Поляризация фотонов

Размещено на http://allbest.ru

Институт физико-технических проблем и материаловедения

Национальной академии наук Кыргызской Республики

Поляризация фотонов

Раимкулов Марат Нурдинович,

кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник.

Мы знаем, что электромагнитная волна может быть линейно поляризованной или эллиптически поляризованной, частный случай которой является круговая поляризация. Также свойствами поляризации являются поляризация по правому и по левому кругу. Разберем как можно описать эти свойства поляризации исходя из того факта, что электромагнитная волна это распространение фотонов, как квантов электромагнитной волны.

Линейно поляризованная электромагнитная волна

При линейно поляризованной электромагнитной волне, колебания вектора напряженности электрического поля осуществляется вдоль линии. Причем эта линия расположена в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения электромагнитной волны. Что это означает для нашего случая, основанного на описании поляризации с помощью фотонов имеющих структуру, приведенную на рисунке 1 [2. Раимкулов М.Н.]:

Рис. 1. Вероятные структуры фотонов

Ранее уже было отмечено, что напряженность магнитного вектора задается вращением вторичного вихря или, иначе говоря, плоскостью вращения первичных вихрей, вращающихся вдоль вторичного вихря (вдоль тора фотона), которые и создают магнитный вектор фотона [3. Раимкулов М.Н.] (Рис. 2):

Рис. 2. Плоскость вращения векторов магнитной и электрической индукции

Плоскость вектора напряженности магнитного поля перпендикулярна плоскости вектора напряженности электрического поля. В данном случае плоскость вектора напряженности электрического поля создают первичные вихри, которые вращаются перпендикулярно плоскости фотона (плоскости вторичного вихря). анализатор фотон поляризованный волна

Несложно понять для того, чтобы изменение вектора напряженности электрического (магнитного) поля происходило вдоль линии, фотон, а с ним и вектор напряженности электрического и магнитного поля, должны вращаться в плоскости поляризации, т.е. в плоскости, которая проходит через направление распространения электромагнитной волны и направление колебаний вектора напряженности электрического (магнитного) поля.

На рисунке 3 показана линейная поляризация в плоскости Z0Y. В этом случае, вектора напряженности электрического и магнитного поля (тор фотона) будет колебаться вдоль координаты Z, уменьшаясь в амплитуде (имеется в виду уменьшение величины проекции вектора E на ось Z) от положительного максимума до отрицательного минимума, т.е. от +1 до -1:

Рис. 3. Линейная поляризация в плоскости Z0Y

Именно такое понимание поляризации позволяет соотнести с фактом прохождения фотонов через анализаторы. Как мы помним, принцип действия поляризаторов и анализаторов основан на определенных структурах кристаллов, которые легко представить себе, если мы обратимся к поляризатору на основе параллельных проводящих проводов, которые использовались еще Г.Герцем [1. Литвинов О.С.] (Рис. 4):

Рис. 4. Поляризатор на основе параллельных проводящих проводах

Если мы представим себе подобный анализатор с узкими щелями между проводами, через которые проходит поток фотонов, поляризованных различным способом, то мы легко сможем понять, почему в каком-то случае фотоны проходят через анализатор, а в каком-то случае нет (Рис. 5). Видно, что если плоскость фотона (магнитный вектор), вследствие определенной поляризации параллельна проводам анализатора, то фотоны имеют возможность проходить сквозь данный анализатор (Рис. 5.а). Если плоскость фотона перпендикулярна проводам анализатора, то фотоны не способны проходить сквозь данный анализатор (Рис. 5.б):

Рис. 5. Принцип прохождения потока фотонов через анализатор:

а) вектор магнитного поля параллелен проводящим проводам; б) вектор магнитного поля перпендикулярен проводящим проводам.

Из рисунка 5 несложно догадаться, что прохождение или не прохождение потока фотонов через анализатор связаны с габаритами фотонов и расположением их плоскости по отношению к проводам анализатора.

Электромагнитная волна, поляризованная по кругу или эллипсу

При круговой поляризации фотон будет вращаться вдоль плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны. (Рис. 6). В данном случае вектор напряженности магнитного (и электрического) поля будет описывать круг в плоскости X0Z, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны вдоль оси Y:

Рис. 6. Круговая поляризация в плоскости Z0Y

Если вращение плоскости фотона будет происходить не перпендикулярно и не параллельно направлению распространения фотона, то проекция вектора напряженности на плоскость Z0Y будет давать эллипс (Рис.7):

Рис. 7. Эллиптическая поляризация

Во всех этих случаях поляризации вектор электрического поля (Рис. 2), который создается первичными вихрями, вращающимися перпендикулярно плоскости вторичных вихрей, будет перпендикулярен вектору магнитного поля и также будет описывать своим концом прямую, круг или эллипс.

Поляризация по правому и левому кругу

Если мы обратим внимание на вращение фотона при круговой поляризации, то не сложно заметить, что это вращение может осуществляться как в одну, так и в другую сторону (Рис. 6, Рис. 7), т.е. как почасовой стрелке, так и против часовой стрелки относительно распространения электромагнитной волны. Это вращение вправо или влево (вероятнее всего) и описывает механизм поляризации по правому или по левому кругу.

Рис. 8. Направление вращения плоскости поляризации, при линейно поляризованной волне

Это свойство поляризации обычно относят к круговой и эллиптической поляризации. Но следует отметить, что вращение в ту или иную сторону будет и у фотонов создающих линейную поляризацию, что также может оказывать влияние в тех или иных случаях и, следовательно, это вращение также необходимо учитывать (Рис. 8):

Идеальные и не идеальные поляризаторы

Разберем, почему поляризаторы могут быть совершенными (идеальными) и не совершенными. Как мы помним, идеальный поляризатор полностью поглощает электромагнитную волну, у которой вектор электрического поля параллелен проводящим полоскам поляризатора.

Для того чтобы понять почему поляризатор пропускает или не пропускает электромагнитную волну (фотоны) в зависимости от плоскости поляризации обратимся к рисунку (Рис. 5).

Видим, что если фотоны подлетают к поляризатору таким образом, что их вектор магнитного поля (плоскость фотона) параллельна проводящим проводам, то фотоны способны пролететь сквозь провода. Если вектор магнитного поля (плоскость фотона) перпендикулярен проводящим проводам, то фотоны не способны пролететь сквозь провода. Это связано с диаметром фотонов и расстоянием между проводами h. Также, как мы понимаем, у фотонов кроме величины диаметра есть и толщина.

Таким образом, для качественной работы поляризатора расстояние между проводами (или внутренними структурами кристаллов поляризатора) должно быть больше толщины фотонов и меньше диаметров фотонов. Только в этом случае поляризаторы будут отсеивать фотоны в зависимости от их поляризации. И чем меньше верхняя граница (расстояние между проводами) тем качественнее поляризаторы.

Это значит, что у качественных поляризаторов расстояние между проводами (или внутренними структурами кристаллов) должно всего чуть-чуть превышать толщину фотонов.

Только в этом случае будет проходить поток фотонов, строго поляризованный относительно проводов (структуры) поляризатора, не пропуская фотоны с иной поляризацией.

Выводы

Исходя из выше изложенного, мы можем отметить, что:

1. Поляризация - это ни что иное как упорядоченное вращение плоскости фотонов.

2. Линейная, круговая или эллиптическая поляризация зависят от плоскости вращения векторов магнитной и электрической индукции фотонов относительно направления их распространения.

3. Поляризация по правому и левому кругу зависит от направления вращения плоскости фотона, в правую или левую сторону, относительно направления их распространения.

Литература

1. Литвинов О.С., Павлов К.Б., Горелик В.С. Электромагнитные волны и оптика. Электронное учебное пособие: Физика в техническом университете. Том. 4, глава 8.М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002 г. [Электронный ресурс] / О.С.Литвинов, К.Б.Павлов, В.С.Горелик - Режим доступа: http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom4/ch8/texthtml/ch8_1.htm.

2. Раимкулов М.Н. Фотоны и структура элементарных частиц. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов г.Курск (Россия) № 2, 2014, с.304-312.

3. Раимкулов М.Н. Структура элементарных частиц и ее связь с фундаментальными силами // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, г.Курск (Россия) № 3, 2016, с.109-121.

Размещено на Allbest.ru