Новости

Mar 25, 2023

Руководство астробитов по поляриметрии

Брайли Льюис | 23 октября 2022 г. | Путеводители | 0 комментариев Автор: Брайли Льюис Краткое описание

Брайли Льюис | 23 октября 2022 г. | Путеводители | 0 комментариев

Брайли Льюис

Краткое введение в поляризованный свет

Свет — это электромагнитная волна, и его электрическое поле не всегда ориентировано в одном направлении. Ориентация электрического поля света определяет его «состояние поляризации». В этом руководстве мы поговорим о том, что такое поляризация, как она создается космосом и как мы можем ее наблюдать.

Мы разделяем поляризацию на три основные категории: неполяризованный свет, линейно поляризованный свет и эллиптически поляризованный свет. Неполяризованный свет (он же естественный свет) лучше описать как случайно поляризованный свет; то есть многие источники света представляют собой совокупность излучателей, в которых поляризация излучаемого света меняется очень часто и случайным образом. Это одна крайность, и часто свет каким-то образом частично поляризован. Линейно поляризованный свет имеет постоянную ориентацию электрического поля (хотя величина волны может все еще меняться). Эллиптически поляризованный свет имеет электрическое поле, вектор которого вращается, описывая эллипс. Одним из таких случаев является свет с круговой поляризацией, когда направления x и y имеют одинаковую величину. Некоторые из таких случаев показаны на рисунке ниже.

Мы можем описать поляризацию математически, используя матрицы. Векторы Стокса (также известные как параметры Стокса) — полезный способ сделать это. Существует четыре параметра: I, Q, U и V. I — общая интенсивность, Q описывает линейную поляризацию (горизонтальную или вертикальную, в зависимости от знака), а U описывает поляризацию во втором наборе ортогональных осей (+/- 45 градусов), а V описывает эллиптическую поляризацию (правостороннюю, если >0, левостороннюю<0). Они определяются следующим образом:

Для полностью поляризованного света I2 = Q2 + U2 + V2. Для частично поляризованной системы степень поляризации определяется как P = (Q2 + U2 + V2)½ / I. См. Таблицу 8.5 от Хехта, где приведен наглядный пример векторов Стокса для различных состояний поляризации. Аналогично, действия различных поляризаторов над векторами Стокса можно описать матрицами Мюллера.

Что во Вселенной создает поляризованный свет?

На поляризацию могут влиять дихроизм, отражение, рассеяние или двойное лучепреломление (подробнее о дихроизме и двойном лучепреломлении в следующем разделе!), а также другие электромагнитные эффекты. Некоторые радиационные процессы, такие как синхротронное излучение, также естественным образом производят поляризованный свет.

Свет может быть поляризован путем рассеяния из-за взаимодействия с электронами. Для неполяризованного падающего света свет, рассеянный вдоль оси падения, не изменится, а свет, рассеянный под ортогональными (90 градусов) углами, будет линейно поляризованным. Рассеяние может быть более сложным в зависимости от размера частицы относительно длины волны света: рассеяние Рэлея описывает то, что происходит, когда частицы намного меньше длины волны, а рассеяние Ми описывает рассеяние в более общем смысле.

Свет также можно поляризовать путем отражения от диэлектрической среды, где только один компонент входящей поляризации будет отражаться, а другой преломляться. Закон Брюстера описывает угол, при котором отраженный луч будет полностью поляризован, а отклонения от этого угла будут поляризованы частично.

Некоторые примеры ситуаций, которые создают поляризованный свет в астрономии:

Как измерить поляризацию?

Чтобы выяснить, какая часть входящего света поляризована, нам нужно использовать своего рода поляризатор — фильтр, который разделяет свет на его компоненты или пропускает только определенную поляризацию света. Как говорит Хехт в своем учебнике по оптике, для того, чтобы поляризаторы работали, «должна быть какая-то асимметрия, связанная с этим процессом».

Некоторые поляризаторы используют дихроизм, при котором избирательно поглощается только одно состояние поляризации, а другое ортогональное состояние поляризации проходит нормально. Некоторые кристаллы естественно дихроичны, как и фильтры Polaroid. Еще одним широко используемым эффектом является двойное лучепреломление, означающее, что вещество имеет разные показатели преломления из-за расположения атомов внутри него. Некоторые кристаллы с двойным лучепреломлением могут расщеплять свет на состояния ортогональной поляризации. Полезным примером в астрономии является призма Волластона, которая во многих инструментах служит поляризационным светоделителем.