Поляризация волн

Поляриза́ция волн — явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

• несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
• анизотропность среды распространения волн;
• преломление и отражение на границе двух сред.

Основными являются два вида поляризации:

• линейная — колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне»;
• круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например, эллиптическая.

Зависимость мгновенных потенциалов при круговой поляризации

Линейная поляризация

Круговая поляризация

Эллиптическая поляризация

Практическое значение

Скорость распространения волны может зависеть от её поляризованности.

Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют.

Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.

Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним. В наземных линиях используют антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально, или вертикально располагать плоскость поляризации антенн. Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения.

Круговая поляризация света используется также в 3D-кинематографе, в технологии RealD 3D. Эта технология подобна IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы.

Поляризация частиц

Аналогичный эффект наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином. Состояние отдельной частицы в этом случае, вообще говоря, не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности. Для частицы со спином ½ (скажем, электрона) это эрмитова матрица 2×2 $\rho^a_b$ со следом 1:

$\!\rho_{ab} = \rho^\dagger_{ab} = \bar \rho_{ba}$

$\mathrm{tr}\, \rho^a_b = 1$

В общем случае она имеет вид

$\rho^a_b = {1\over 2}(\delta^a_b + 2 \hat{\mathbf{\sigma}^a_b} \bar{\mathbf{s}})$

Здесь $\hat{\mathbf{\sigma}} = (\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z)$ — вектор, составленный из матриц Паули, а $\bar{\mathbf{s}}$ — вектор среднего спина частицы. Величина

$\rho = 2 |\bar{\mathbf{s}}| = 2 \sqrt{s_x^2 + s_y^2 + s_z^2}$

называется степенью поляризации частицы. Это вещественное число $0<\rho<1.$ Значение $\rho =1$ соответствует полностью поляризованному пучку частиц, при этом

$\rho^a_b = \psi^a \otimes \psi^\dagger_b$

где $\psi$ — вектор состояния частицы. Фактически, полностью поляризованные частицы можно полностью описать вектором состояния.

См. также

• Поляризация электромагнитных волн
• Оптика

Литература

• Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 87. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)