Polarización circular

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En electrodinámica , la polarización circular o, de lo contrario , la polarización circular de la radiación electromagnética es uno de los estados de polarización , en el que el vector de campo eléctrico E en cada punto del campo electromagnético de la onda tiene un valor constante, pero su dirección gira a una velocidad constante. en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

La polarización circular se puede considerar como un caso especial del concepto más general de polarización elíptica , cuando los extremos de los vectores E y H del campo eléctrico y el campo magnético de una onda electromagnética describen elipses durante la rotación. La polarización elíptica ocurre cuando se agregan dos oscilaciones polarizadas linealmente perpendiculares entre sí con diferentes amplitudes y diferencias de fase. Desde este punto de vista, la polarización lineal también puede considerarse como otro caso especial limitante de la polarización elíptica .

Descripción general

En el caso de una onda polarizada circularmente, como se muestra en la animación adjunta, el vértice del vector de campo eléctrico en un punto dado del espacio describe un círculo en el tiempo. Con el tiempo, la parte superior del vector de campo eléctrico de la onda se mueve en espiral, orientada a lo largo de la dirección de propagación de la onda electromagnética.

Una onda polarizada circularmente puede rotar en una de dos direcciones posibles: polarización circular derecha, en la cual el vector de campo eléctrico rota a la derecha con respecto a la dirección de propagación, y polarización circular izquierda, en la cual el vector rota a la izquierda.

Conversión de polarización circular a polarización lineal y viceversa

La luz con polarización circular se puede convertir en luz con polarización lineal pasándola a través de una placa de cuarto de onda . El paso de luz polarizada linealmente a través de una placa de cuarto de onda con ejes a 45° con respecto al eje de polarización la convierte en polarización circular. Esta es la forma más común de obtener polarización circular en la práctica. Cabe señalar que el paso de luz polarizada linealmente a través de una placa de un cuarto de onda en un ángulo distinto de 45° suele dar como resultado una polarización elíptica.

Acerca de los términos

Se considera que el campo está polarizado circularmente a la derecha si, desde el punto de vista de la fuente que mira en la misma dirección que la dirección de propagación de la onda, el vector de campo eléctrico E gira en el sentido de las agujas del reloj. La segunda animación es una ilustración de polarización circular zurda (rotación en sentido antihorario del vector de campo eléctrico E ) usando la misma regla. Esta definición sigue el estándar del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y, por lo tanto, se usa comúnmente en la comunidad de ingenieros [1] [2] [3] . Los radioastrónomos también usan esta definición de acuerdo con la resolución de la Unión Astronómica Internacional (IAU) adoptada en 1973 [4] En la literatura óptica se usa a menudo una definición alternativa, cuando la dirección de rotación del vector de polarización se considera desde el punto de vista del receptor [5] [6] Esta definición también se utiliza en los trabajos de los miembros de la asociación internacional de científicos e ingenieros en el campo de la óptica y la fotónica - la Sociedad de Óptica y Fotónica (SPIE). [7] En muchos libros de texto de física dedicados a la óptica, se utiliza la segunda definición, cuando la luz se describe desde el punto de vista del receptor [8] [5] . Para evitar confusiones, al hablar de temas de polarización, se recomienda indicar "definido desde el punto de vista de la fuente" o "definido desde el punto de vista del receptor".

Dicroísmo

Se sabe que la luz con polarización circular izquierda y derecha se absorbe de manera diferente cuando pasa a través de soluciones de moléculas ópticamente activas. Este fenómeno de absorción diferencial de la luz se denomina dicroísmo circular o dicroísmo circular . El dicroísmo circular es la base de una forma de espectroscopia que se utiliza para determinar la isomería óptica y la estructura secundaria de las moléculas. El dicroísmo circular aparece en la mayoría de las moléculas biológicas debido a las moléculas dextrorrotatorias (por ejemplo, algunos azúcares) y levorrotatorias (por ejemplo, algunos aminoácidos) que contienen. También es digno de mención que la estructura secundaria de las moléculas biológicas también creará un dicroísmo circular separado para sus respectivas moléculas. Por lo tanto, la hélice alfa , la hoja beta y las regiones de espirales aleatorias de las proteínas y la doble hélice los ácidos nucleicos tienen manifestaciones características de dicroísmo circular de señales espectrales que caracterizan sus estructuras.

Además, en condiciones elegidas adecuadamente, incluso las moléculas no quirales , es decir, las moléculas con simetría especular perfecta, exhibirán dicroísmo circular magnético inducido por un campo magnético.

Luminiscencia

La luminiscencia polarizada circularmente puede ocurrir cuando un fósforo o conjunto de fósforos es quiral . El grado de polarización de la radiación se cuantifica de la misma manera que para el dicroísmo circular , en términos del factor de disimetría , también llamado a veces factor de anisotropía . Se define como:

g_{em}\ =\ 2\left({\theta_{\mathrm {izquierda} }-\theta_{\mathrm {derecha}} \over \theta_{\mathrm {izquierda} }+\ theta _{\mathrm {derecha} }}\derecha)

donde corresponde al rendimiento cuántico de luz con polarización circular izquierda, y para luz de polarización circular derecha. $\theta _{\mathrm {izquierda} }$ ${\ estilo de visualización \ theta _ {\ mathrm {derecha}}}$

Así, el valor absoluto máximo de g em correspondiente a polarizaciones circulares puras izquierda o derecha pura es 2. Mientras tanto, el valor absoluto más pequeño que puede alcanzar g em , correspondiente a luz linealmente polarizada o no polarizada, es cero.

Descripción matemática

La solución clásica de la ecuación de ondas electromagnéticas , es decir, la ecuación que describe la propagación de ondas electromagnéticas a través de un medio o en el vacío, para el caso de una onda sinusoidal plana para campos eléctricos y magnéticos es

{\begin{alineado}\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)&={\sombrero {\mathbf {z} }}\times \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)\end{alineado}}

donde k es el número de onda ,

{\ estilo de visualización \ omega = ck}

es la frecuencia angular de la onda, una matriz ortogonal cuyas columnas definen el plano transversal xy, y es la velocidad de la luz . $\mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} )),{\hat {\mathbf {y} }}\right]$ ${\ estilo de visualización 2 \ veces 2}$ $C$

Aquí

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

es la amplitud del campo y

|\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}}

el vector de Jones normalizado en el plano xy. Si gira un radián con respecto a , y la amplitud x es igual a la amplitud y, en la que la onda tiene polarización circular. El vector de Jones tiene la forma ${\ estilo de visualización \ alfa _ {y}}$ ${\ estilo de visualización \ pi /2}$ ${\ estilo de visualización \ alfa _ {x}}$

|\psi \rangle ={1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\\pm i\end{pmatrix}}\exp \left(i\alpha _{x) }\Correcto)

donde el signo más indica polarización circular izquierda y el signo menos indica polarización circular derecha. En el caso de polarización circular, el vector de campo eléctrico de magnitud constante gira en el plano xy.

Si los vectores base se definen de manera que

|R\rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\-i\end{pmatrix }}

|L\rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\i\end{pmatrix} }

entonces el estado de polarización se puede escribir en la "base RL" como

|\psi \rangle =\psi _{R}|R\rangle +\psi _{L}|L\rangle

dónde

{\begin{alineado}\psi _{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 _{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{alineado}}

{\ estilo de visualización \ delta = \ alfa _ {y} - \ alfa _ {x}.}

Polarización circular en la naturaleza

Solo se conocen unos pocos mecanismos en la naturaleza que producen sistemáticamente luz polarizada circularmente. En 1911, Albert Michelson descubrió que la luz reflejada por el escarabajo dorado Chrysina resplendens era predominantemente zurda. Desde entonces, la polarización circular se ha encontrado en varios otros escarabajos , como Chrysina gloriosa , [9] así como en algunos crustáceos , como el camarón mantis . En estos casos, el principal mecanismo es la helicidad de la cutícula quitinosa a nivel molecular. [10] .

La bioluminiscencia de las larvas de luciérnaga también está polarizada circularmente, como se informó en 1980 para las especies Photuris lucicrescens y Photuris versicolor . Para las luciérnagas, es más difícil encontrar una explicación microscópica para la polarización porque se ha descubierto que las linternas izquierda y derecha de las larvas emiten luz polarizada de rotación opuesta. Los autores plantean la hipótesis de que la luz polarizada linealmente se emite inicialmente debido a la falta de homogeneidad dentro de los fotocitos alineados , y se polariza circularmente , pasando a través del tejido con birrefringencia lineal. [once]

Las interfaces agua-aire son otra fuente de polarización circular. La luz del sol que es dispersada por la superficie está polarizada linealmente. Si esta luz se refleja completamente internamente hacia abajo, su componente vertical sufre un cambio de fase. Por lo tanto, para un observador submarino que mira hacia arriba, la débil luz de la ventana de Snell está parcialmente polarizada circularmente. [12]

Las fuentes más débiles de polarización circular en la naturaleza incluyen la dispersión múltiple por polarizadores lineales, como la luz estelar polarizada circularmente, y la absorción selectiva por medios circularmente dicroicos .

Se informa que dos especies de camarones mantis pueden detectar luz polarizada circularmente. [13] [14]

Véase también

polarización de onda
polarizador
quiralidad
cinematografía estéreo
Plato ondulado
Soluciones de onda plana sinusoidal de la ecuación de onda electromagnética
Polarización de fotones

Literatura

Landsberg G.S. - Ed. 6. estéreo.. - M .: Fizmatlit , 2003. - 848 p. — ISBN 5-9221-0314-8 . .
Born M. , Wolf E. Fundamentos de la óptica. ed. 2do. - M. : "Nauka" , 1973. - 720 p.
Diccionario enciclopédico físico. — M .: Enciclopedia soviética , 1984.

Enlaces

↑ IEEE Std 149-1979 (R2008), "Procedimientos de prueba estándar IEEE para antenas". Reafirmado el 10 de diciembre de 2008, Aprobado el 15 de diciembre de 1977, IEEE-SA Standards Board. Aprobado el 9 de octubre de 2003, American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109/IEEEESTD.1979.120310 , sec. 11.1, pág. 61. "el sentido de polarización, o lateralidad... se llama diestro (zurdo) si la dirección de rotación es en el sentido de las agujas del reloj (en sentido contrario a las agujas del reloj) para un observador que mira en la dirección de propagación"
↑ Electromagnetic Waves & Antennas – SJ Orfanidis: Nota al pie p.45, "la mayoría de los textos de ingeniería usan la convención IEEE y la mayoría de los textos de física, la convención opuesta".
↑ Ondas electromagnéticas y antenas – SJ Orfanidis Pág. 44 "Dobla los dedos de tu mano izquierda y derecha en un puño y apunta ambos pulgares hacia la dirección de propagación"
↑ Reunión de la Asamblea General de la IAU, 1973, Comisión 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. DEFINICIONES DE POLARIZACIÓN -- "Se convocó un grupo de trabajo presidido por Westerhout para discutir la definición de temperaturas de brillo de polarización utilizadas en la descripción de objetos polarizados extendidos y la La siguiente resolución fue adoptada por las Comisiones 25 y 40: 'RESUELTO, que el marco de referencia para los parámetros de Stokes es el de Ascensión Recta y Declinación con el ángulo de posición del vector eléctrico máximo, q, comenzando desde el Norte y aumentando hacia el Este. La polarización elíptica se define de conformidad con las definiciones del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE Standard 211, 1969). medida en un punto fijo en el espacio, aumenta con el tiempo, se describe como dextrógira y positiva.'"
↑ 1 2 Polarización en líneas espectrales. 2004 E. Landi Degl'innocenti, M Landolfi Sección 1.2 "Cuando... la punta del vector de campo eléctrico gira en el sentido de las agujas del reloj para un observador que mira hacia la fuente de radiación,... (se considerará)... positivo (o diestro ) circularización polar, Nuestra convención, ... concuerda con las propuestas en los libros de texto clásicos sobre luz polarizada de Shurcliff (1952) y de Clarke y Grainger (1971) astrónomos que trabajan en el campo de la polarimetría Muchos radioastrónomos, por otro lado , use la convención opuesta [1] Archivado el 15 de abril de 2021 en Wayback Machine .
↑ MANUAL DE ÓPTICA Volumen I, Dispositivos, medidas y propiedades, Michael Bass Página 272 Nota al pie: "La luz polarizada circularmente a la derecha se define como una rotación en el sentido de las agujas del reloj del vector eléctrico cuando el observador mira en contra de la dirección en la que viaja la onda".
↑ La elipse de polarización . spie.org . Consultado el 13 de abril de 2018. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2018. (indefinido)
↑ Lectures on Physics Feynman (Vol. 1, ch.33-1) "Si el final del vector eléctrico, cuando lo miramos cuando la luz viene directamente hacia nosotros, gira en sentido contrario a las agujas del reloj, lo llamamos ... Nuestra convención para etiquetar la polarización circular izquierda y derecha es consistente con la que se usa hoy en día para todas las demás partículas en física que exhiben polarización (por ejemplo, electrones). En los libros de óptica se usan las convenciones opuestas, así que hay que tener cuidado".
↑ Srinivasarao, Mohan; Parque, Jung Ok; Crne, Matija; Sharma, Vivek. Origen estructural de la iridiscencia polarizada circularmente en escarabajos enjoyados // Ciencia: revista. - 2009. - 24 de julio ( vol. 325 , n.º 5939 ). - Pág. 449-451 . -doi : 10.1126 / ciencia.1172051 . —PMID 19628862 .
↑ Hegedüs, Ramón; Győző Szelb; Gabor Horvath. Polarimetría de imágenes de la cutícula de polarización circular de escarabajos (Coleoptera: Rutelidae, Cetoniidae ) // Vision Research : diario. - 2006. - Septiembre ( vol. 46 , no. 17 ). - Pág. 2786-2797 . -doi : 10.1016/ j.visres.2006.02.007 . —PMID 16564066 . Archivado desde el original el 21 de julio de 2011.
↑ Wynberg, Hans; Meijer, E.W.; Hummelen, JC; Dekkers, HPJM; Schippers, PH; Carlson, AD Polarización circular observada en bioluminiscencia // Naturaleza . - 1980. - 7 agosto ( vol. 286 , n. 5773 ). - Pág. 641-642 . -doi : 10.1038/ 286641a0 . — . Archivado desde el original el 24 de julio de 2011.
↑ Horvath, Gabor; Dezso Varju. Luz polarizada en la visión animal : patrones de polarización en la naturaleza . - Springer, 2003. - Pág. 100-103. - ISBN 978-3-540-40457-6 .
↑ Tsyr-Huei Chiou; Sonja Kleinlogel; Tom Cronin; Roy Caldwell; Birte Löffler; Afsheen Siddiqi; Alan Goldizen; Justin Marshall. Visión de polarización circular en un crustáceo estomatópodo // Biología actual . - Cell Press , 2008. - Vol. 18 , núm. 6 _ - Pág. 429-434 . -doi : 10.1016 / j.cub.2008.02.066 . — PMID 18356053 .
↑ Sonja Kleinlogel; Andrés Blanco. El mundo secreto de los camarones: la mejor visión de la polarización (inglés) // PLOS One : diario. - 2008. - Vol. 3 , núm. 5 . —P.e2190 . _ doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . - . -arXiv : 0804.2162 . _ —PMID 18478095 .

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