دوران في اتجاه عقارب الساعة للمتجه الكهربائي عندما ينظر المراقب عكس اتجاه انتشار الموجة."
  11. "القطع الناقص للاستقطاب" . spie.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أبريل 2018 .
  12. إس إي براسلافسكي (1 يناير 2009). "مسرد المصطلحات المستخدمة في الكيمياء الضوئية، الطبعة الثالثة (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2006)" ( ملف PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 79 (3): 293-465 . doi : 10.1351/pac200779030293 . S2CID 96601716. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 9 أكتوبر 2022. 
  13. في أحد المواضع ورد ما يلي: "ملاحظة 1. ... بشكل عام، يكون الشكل، أي الاستقطاب، بيضاويًا ويتم رسمه باتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة، كما يُرى في اتجاه الانتشار. ... يُشار إلى دوران المتجه الكهربائي باتجاه عقارب الساعة بالاستقطاب الأيمن، ويُشار إلى الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة بالاستقطاب الأيسر."تمت أرشفة 2011-05-14 في Wayback Machine. في مكان آخر ورد ما يلي... "ملاحظة 4: يمكن الإشارة إلى الاستقطاب الدائري باسم "يمين" أو "يسار"، اعتمادًا على ما إذا كان الحلزون يصف خيط برغي يمين أو يسار، على التوالي".أُرشف بتاريخ 6 يونيو 2011 في موقع Wayback Machine
  14. 1 2 إجراءات اختبار معيارية للهوائيات من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (تقرير) ( طبعة مُعاد تأكيدها). مجلس معايير IEEE-SA / المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (نُشر في 10 ديسمبر 2008). 9 أكتوبر 2003 [15 ديسمبر 1977]. § 11.1، ص 61. doi : 10.1109/IEEESTD.1979.120310 . ISBN    0-471-08032-2. IEEE Std 149-1979 (R2008).
  15. ^ كراوس، دينار (1988). هوائيات ( الطبعة الثانية). ماكجرو هيل. 
  16. التقرير 464-5، "استقطاب الانبعاثات في البث الإذاعي بتقنية تعديل التردد في النطاق 8 (VHF)" (ملف PDF) (تقرير). الاتحاد الدولي للاتصالات. 1990.
  17. 47  CFR 73.316
  18. بالانيس، قسطنطين أ. "نظرية الهوائي: التحليل والتصميم"، 2016، الطبعة الرابعة، جون وايلي وأولاده.
  19. مقدمة في نظرية الكم، الطبعة الثانية، ديفيد بارك، القسم 2.2، الصفحة 32 "... استقطاب شعاع الضوء هو بالضبط نفس الشيء مثل دوران شعاع الإلكترونات، والاختلافات في المصطلحات لا تعكس سوى مصادفات الترتيب التاريخي للاكتشاف."
  20. دبليو. ديمترودر، "الذرات والجزيئات والفوتونات" ، 2006، سبرينغر، القسم 3.1، ص 91. يستخدم المؤلف اصطلاح البصريات. "إذا امتصت الذرات ضوءًا مستقطبًا دائريًا يساريًا (استقطاب σ+) ينتشر في اتجاه z، فإن مركبة z لعزمها الزاوي Jz تتغير بمقدار ∆Jz = +ℏ".
  21. سرينيفاساراو، موهان؛ بارك، جونغ أوك؛ كرني، ماتيجا؛ شارما، فيفيك (24 يوليو/تموز 2009). " الأصل البنيوي للتقزح الدائري المستقطب في الخنافس المرصعة بالجواهر" . مجلة ساينس . 325 (5939): 449-451 . Bibcode : 2009Sci...325..449S . doi : 10.1126/science.1172051 . PMID 19628862. S2CID 206519071 عبر science.sciencemag.org.  
  22. ^ هيجيدوس، رامون. جيوزو سيليب؛ غابور هورفاث (سبتمبر 2006). "تصوير الاستقطاب للبشرة المستقطبة بشكل دائري لخنافس الجعران (مغمدات الأجنحة: Rutelidae، Cetoniidae)" . بحوث الرؤية . 46 (17): 2786–2797 . دوى : 10.1016/j.visres.2006.02.007 . بميد 16564066 . S2CID 14974820 .  
  23. تسير-هوي تشيو؛ سونيا كلاينلوغل؛ توم كرونين؛ روي كالدويل؛ بيرت لوفلر؛ أفشين صديقي؛ آلان غولدزين؛ جاستن مارشال (2008). "الرؤية بالاستقطاب الدائري في قشريات ستوماتوبود" . علم الأحياء الحالي . 18 (6): 429-34 . Bibcode : 2008CBio...18..429C . doi : 10.1016/ j.cub.2008.02.066 . PMID 18356053. S2CID 6925705 .  
  24. سونيا كلاينلوغل؛ أندرو وايت (2008). "العالم السري للروبيان: رؤية الاستقطاب في أبهى صورها" . PLoS ONE . 3 (5) e2190. arXiv : 0804.2162 . Bibcode : 2008PLoSO...3.2190K . doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . PMC 2377063. PMID 18478095 .  
  25. ^ واينبرج، هانز. ماير، إي دبليو؛ هوميلين، JC. ديكرز، HPJM. شيبرز، ف. كارلسون ، م (7 أغسطس 1980). “الاستقطاب الدائري الملحوظ في التلألؤ البيولوجي” (PDF) . طبيعة . 286 (5773): 641–642 . بيب كود : 1980Natur.286..641W . دوى : 10.1038/286641a0 . S2CID 4324467 . مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 24 يوليو 2011. 
  26. سباركس، ويليام ب.؛ هوف، جيمس؛ جيرمر، توماس أ.؛ تشين، فينغ؛ داس سارما، شيلاديتيا؛ داس سارما، بريا؛ روب، فرانك ت.؛ مانسيت، نادين؛ كولوكولوفا، لودميلا؛ ريد، نيل؛ ماتشيتو، ف. دوتشيو؛ مارتن، ويليام (12 مايو 2009). "الكشف عن الاستقطاب الدائري في الضوء المتناثر من الميكروبات الضوئية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 106 (19): 7816-7821 . arXiv : 0904.4646 . Bibcode : 2009PNAS..106.7816S . doi : 10.1073/pnas.0810215106 . ISSN 0027-8424 . PMC 2674403. PMID 19416893 .   
  27. ^ هورفاث، غابور. ديزسو فارجو (2003). الضوء المستقطب في رؤية الحيوانات: أنماط الاستقطاب في الطبيعة . سبرينغر. ص 100 – 103. ISBN  978-3-540-40457-6.
  28. غوغوبيريدزه، ج.؛ ماتشابيلي، ج.ز. (2005). "حول أصل الاستقطاب الدائري في النجوم النابضة الراديوية" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 364 (4): 1363-1366 . arXiv : astro-ph/0510116 . Bibcode : 2005MNRAS.364.1363G . doi : 10.1111/j.1365-2966.2005.09681.x .

للمزيد من القراءة

  • جاكسون، جون د. (1999). الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية (  الطبعة الثالثة). نيويورك: وايلي. ISBN 978-0-471-30932-1.
  • بورن، م. وولف، إ. (1999). مبادئ البصريات : النظرية الكهرومغناطيسية لانتشار الضوء وتداخله وانعراجه (  الطبعة السابعة). كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-64222-4.