Polarização (ondas) - Polarization (waves)

Polarização circular em fio de borracha, convertida em polarização linear

Polarização ( também polarização ) é uma propriedade aplicada a ondas transversais que especifica a orientação geométrica das oscilações . Em uma onda transversal, a direção da oscilação é perpendicular à direção do movimento da onda. Um exemplo simples de onda transversal polarizada são as vibrações que viajam ao longo de uma corda esticada (veja a imagem) ; por exemplo, em um instrumento musical como uma corda de violão . Dependendo de como a corda é puxada, as vibrações podem ser na direção vertical, direção horizontal ou em qualquer ângulo perpendicular à corda. Em contraste, em ondas longitudinais , como ondas sonorasem um líquido ou gás, o deslocamento das partículas na oscilação é sempre no sentido de propagação, portanto essas ondas não apresentam polarização. As ondas transversais que exibem polarização incluem ondas eletromagnéticas , como ondas de luz e de rádio , ondas gravitacionais e ondas sonoras transversais ( ondas de cisalhamento ) em sólidos.

Uma onda eletromagnética como a luz consiste em um campo elétrico oscilante e um campo magnético acoplados que são sempre perpendiculares um ao outro; por convenção, a "polarização" das ondas eletromagnéticas se refere à direção do campo elétrico. Na polarização linear , os campos oscilam em uma única direção. Na polarização circular ou elíptica , os campos giram a uma taxa constante em um plano conforme a onda se desloca. A rotação pode ter duas direções possíveis; se os campos giram no sentido da mão direita em relação à direção do curso da onda, é chamada de polarização circular direita , enquanto se os campos giram no sentido da esquerda, é chamada de polarização circular à esquerda .

A luz ou outra radiação eletromagnética de muitas fontes, como o sol, chamas e lâmpadas incandescentes , consiste em trens de ondas curtas com uma mistura igual de polarizações; isso é chamado de luz não polarizada . A luz polarizada pode ser produzida passando luz não polarizada através de um polarizador , o que permite a passagem de ondas de apenas uma polarização. Os materiais ópticos mais comuns não afetam a polarização da luz, no entanto, alguns materiais - aqueles que exibem birrefringência , dicroísmo ou atividade óptica - afetam a luz de maneira diferente dependendo de sua polarização. Alguns deles são usados ​​para fazer filtros polarizadores. A luz também é parcialmente polarizada quando reflete de uma superfície.

De acordo com a mecânica quântica , as ondas eletromagnéticas também podem ser vistas como fluxos de partículas chamadas fótons . Quando vista dessa forma, a polarização de uma onda eletromagnética é determinada por uma propriedade mecânica quântica dos fótons chamada de spin . Um fóton tem um de dois giros possíveis: ele pode girar no sentido da mão direita ou no sentido da mão esquerda em relação à sua direção de viagem. As ondas eletromagnéticas polarizadas circularmente são compostas de fótons com apenas um tipo de spin, tanto para a direita quanto para a esquerda. Ondas linearmente polarizadas consistem em fótons que estão em uma superposição de estados polarizados circularmente à direita e à esquerda, com igual amplitude e fases sincronizadas para dar oscilação em um plano.

A polarização é um parâmetro importante nas áreas da ciência que lidam com ondas transversais, como ótica , sismologia , rádio e microondas . Especialmente impactadas são as tecnologias como lasers , telecomunicações sem fio e de fibra óptica e radar .

Introdução

Propagação e polarização de ondas

polarizado linear cruzado

A maioria das fontes de luz é classificada como incoerente e não polarizada (ou apenas "parcialmente polarizada") porque consiste em uma mistura aleatória de ondas com diferentes características espaciais, frequências (comprimentos de onda), fases e estados de polarização. No entanto, para compreender as ondas eletromagnéticas e a polarização em particular, é mais fácil considerar apenas as ondas planas coerentes ; são ondas sinusoidais de uma direção (ou vetor de onda ), frequência, fase e estado de polarização específicos. A caracterização de um sistema óptico em relação a uma onda plana com aqueles parâmetros dados pode então ser usada para prever sua resposta a um caso mais geral, uma vez que uma onda com qualquer estrutura espacial especificada pode ser decomposta em uma combinação de ondas planas (seu chamado espectro angular ). Estados incoerentes podem ser modelados estocasticamente como uma combinação ponderada de tais ondas não correlacionadas com alguma distribuição de frequências (seu espectro ), fases e polarizações.

Ondas eletromagnéticas transversais

Uma onda eletromagnética "polarizada verticalmente" de comprimento de onda λ tem seu vetor de campo elétrico E (vermelho) oscilando na direção vertical. O campo magnético B (ou H ) está sempre perpendicular a ele (azul) e ambos são perpendiculares à direção de propagação ( z ).

As ondas eletromagnéticas (como a luz), viajando no espaço livre ou outro meio não atenuante isotrópico homogêneo , são adequadamente descritas como ondas transversais , o que significa que o vetor de campo elétrico E e o campo magnético H de uma onda plana estão em direções perpendiculares a (ou "transversais "para) a direção de propagação da onda; E e H também são perpendiculares entre si. Por convenção, a direção de "polarização" de uma onda eletromagnética é dada por seu vetor de campo elétrico. Considerando uma onda plana monocromática de frequência óptica f (luz de comprimento de onda de vácuo λ tem uma frequência de f = c / λ onde c é a velocidade da luz), vamos tomar a direção de propagação como o eixo z . Sendo uma onda transversal os E e H campos devem então conter componentes apenas nas x e y instruções enquanto E z H = z = 0 . Usando a notação complexa (ou fasorial ), os campos elétricos e magnéticos físicos instantâneos são dados pelas partes reais das grandezas complexas que ocorrem nas seguintes equações. Em função do tempo t e da posição espacial z (uma vez que para uma onda plana na direção + z os campos não dependem de x ou y ), esses campos complexos podem ser escritos como:

e

onde λ = λ 0 / n é o comprimento de onda no meio (cujo índice de refração é n ) e T = 1 / f é o período da onda. Aqui e x , e y , h x e h y são números complexos. Na segunda forma mais compacta, como essas equações são normalmente expressas, esses fatores são descritos usando o número de onda e a frequência angular (ou "frequência em radianos") . Em uma formulação mais geral, com propagação não restrita à direção + z , a dependência espacial kz é substituída por onde é chamado de vetor de onda , cuja magnitude é o número de onda.

Assim, o que conduz vectores de e e h cada um conter até dois diferente de zero (complexos) componentes que descrevem a amplitude ea fase do da onda x e y componentes de polarização (mais uma vez, não pode haver z componente de polarização para uma onda transversal na + z direcção) . Para um determinado meio com uma impedância característica , h é relacionado a e por:

e

.

Em um dielétrico, η é real e tem o valor η 0 / n , onde n é o índice de refração e η 0 é a impedância do espaço livre. A impedância será complexa em um meio condutor. Observe que, dada essa relação, o produto escalar de E e H deve ser zero:

indicando que esses vetores são ortogonais (em ângulos retos entre si), como esperado.

Assim, conhecendo a direção de propagação (+ z neste caso) e η, pode-se também especificar a onda em termos de apenas e x e e y descrevendo o campo elétrico. O vetor contendo e x e e y (mas sem o componente z que é necessariamente zero para uma onda transversal) é conhecido como vetor de Jones . Além de especificar o estado de polarização da onda, um vetor geral de Jones também especifica a magnitude geral e a fase dessa onda. Especificamente, a intensidade da onda de luz é proporcional à soma das magnitudes quadradas dos dois componentes do campo elétrico:

entretanto, o estado de polarização da onda depende apenas da razão (complexa) de e y para e x . Portanto, consideremos apenas as ondas cujo | e x | 2 + | e y | 2 = 1 ; isso corresponde a uma intensidade de cerca de 0,00133 watts por metro quadrado no espaço livre (onde ). E uma vez que a fase absoluta de uma onda não é importante na discussão de seu estado de polarização, vamos estipular que a fase de e x é zero, em outras palavras e x é um número real enquanto e y pode ser complexo. Sob essas restrições, e x e e y podem ser representados da seguinte forma:

onde o estado de polarização é agora totalmente parametrizado pelo valor de Q (tal que −1 < Q <1) e a fase relativa .

Ondas não transversais

Além das ondas transversais, existem muitos movimentos de onda em que a oscilação não se limita a direções perpendiculares à direção de propagação. Esses casos estão muito além do escopo do presente artigo, que se concentra em ondas transversais (como a maioria das ondas eletromagnéticas em meios de comunicação em massa), no entanto, deve-se estar ciente dos casos em que a polarização de uma onda coerente não pode ser descrita simplesmente usando um vetor de Jones, como acabamos de fazer.

Apenas considerando as ondas eletromagnéticas, notamos que a discussão anterior se aplica estritamente a ondas planas em um meio não atenuante isotrópico homogêneo, enquanto que em um meio anisotrópico (como cristais birrefringentes, conforme discutido abaixo) o campo elétrico ou magnético pode ter tanto longitudinal quanto componentes transversais. Nesses casos, o deslocamento elétrico D e a densidade de fluxo magnético B ainda obedecem à geometria acima, mas devido à anisotropia na susceptibilidade elétrica (ou na permeabilidade magnética ), agora dada por um tensor , a direção de E (ou H ) pode diferir de aquele de D (ou B ). Mesmo em meios isotrópicos, as chamadas ondas não homogêneas podem ser lançadas em um meio cujo índice de refração tem uma parte imaginária significativa (ou " coeficiente de extinção "), como metais; esses campos também não são estritamente transversais. Ondas de superfície ou ondas que se propagam em um guia de ondas (como uma fibra óptica ) geralmente não são ondas transversais, mas podem ser descritas como um modo transversal elétrico ou magnético ou um modo híbrido.

Mesmo no espaço livre, os componentes do campo longitudinal podem ser gerados em regiões focais, onde a aproximação da onda plana é interrompida. Um exemplo extremo é a luz polarizada radial ou tangencialmente, em cujo foco o campo elétrico ou magnético, respectivamente, é inteiramente longitudinal (ao longo da direção de propagação).

Para ondas longitudinais , como ondas sonoras em fluidos , a direção da oscilação é, por definição, ao longo da direção de viagem, então a questão da polarização normalmente nem é mencionada. Por outro lado, as ondas sonoras em um sólido bruto podem ser tanto transversais quanto longitudinais, para um total de três componentes de polarização. Nesse caso, a polarização transversal está associada à direção da tensão de cisalhamento e deslocamento em direções perpendiculares à direção de propagação, enquanto a polarização longitudinal descreve a compressão do sólido e a vibração ao longo da direção de propagação. A propagação diferencial de polarizações transversais e longitudinais é importante em sismologia .

Estado de polarização

Oscilação do campo elétrico

A polarização é melhor compreendida considerando inicialmente apenas os estados de polarização puros e apenas uma onda senoidal coerente em alguma frequência óptica. O vector no diagrama adjacente pode descrever a oscilação do campo eléctrico emitido por um laser de modo único (cuja frequência de oscilação seria tipicamente de 10 a 15 vezes mais rápida). O campo oscila no plano xy , ao longo da página, com a onda se propagando na direção z , perpendicular à página. Os primeiros dois diagramas abaixo traçam o vetor do campo elétrico ao longo de um ciclo completo para polarização linear em duas orientações diferentes; cada um deles é considerado um estado distinto de polarização (SOP). Observe que a polarização linear em 45 ° também pode ser vista como a adição de uma onda polarizada horizontalmente linearmente (como na figura mais à esquerda) e uma onda polarizada verticalmente com a mesma amplitude na mesma fase .

Estado de polarização - polarização linear paralela ao eixo x.svg
Estado de polarização - polarização linear orientada a + 45deg.svg

Estado de polarização - Polarização elíptica direita A.svg

Estado de polarização - polarização circular direita.svg

Estado de polarização - polarização circular esquerda.svg

Animação mostrando quatro estados de polarização diferentes e três projeções ortogonais.
Uma onda polarizada circularmente como uma soma de dois componentes polarizados linearmente 90 ° fora de fase

Agora, se alguém introduzisse um deslocamento de fase entre os componentes de polarização horizontal e vertical, geralmente obteria polarização elíptica, como mostrado na terceira figura. Quando a mudança de fase é exatamente ± 90 °, então a polarização circular é produzida (quarto e quinto dígitos). Assim, a polarização circular é criada na prática, começando com a luz polarizada linearmente e empregando uma placa de um quarto de onda para introduzir tal mudança de fase. O resultado de dois desses componentes deslocados de fase em causar um vetor de campo elétrico em rotação é representado na animação à direita. Observe que a polarização circular ou elíptica pode envolver uma rotação do campo no sentido horário ou anti-horário. Eles correspondem a estados de polarização distintos, como as duas polarizações circulares mostradas acima.

Claro que a orientação dos x e y eixos usado nesta descrição é arbitrária. A escolha de um tal sistema e a visualização da elipse polarização de coordenadas em termos de x e y componentes de polarização, corresponde à definição do vector de Jones (abaixo), em termos daqueles base polarizações. Normalmente, escolher-se-ia eixos para atender a um problema específico, como x estar no plano de incidência. Uma vez que existem coeficientes de reflexão separados para as polarizações lineares e ortogonais ao plano de incidência ( polarizações p e s , veja abaixo), essa escolha simplifica muito o cálculo da reflexão de uma onda a partir de uma superfície.

Além disso, pode-se usar como funções básicas qualquer par de estados de polarização ortogonal , não apenas polarizações lineares. Por exemplo, escolher as polarizações circulares direita e esquerda como funções básicas simplifica a solução de problemas envolvendo birrefringência circular (atividade óptica) ou dicroísmo circular.

Elipse de polarização

Polarização ellipse2.svg

Considere uma onda monocromática puramente polarizada. Se fosse para traçar o vetor do campo elétrico ao longo de um ciclo de oscilação, uma elipse geralmente seria obtida, como é mostrado na figura, correspondendo a um estado particular de polarização elíptica . Observe que a polarização linear e a polarização circular podem ser vistas como casos especiais de polarização elíptica.

Um estado de polarização pode então ser descrito em relação aos parâmetros geométricos da elipse, e sua "lateralidade", isto é, se a rotação em torno da elipse é no sentido horário ou anti-horário. Uma parametrização da figura elíptica especifica o ângulo de orientação ψ , definido como o ângulo entre o eixo maior da elipse e o eixo x junto com a elipticidade ε  =  a / b , a razão entre os eixos maior e menor da elipse. (também conhecido como relação axial ). O parâmetro de elipticidade é uma parametrização alternativa da excentricidade de uma elipse ou do ângulo de elipticidade , conforme mostrado na figura. O ângulo χ também é significativo porque a latitude (ângulo do equador) do estado de polarização conforme representado na esfera de Poincaré (veja abaixo) é igual a ± 2 χ . Os casos especiais de polarização linear e circular correspondem a uma elipticidade ε de infinito e unidade (ou χ de zero e 45 °), respectivamente.

Vetor de Jones

Informações completas sobre um estado completamente polarizado também são fornecidas pela amplitude e fase das oscilações em dois componentes do vetor de campo elétrico no plano de polarização. Esta representação foi usada acima para mostrar como diferentes estados de polarização são possíveis. As informações de amplitude e fase podem ser convenientemente representadas como um vetor complexo bidimensional (o vetor de Jones ):

Aqui e denotam a amplitude da onda nas duas componentes do vetor campo elétrico, enquanto e representam as fases. O produto de um vetor de Jones com um número complexo de módulo de unidade fornece um vetor de Jones diferente que representa a mesma elipse e, portanto, o mesmo estado de polarização. O campo elétrico físico, como a parte real do vetor de Jones, seria alterado, mas o estado de polarização em si é independente da fase absoluta . Os vetores de base usados ​​para representar o vetor de Jones não precisam representar estados de polarização linear (ou seja, ser real ). Em geral, quaisquer dois estados ortogonais podem ser usados, onde um par de vetores ortogonais é formalmente definido como tendo um produto interno zero . Uma escolha comum são as polarizações circulares esquerda e direita, por exemplo, para modelar a propagação diferente de ondas em dois desses componentes em meio birrefringente circular (veja abaixo) ou caminhos de sinal de detectores coerentes sensíveis à polarização circular.

Quadro de coordenadas

Independentemente de se o estado de polarização é representado usando parâmetros geométricos ou vetores de Jones, implícita na parametrização está a orientação do quadro de coordenadas. Isso permite um certo grau de liberdade, ou seja, a rotação em torno da direção de propagação. Ao considerar a luz que está se propagando paralelamente à superfície da Terra, os termos polarização "horizontal" e "vertical" são freqüentemente usados, com o primeiro sendo associado ao primeiro componente do vetor de Jones, ou ângulo de azimute zero. Por outro lado, em astronomia, o sistema de coordenadas equatorial é geralmente usado em vez disso, com o azimute zero (ou ângulo de posição, como é mais comumente chamado em astronomia para evitar confusão com o sistema de coordenadas horizontal ) correspondendo ao norte direto.

designações s e p

Vectores electromagnéticos para , e com , juntamente com 3 projecções planas e uma superfície de deformação de campo eléctrico total. A luz é sempre s-polarizada no plano xy. é o ângulo polar de e é o ângulo azimutal de .

Outro sistema de coordenadas freqüentemente usado está relacionado ao plano de incidência . Este é o plano formado pela direção de propagação de entrada e o vetor perpendicular ao plano de uma interface, ou seja, o plano em que o raio viaja antes e depois da reflexão ou refração. O componente do campo elétrico paralelo a este plano é denominado semelhante a p (paralelo) e o componente perpendicular a este plano é denominado semelhante a s (de senkrecht , alemão para perpendicular). A luz polarizada com seu campo elétrico ao longo do plano de incidência é, portanto, denotada p-polarizada , enquanto a luz cujo campo elétrico é normal ao plano de incidência é chamada de s-polarizada . A polarização P é comumente referida como transversal magnética (TM) e também foi denominada pi-polarizada ou plano tangencial polarizado . A polarização S também é chamada de transversal-elétrica (TE), bem como polarizada sigma ou plano sagital polarizado .

Luz não polarizada e parcialmente polarizada

Definição

A luz natural, como a maioria das outras fontes comuns de luz visível, é incoerente : a radiação é produzida independentemente por um grande número de átomos ou moléculas cujas emissões não são correlacionadas e geralmente de polarizações aleatórias. Nesse caso, a luz é considerada não polarizada . Este termo é um tanto inexato, uma vez que em qualquer instante de tempo em um local há uma direção definida para os campos elétrico e magnético, no entanto, implica que a polarização muda tão rapidamente no tempo que não será medida ou relevante para o resultado de um experimento. Um assim chamado despolarizador atua sobre um feixe polarizado para criar um que está totalmente polarizado em todos os pontos, mas no qual a polarização varia tão rapidamente ao longo do feixe que pode ser ignorada nas aplicações pretendidas.

A luz não polarizada pode ser descrita como uma mistura de duas correntes polarizadas opostas independentes, cada uma com metade da intensidade. Diz-se que a luz está parcialmente polarizada quando há mais energia em um desses fluxos do que no outro. Em qualquer comprimento de onda particular, a luz parcialmente polarizada pode ser estatisticamente descrita como a superposição de um componente completamente não polarizado e um componente completamente polarizado. Pode-se então descrever a luz em termos do grau de polarização e dos parâmetros do componente polarizado. Esse componente polarizado pode ser descrito em termos de um vetor de Jones ou elipse de polarização, conforme detalhado acima. No entanto, para descrever também o grau de polarização, normalmente empregam-se os parâmetros de Stokes (veja abaixo) para especificar um estado de polarização parcial.

Motivação

A transmissão de ondas planas através de um meio homogêneo é totalmente descrita em termos de vetores de Jones e matrizes de Jones 2 × 2. Porém, na prática, há casos em que toda a luz não pode ser vista de maneira tão simples devido à falta de homogeneidade espacial ou à presença de ondas mutuamente incoerentes. A chamada despolarização, por exemplo, não pode ser descrita usando matrizes de Jones. Para esses casos, é comum usar uma matriz 4 × 4 que atua sobre o vetor 4 de Stokes. Essas matrizes foram usadas pela primeira vez por Paul Soleillet em 1929, embora tenham vindo a ser conhecidas como matrizes de Mueller . Embora toda matriz de Jones tenha uma matriz de Mueller, o inverso não é verdadeiro. As matrizes de Mueller são então usadas para descrever os efeitos de polarização observados do espalhamento de ondas de superfícies complexas ou conjuntos de partículas, como será agora apresentado.

Matriz de coerência

O vetor de Jones descreve perfeitamente o estado de polarização e fase de uma única onda monocromática, representando um estado puro de polarização conforme descrito acima. Porém, qualquer mistura de ondas de polarizações diferentes (ou mesmo de frequências diferentes) não corresponde a um vetor de Jones. Na chamada radiação parcialmente polarizada, os campos são estocásticos , e as variações e correlações entre os componentes do campo elétrico só podem ser descritas estatisticamente . Uma dessas representações é a matriz de coerência :

onde colchetes angulares denotam a média ao longo de muitos ciclos de onda. Várias variantes da matriz de coerência foram propostas: a matriz de coerência de Wiener e a matriz de coerência espectral de Richard Barakat medem a coerência de uma decomposição espectral do sinal, enquanto a matriz de coerência de Wolf calcula a média de todos os tempos / frequências.

A matriz de coerência contém todas as informações estatísticas de segunda ordem sobre a polarização. Essa matriz pode ser decomposta na soma de duas matrizes idempotentes , correspondentes aos autovetores da matriz de coerência, cada um representando um estado de polarização ortogonal ao outro. Uma decomposição alternativa é em componentes completamente polarizados (determinante zero) e não polarizados (matriz de identidade em escala). Em ambos os casos, a operação de somar os componentes corresponde à sobreposição incoerente de ondas dos dois componentes. Este último caso dá origem ao conceito de "grau de polarização"; isto é, a fração da intensidade total contribuída pelo componente completamente polarizado.

Parâmetros de Stokes

A matriz de coerência não é fácil de visualizar e, portanto, é comum descrever radiação incoerente ou parcialmente polarizada em termos de sua intensidade total ( I ), grau (fracionário) de polarização ( p ) e os parâmetros de forma da elipse de polarização. Uma descrição alternativa e matematicamente conveniente é dada pelos parâmetros de Stokes , introduzidos por George Gabriel Stokes em 1852. A relação dos parâmetros de Stokes com os parâmetros de elipse de intensidade e polarização é mostrada nas equações e na figura abaixo.

Aqui Ip , 2ψ e 2χ são as coordenadas esféricas do estado de polarização no espaço tridimensional dos últimos três parâmetros de Stokes. Observe os fatores de dois antes de ψ e χ correspondendo respectivamente aos fatos de que qualquer elipse de polarização é indistinguível de uma girada em 180 ° ou outra com os comprimentos de semieixo trocados acompanhados por uma rotação de 90 °. Os parâmetros de Stokes são por vezes denotada I , Q , U e V .

Os quatro parâmetros de Stokes são suficientes para descrever a polarização 2D de uma onda paraxial, mas não a polarização 3D de uma onda não paraxial geral ou um campo evanescente.

Esfera de Poincaré

Negligenciando o primeiro parâmetro de Stokes S 0 (ou I ), os três outros parâmetros de Stokes podem ser plotados diretamente em coordenadas cartesianas tridimensionais. Para uma determinada potência no componente polarizado dado por

o conjunto de todos os estados de polarização são então mapeados para pontos na superfície da chamada esfera de Poincaré (mas de raio P ), conforme mostrado no diagrama a seguir .

Esfera de Poincaré, sobre ou abaixo da qual os três parâmetros de Stokes [ S 1 , S 2 , S 3 ] (ou [ Q ,  U ,  V ]) são plotados em coordenadas cartesianas
Representação dos estados de polarização na esfera de Poincaré

Freqüentemente, a potência total do feixe não é de interesse, caso em que um vetor de Stokes normalizado é usado dividindo o vetor de Stokes pela intensidade total S 0 :

O vetor Stokes normalizado tem então potência unitária ( ) e os três parâmetros significativos de Stokes plotados em três dimensões estarão na esfera de Poincaré de raio unitário para estados de polarização pura (onde ). Estados parcialmente polarizados ficarão dentro da esfera de Poincaré a uma distância de da origem. Quando o componente não polarizado não é de interesse, o vetor Stokes pode ser posteriormente normalizado para obter

Quando plotado, esse ponto ficará na superfície da esfera de Poincaré de raio unitário e indicará o estado de polarização do componente polarizado.

Quaisquer dois pontos antípodas na esfera de Poincaré referem-se a estados de polarização ortogonal. A sobreposição entre quaisquer dois estados de polarização depende exclusivamente da distância entre suas localizações ao longo da esfera. Essa propriedade, que só pode ser verdadeira quando estados de polarização puros são mapeados em uma esfera, é a motivação para a invenção da esfera de Poincaré e o uso dos parâmetros de Stokes, que são assim plotados nela (ou abaixo).

Observe que o IEEE define RHCP e LHCP de forma oposta aos usados ​​por físicos. O padrão de antena IEEE 1979 mostrará o RHCP no pólo sul da esfera de Poincaré. O IEEE define RHCP usando a mão direita com o polegar apontando na direção de transmissão e os dedos mostrando a direção de rotação do campo E com o tempo. A justificativa para as convenções opostas usadas por físicos e engenheiros é que as observações astronômicas são sempre feitas com a onda de entrada viajando em direção ao observador, onde, como para a maioria dos engenheiros, eles devem estar atrás do transmissor observando a onda se afastando deles. Este artigo não está usando o padrão de antena IEEE 1979 e não está usando a convenção + t normalmente usada no trabalho do IEEE.

Implicações para reflexão e propagação

Polarização na propagação da onda

No vácuo , os componentes do campo elétrico se propagam à velocidade da luz , de modo que a fase da onda varia no espaço e no tempo, enquanto o estado de polarização não. Ou seja, o vetor de campo elétrico e de uma onda plana na direção + z segue:

onde k é o número de onda . Conforme observado acima, o campo elétrico instantâneo é a parte real do produto do vetor de Jones vezes o fator de fase . Quando uma onda eletromagnética interage com a matéria, sua propagação é alterada de acordo com o índice (complexo) de refração do material . Quando a parte real ou imaginária desse índice de refração é dependente do estado de polarização de uma onda, propriedades conhecidas como birrefringência e dicroísmo de polarização (ou diatenuação ), respectivamente, então o estado de polarização de uma onda geralmente será alterado.

Em tais meios, uma onda eletromagnética com qualquer estado de polarização pode ser decomposta em dois componentes polarizados ortogonalmente que encontram constantes de propagação diferentes . O efeito da propagação ao longo de um determinado caminho nesses dois componentes é mais facilmente caracterizado na forma de uma matriz de transformação 2 × 2 complexa J conhecida como matriz de Jones :

A matriz de Jones devido à passagem por um material transparente é dependente da distância de propagação, bem como da birrefringência. A birrefringência (assim como o índice de refração médio) geralmente será dispersiva , ou seja, variará em função da frequência óptica (comprimento de onda). No caso de materiais não birrefringentes, entretanto, a matriz 2 × 2 de Jones é a matriz identidade (multiplicada por um fator de fase escalar e fator de atenuação), implicando em nenhuma mudança na polarização durante a propagação.

Para efeitos de propagação em dois modos ortogonais, a matriz de Jones pode ser escrita como

onde g 1 e g 2 são números complexos que descrevem o atraso de fase e, possivelmente, a atenuação de amplitude devido à propagação em cada um dos dois modos próprios de polarização. T é uma matriz unitária que representa uma mudança de base desses modos de propagação para o sistema linear usado para os vetores de Jones; no caso de birrefringência ou diatenuação linear, os modos são eles próprios estados de polarização linear, então T e T −1 podem ser omitidos se os eixos coordenados foram escolhidos apropriadamente.

Birrefringência

Na mídia denominada birrefringente , em que as amplitudes permanecem inalteradas, mas ocorre um atraso de fase diferencial, a matriz de Jones é uma matriz unitária : | g 1 | = | g 2 | = 1. Meios denominados diattenuantes (ou dicróicos no sentido de polarização), em que apenas as amplitudes das duas polarizações são afetadas diferencialmente, podem ser descritos usando uma matriz Hermitiana (geralmente multiplicada por um fator de fase comum). Na verdade, uma vez que qualquer matriz pode ser escrita como o produto de matrizes hermitianas unitárias e positivas, a propagação da luz através de qualquer sequência de componentes ópticos dependentes de polarização pode ser escrita como o produto desses dois tipos básicos de transformações.

Padrão de cor de uma caixa de plástico mostrando birrefringência induzida por estresse quando colocada entre dois polarizadores cruzados .

Em meios birrefringentes não há atenuação, mas dois modos acumulam um atraso de fase diferencial. Manifestações bem conhecidas de birrefringência linear (isto é, nas quais as polarizações básicas são polarizações lineares ortogonais) aparecem em placas / retardadores de ondas ópticas e em muitos cristais. Se a luz polarizada linearmente passar por um material birrefringente, seu estado de polarização geralmente mudará, a menos que sua direção de polarização seja idêntica a uma dessas polarizações básicas. Uma vez que a mudança de fase e, portanto, a mudança no estado de polarização, é geralmente dependente do comprimento de onda, tais objetos vistos sob luz branca entre dois polarizadores podem dar origem a efeitos coloridos, como visto na fotografia anexa.

A birrefringência circular também é denominada atividade óptica , especialmente em fluidos quirais , ou rotação de Faraday , quando devido à presença de um campo magnético ao longo da direção de propagação. Quando a luz polarizada linearmente é passada através de tal objeto, ele sairá ainda polarizado linearmente, mas com o eixo de polarização girado. Uma combinação de birrefringência linear e circular terá como base polarizações duas polarizações elípticas ortogonais; entretanto, o termo "birrefringência elíptica" raramente é usado.

Caminhos percorridos por vetores na esfera de Poincaré sob birrefringência. Os modos de propagação (eixos de rotação) são mostrados com linhas vermelhas, azuis e amarelas, os vetores iniciais por linhas pretas grossas e os caminhos que eles tomam por elipses coloridas (que representam círculos em três dimensões).

Pode-se visualizar o caso de birrefringência linear (com dois modos de propagação linear ortogonal) com uma onda de entrada polarizada linearmente em um ângulo de 45 ° para esses modos. À medida que uma fase diferencial começa a se acumular, a polarização se torna elíptica, eventualmente mudando para polarização puramente circular (diferença de fase de 90 °), em seguida para polarização elíptica e eventualmente linear (fase de 180 °) perpendicular à polarização original e, em seguida, circular novamente (270 ° fase), então elíptico com o ângulo de azimute original e, finalmente, de volta ao estado polarizado linearmente original (fase 360 ​​°) onde o ciclo começa novamente. Em geral a situação é mais complicada e pode ser caracterizada como uma rotação na esfera de Poincaré em torno do eixo definido pelos modos de propagação. Exemplos de birrefringência linear (azul), circular (vermelho) e elíptica (amarelo) são mostrados na figura à esquerda. A intensidade total e o grau de polarização não são afetados. Se o comprimento do caminho no meio birrefringente for suficiente, os dois componentes de polarização de um feixe colimado (ou raio ) podem sair do material com um deslocamento posicional, mesmo que suas direções finais de propagação sejam as mesmas (assumindo a face de entrada e a face de saída são paralelos). Isso é comumente visto usando cristais de calcita , que apresentam ao observador duas imagens ligeiramente deslocadas, em polarizações opostas, de um objeto atrás do cristal. Foi esse efeito que proporcionou a primeira descoberta da polarização, por Erasmus Bartholinus em 1669.

Dicroísmo

Os meios nos quais a transmissão de um modo de polarização é preferencialmente reduzida são chamados de dicróicos ou diatenuantes . Como a birrefringência, a diatenuação pode ser em relação aos modos de polarização linear (em um cristal) ou modos de polarização circular (geralmente em um líquido).

Dispositivos que bloqueiam quase toda a radiação em um modo são conhecidos como filtros polarizadores ou simplesmente " polarizadores ". Isso corresponde ag 2 = 0 na representação acima da matriz de Jones. A saída de um polarizador ideal é um estado de polarização específico (geralmente polarização linear) com uma amplitude igual à amplitude original da onda de entrada naquele modo de polarização. A energia no outro modo de polarização é eliminada. Assim, se a luz não polarizada é passada através de um polarizador ideal (onde g 1 = 1 e g 2 = 0), exatamente a metade de sua potência inicial é retida. Polarizadores práticos, especialmente polarizadores de folha baratos, têm perda adicional de modo que g 1 < 1 . No entanto, em muitos casos, a figura de mérito mais relevante é o grau de polarização do polarizador ou razão de extinção , que envolve uma comparação de g 1 a g 2 . Uma vez que os vetores de Jones referem-se às amplitudes das ondas (ao invés da intensidade ), quando iluminados por luz não polarizada, a potência restante na polarização indesejada será ( g 2 / g 1 ) 2 da potência na polarização pretendida.

Reflexão especular

Além de birrefringência e dicroísmo em meios estendidos, os efeitos de polarização descritíveis usando matrizes de Jones também podem ocorrer na interface (reflexiva) entre dois materiais de diferentes índices de refração . Esses efeitos são tratados pelas equações de Fresnel . Parte da onda é transmitida e parte é refletida; para um dado material aquelas proporções (e também a fase de reflexão) são dependentes do ângulo de incidência e são diferentes para os s e p polarizações. Portanto, o estado de polarização da luz refletida (mesmo se inicialmente não polarizada) é geralmente alterado.

Uma pilha de placas no ângulo de Brewster em relação a um feixe reflete uma fração da luz s- polarizada em cada superfície, deixando (após muitas dessas placas) um feixe principalmente p- polarizado.

Qualquer luz atingindo uma superfície em um ângulo especial de incidência conhecido como ângulo de Brewster , onde o coeficiente de reflexão para a polarização p é zero, será refletida com apenas a s -polarização restante. Esse princípio é empregado no chamado "polarizador de pilha de placas" (ver figura), no qual parte da polarização s é removida por reflexão em cada superfície do ângulo de Brewster, restando apenas a polarização p após a transmissão por muitas dessas superfícies. O coeficiente de reflexão geralmente menor da polarização p também é a base dos óculos de sol polarizados ; ao bloquear a polarização s (horizontal), a maior parte do brilho devido ao reflexo de uma rua molhada, por exemplo, é removida.

No caso especial importante de reflexão na incidência normal (não envolvendo materiais anisotrópicos), não há polarização s ou p particular . Tanto a x e y componentes de polarização são reflectidos de forma idêntica, e, por conseguinte, a polarização da onda reflectida que é idêntica à da onda incidente. No entanto, no caso de polarização circular (ou elíptica), a lateralidade do estado de polarização é assim invertida, uma vez que, por convenção, isso é especificado em relação à direção de propagação. A rotação circular do campo elétrico em torno dos eixos xy, chamada de "destro" para uma onda na direção + z, é "canhota" para uma onda na direção -z . Mas, no caso geral de reflexão em um ângulo de incidência diferente de zero, essa generalização não pode ser feita. Por exemplo, a luz polarizada circularmente à direita refletida de uma superfície dielétrica em um ângulo rasante ainda será polarizada para a direita (mas elipticamente). A luz linear polarizada refletida de um metal em incidência não normal geralmente se tornará elipticamente polarizada. Estes casos são tratados utilizando vectores de Jones actuado por os diferentes coeficientes de Fresnel para os s e p componentes de polarização.

Técnicas de medição envolvendo polarização

Algumas técnicas de medição óptica são baseadas na polarização. Em muitas outras técnicas ópticas, a polarização é crucial ou pelo menos deve ser levada em consideração e controlada; esses exemplos são numerosos demais para serem mencionados.

Medição de estresse

Estresse em copos de plástico

Em engenharia , o fenômeno da birrefringência induzida por tensão permite que as tensões em materiais transparentes sejam prontamente observadas. Conforme observado acima e visto na fotografia que acompanha, a cromaticidade da birrefringência normalmente cria padrões coloridos quando vista entre dois polarizadores. Conforme as forças externas são aplicadas, a tensão interna induzida no material é observada. Além disso, a birrefringência é freqüentemente observada devido a tensões "congeladas" no momento da fabricação. Isso é notoriamente observado em fitas de celofane, cuja birrefringência se deve ao alongamento do material durante o processo de fabricação.

Elipsometria

A elipsometria é uma técnica poderosa para a medição das propriedades ópticas de uma superfície uniforme. Envolve a medição do estado de polarização da luz após a reflexão especular de tal superfície. Isso normalmente é feito em função do ângulo de incidência ou comprimento de onda (ou ambos). Visto que a elipsometria depende da reflexão, não é necessário que a amostra seja transparente à luz ou que seu lado posterior seja acessível.

A elipsometria pode ser usada para modelar o índice de refração (complexo) de uma superfície de um material a granel. Também é muito útil na determinação de parâmetros de uma ou mais camadas de filme fino depositadas em um substrato. Devido às suas propriedades de reflexão , não são apenas a magnitude prevista dos componentes de polarização p e s , mas seus deslocamentos de fase relativos na reflexão, em comparação com as medições usando um elipsômetro. Um elipsómetro normal não medir o coeficiente de reflexão real (que exige calibração fotométrica cuidadosa do feixe de iluminação), mas a proporção entre o P e s reflexões, bem como a mudança de elipticidade polarização (daí o nome) induzida após reflexão pelo ser superfície estudou. Além do uso na ciência e na pesquisa, os elipsômetros são usados in situ para controlar os processos de produção, por exemplo.

Geologia

Fotomicrografia de um grão de areia vulcânico ; a imagem superior é uma luz polarizada no plano, a imagem inferior é uma luz polarizada cruzada, a caixa de escala no centro esquerdo é de 0,25 milímetro.

A propriedade de birrefringência (linear) é difundida em minerais cristalinos e, de fato, foi fundamental na descoberta inicial da polarização. Na mineralogia , essa propriedade é frequentemente explorada em microscópios de polarização , com o objetivo de identificar minerais. Veja mineralogia óptica para mais detalhes.

As ondas sonoras em materiais sólidos exibem polarização. A propagação diferencial das três polarizações através da Terra é crucial no campo da sismologia . As ondas sísmicas polarizadas horizontal e verticalmente (ondas de cisalhamento ) são denominadas SH e SV, enquanto as ondas com polarização longitudinal ( ondas de compressão ) são denominadas ondas P.

Química

Vimos (acima) que a birrefringência de um tipo de cristal é útil para identificá-lo e, portanto, a detecção da birrefringência linear é especialmente útil em geologia e mineralogia . A luz linearmente polarizada geralmente tem seu estado de polarização alterado na transmissão através de tal cristal, fazendo-a se destacar quando vista entre dois polarizadores cruzados, como visto na fotografia acima. Da mesma forma, em química, a rotação dos eixos de polarização em uma solução líquida pode ser uma medida útil. Em um líquido, a birrefringência linear é impossível; no entanto, pode haver birrefringência circular quando uma molécula quiral está em solução. Quando os enantiômeros destros e canhotos de tal molécula estão presentes em números iguais (a chamada mistura racêmica ), então seus efeitos se cancelam. No entanto, quando há apenas um (ou a preponderância de um), como é mais frequentemente o caso para moléculas orgânicas , uma birrefringência circular líquida (ou atividade óptica ) é observada, revelando a magnitude desse desequilíbrio (ou a concentração da molécula em si, quando se pode presumir que apenas um enantiômero está presente). Isso é medido por meio de um polarímetro no qual a luz polarizada é passada por um tubo do líquido, no final do qual está outro polarizador que é girado para anular a transmissão da luz através dele.

Astronomia

Em muitas áreas da astronomia , o estudo da radiação eletromagnética polarizada do espaço sideral é de grande importância. Embora não seja geralmente um fator na radiação térmica das estrelas , a polarização também está presente na radiação de fontes astronômicas coerentes (por exemplo, masers de hidroxila ou metanol ) e fontes incoerentes, como os grandes lóbulos de rádio em galáxias ativas e radiação de rádio pulsar (que pode , é especulado, às vezes ser coerente), e também é imposto à luz das estrelas por espalhamento da poeira interestelar . Além de fornecer informações sobre fontes de radiação e espalhamento, a polarização também analisa o campo magnético interestelar por meio da rotação de Faraday . A polarização da radiação cósmica de fundo em micro-ondas está sendo usada para estudar a física do universo primordial. A radiação síncrotron é inerentemente polarizada. Foi sugerido que as fontes astronômicas causaram a quiralidade das moléculas biológicas na Terra.

Aplicações e exemplos

Óculos de sol polarizados

Efeito de um polarizador na reflexão de planícies lamacentas. Na imagem à esquerda, o polarizador orientado horizontalmente transmite preferencialmente esses reflexos; girar o polarizador em 90 ° (à direita) como alguém veria usando óculos de sol polarizados bloqueia quase toda a luz solar refletida especularmente .
Pode-se testar se os óculos de sol estão polarizados olhando através de dois pares, um perpendicular ao outro. Se ambos estiverem polarizados, toda a luz será bloqueada.

A luz não polarizada, após ser refletida por uma superfície especular (brilhante), geralmente obtém um certo grau de polarização. Esse fenômeno foi observado em 1808 pelo matemático Étienne-Louis Malus , que deu nome à lei de Malus . Óculos de sol polarizadores exploram esse efeito para reduzir o brilho dos reflexos de superfícies horizontais, notadamente a estrada à frente vista em um ângulo rasante.

Os usuários de óculos de sol polarizados observarão ocasionalmente efeitos de polarização inadvertidos, como efeitos birrefringentes dependentes da cor, por exemplo, em vidro temperado (por exemplo, janelas de carro) ou itens feitos de plástico transparente , em conjunto com a polarização natural por reflexão ou dispersão. A luz polarizada dos monitores LCD (veja abaixo) é muito visível quando estes são usados.

Polarização do céu e fotografia

Os efeitos de um filtro polarizador (imagem à direita) no céu em uma fotografia

A polarização é observada na luz do céu , pois isso se deve à luz do sol espalhada por aerossóis ao passar pela atmosfera terrestre . A luz dispersa produz o brilho e a cor em céus claros. Essa polarização parcial da luz espalhada pode ser usada para escurecer o céu em fotografias, aumentando o contraste. Esse efeito é mais fortemente observado em pontos do céu que formam um ângulo de 90 ° em relação ao sol. Filtros de polarização usam esses efeitos para otimizar os resultados da fotografia de cenas nas quais está envolvido o reflexo ou a dispersão pelo céu.

Franjas coloridas no Embassy Gardens Sky Pool quando visto através de um polarizador, devido à birrefringência induzida por estresse na claraboia

A polarização do céu foi usada para orientação na navegação. A bússola celeste Pfund foi usada na década de 1950 ao navegar perto dos pólos do campo magnético da Terra quando nem o sol nem as estrelas eram visíveis (por exemplo, sob a nuvem diurna ou crepúsculo ). Foi sugerido, de forma controversa, que os vikings exploraram um dispositivo semelhante (a " pedra do sol ") em suas extensas expedições através do Atlântico Norte nos séculos 9 a 11, antes da chegada da bússola magnética da Ásia à Europa no século 12 . Relacionado à bússola celeste está o " relógio polar ", inventado por Charles Wheatstone no final do século XIX.

Tecnologias de exibição

O princípio da tecnologia de display de cristal líquido (LCD) depende da rotação do eixo de polarização linear pela matriz de cristal líquido. A luz da luz de fundo (ou da camada reflexiva traseira, em dispositivos que não incluem ou que exigem uma luz de fundo) passa primeiro por uma folha de polarização linear. Essa luz polarizada passa pela camada de cristal líquido real, que pode ser organizada em pixels (para uma TV ou monitor de computador) ou em outro formato, como um display de sete segmentos ou um com símbolos personalizados para um produto específico. A camada de cristal líquido é produzida com uma quiralidade consistente para a direita (ou esquerda), consistindo essencialmente em minúsculas hélices . Isso causa birrefringência circular e é projetado para que haja uma rotação de 90 graus do estado de polarização linear. Porém, quando uma voltagem é aplicada em uma célula, as moléculas se endireitam, diminuindo ou perdendo totalmente a birrefringência circular. No lado de visualização da tela está outra folha de polarização linear, geralmente orientada a 90 graus daquela atrás da camada ativa. Portanto, quando a birrefringência circular é removida pela aplicação de uma voltagem suficiente, a polarização da luz transmitida permanece em ângulos retos com o polarizador frontal, e o pixel parece escuro. Sem tensão, no entanto, a rotação de 90 graus da polarização faz com que ela corresponda exatamente ao eixo do polarizador frontal, permitindo a passagem da luz. Tensões intermediárias criam rotação intermediária do eixo de polarização e o pixel tem uma intensidade intermediária. Os monitores baseados neste princípio são amplamente difundidos e agora são usados ​​na grande maioria das televisões, monitores de computador e projetores de vídeo, tornando a tecnologia CRT anterior essencialmente obsoleta. O uso de polarização na operação de telas LCD é imediatamente aparente para quem usa óculos de sol polarizados, muitas vezes tornando a tela ilegível.

Em um sentido totalmente diferente, a codificação de polarização tornou-se o método principal (mas não o único) para fornecer imagens separadas para o olho esquerdo e direito em monitores estereoscópicos usados ​​para filmes 3D . Isso envolve imagens separadas destinadas a cada olho projetadas de dois projetores diferentes com filtros de polarização ortogonalmente orientados ou, mais tipicamente, de um único projetor com polarização multiplexada no tempo (um dispositivo de polarização alternada rápida para quadros sucessivos). Óculos 3D polarizados com filtros de polarização adequados garantem que cada olho receba apenas a imagem desejada. Historicamente, esses sistemas usavam codificação de polarização linear porque era barata e oferecia boa separação. No entanto, a polarização circular torna a separação das duas imagens insensível à inclinação da cabeça, e é amplamente utilizada na exibição de filmes 3-D hoje, como o sistema da RealD . A projeção de tais imagens requer telas que mantenham a polarização da luz projetada quando vista em reflexão (como telas prateadas ); uma tela de projeção branca difusa normal causa despolarização das imagens projetadas, tornando-a inadequada para esta aplicação.

Embora agora obsoletos, os monitores CRT sofriam de reflexo pelo envoltório de vidro, causando reflexos das luzes do ambiente e, conseqüentemente, contraste pobre. Várias soluções anti-reflexo foram empregadas para amenizar esse problema. Uma solução utilizou o princípio de reflexão da luz polarizada circularmente. Um filtro polarizador circular na frente da tela permite a transmissão de (digamos) apenas luz ambiente polarizada circularmente. Agora, a luz polarizada circularmente (dependendo da convenção usada) tem sua direção de campo elétrico (e magnético) girando no sentido horário enquanto se propaga na direção + z. Após reflexão, o campo ainda tem o mesmo sentido de rotação, mas agora de propagação é na direcção -z fazendo a onda reflectida esquerda polarizada circularmente. Com o filtro de polarização circular correto colocado na frente do vidro refletivo, a luz indesejada refletida do vidro estará, portanto, em um estado de polarização muito bloqueado por aquele filtro, eliminando o problema de reflexão. A reversão da polarização circular na reflexão e eliminação de reflexos dessa maneira pode ser facilmente observada olhando-se em um espelho enquanto se usa óculos de cinema 3-D que empregam polarização circular para destros e canhotos nas duas lentes. Fechando um olho, o outro olho verá um reflexo no qual não pode ver a si mesmo; essa lente parece preta. Porém a outra lente (do olho fechado) terá a polarização circular correta permitindo que o olho fechado seja facilmente visto pelo aberto.

Transmissão e recepção de rádio

Todas as antenas de rádio (e microondas) usadas para transmissão ou recepção são intrinsecamente polarizadas. Eles transmitem em (ou recebem sinais de) uma polarização particular, sendo totalmente insensíveis à polarização oposta; em certos casos, essa polarização é uma função da direção. A maioria das antenas é nominalmente polarizada linearmente, mas a polarização elíptica e circular é uma possibilidade. Como é a convenção em óptica, a "polarização" de uma onda de rádio é entendida como referindo-se à polarização de seu campo elétrico, com o campo magnético estando em uma rotação de 90 graus em relação a ele para uma onda polarizada linearmente.

A grande maioria das antenas é polarizada linearmente. De fato, pode-se demonstrar, a partir de considerações de simetria, que uma antena que se encontra inteiramente em um plano que também inclui o observador, pode ter sua polarização na direção desse plano. Isso se aplica a muitos casos, permitindo inferir facilmente a polarização de tal antena em uma direção de propagação pretendida. Portanto, uma antena Yagi típica de telhado ou antena log-periódica com condutores horizontais, vista de uma segunda estação em direção ao horizonte, é necessariamente polarizada horizontalmente. Mas uma " antena chicote " vertical ou torre de transmissão AM usada como elemento de antena (novamente, para observadores deslocados horizontalmente dela) transmitirá na polarização vertical. Uma antena catraca com seus quatro braços no plano horizontal, da mesma forma, transmite radiação polarizada horizontalmente em direção ao horizonte. Porém, quando essa mesma antena catraca é usada no "modo axial" (para cima, para a mesma estrutura orientada horizontalmente) sua radiação é polarizada circularmente. Em elevações intermediárias, é elipticamente polarizado.

A polarização é importante nas comunicações de rádio porque, por exemplo, se alguém tentar usar uma antena polarizada horizontalmente para receber uma transmissão polarizada verticalmente, a força do sinal será substancialmente reduzida (ou sob condições muito controladas, reduzida a nada). Este princípio é usado na televisão por satélite para dobrar a capacidade do canal em uma banda de freqüência fixa. O mesmo canal de frequência pode ser usado para dois sinais transmitidos em polarizações opostas. Ajustando a antena receptora para uma ou outra polarização, qualquer sinal pode ser selecionado sem interferência do outro.

Principalmente devido à presença do solo , existem algumas diferenças na propagação (e também nos reflexos responsáveis ​​pelo fantasma da TV ) entre as polarizações horizontais e verticais. A transmissão de rádio AM e FM geralmente usa polarização vertical, enquanto a televisão usa polarização horizontal. Especialmente em baixas frequências, a polarização horizontal é evitada. Isso ocorre porque a fase de uma onda polarizada horizontalmente é revertida após a reflexão pelo solo. Uma estação distante na direção horizontal receberá tanto a onda direta quanto a refletida, que tendem a se cancelar. Este problema é evitado com a polarização vertical. A polarização também é importante na transmissão de pulsos de radar e recepção de reflexos de radar pela mesma antena ou por uma antena diferente. Por exemplo, o retrodifusão de pulsos de radar por gotas de chuva pode ser evitado usando a polarização circular. Assim como a reflexão especular da luz circularmente polarizada inverte a lateralidade da polarização, como discutido acima, o mesmo princípio se aplica ao espalhamento por objetos muito menores do que um comprimento de onda, como gotas de chuva. Por outro lado, a reflexão dessa onda por um objeto de metal irregular (como um avião) irá tipicamente introduzir uma mudança na polarização e recepção (parcial) da onda de retorno pela mesma antena.

O efeito dos elétrons livres na ionosfera , em conjunto com o campo magnético terrestre , causa a rotação de Faraday , uma espécie de birrefringência circular. Este é o mesmo mecanismo que pode girar o eixo de polarização linear por elétrons no espaço interestelar, conforme mencionado abaixo . A magnitude da rotação de Faraday causada por tal plasma é muito exagerada em frequências mais baixas, portanto, nas frequências de micro-ondas mais altas usadas pelos satélites, o efeito é mínimo. No entanto, as transmissões de ondas médias ou curtas recebidas após a refração pela ionosfera são fortemente afetadas. Uma vez que o caminho de uma onda através da ionosfera e o vetor do campo magnético da Terra ao longo de tal caminho são bastante imprevisíveis, uma onda transmitida com polarização vertical (ou horizontal) geralmente terá uma polarização resultante em uma orientação arbitrária no receptor.

Polarização circular através de uma janela de plástico de avião, 1989

Polarização e visão

Muitos animais são capazes de perceber alguns dos componentes da polarização da luz, por exemplo, luz linear polarizada horizontalmente. Isso geralmente é usado para fins de navegação, uma vez que a polarização linear da luz do céu é sempre perpendicular à direção do sol. Essa habilidade é muito comum entre os insetos , inclusive as abelhas , que usam essa informação para orientar suas danças comunicativas . A sensibilidade à polarização também foi observada em espécies de polvo , lula , choco e camarão mantis . No último caso, uma espécie mede todos os seis componentes ortogonais da polarização e acredita-se que tenha uma visão de polarização ideal. Os padrões de pele de choco com cores vivas, que mudam rapidamente, usados ​​para comunicação, também incorporam padrões de polarização, e o camarão mantis é conhecido por ter tecido reflexivo seletivo de polarização. A polarização do céu foi pensada para ser percebida pelos pombos , o que foi considerado um de seus auxiliares no retorno , mas pesquisas indicam que esse é um mito popular.

O olho humano nu é fracamente sensível à polarização, sem a necessidade de filtros intermediários. A luz polarizada cria um padrão muito tênue próximo ao centro do campo visual, chamado pincel de Haidinger . Esse padrão é muito difícil de ver, mas com a prática, pode-se aprender a detectar a luz polarizada a olho nu.

Momento angular usando polarização circular

É bem conhecido que a radiação eletromagnética carrega um certo momento linear na direção de propagação. Além disso, entretanto, a luz carrega um certo momento angular se for circularmente polarizada (ou parcialmente polarizada). Em comparação com frequências mais baixas, como microondas, a quantidade de momento angular na luz , mesmo de polarização circular pura, em comparação com o momento linear da mesma onda (ou pressão de radiação ) é muito pequena e difícil de medir. No entanto, foi utilizado em um experimento para atingir velocidades de até 600 milhões de rotações por minuto.

Veja também

Referências

Referências citadas

Referências gerais

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links externos