Polarisation circulaire - Circular polarization

Les vecteurs de champ électrique d'une onde électromagnétique polarisée circulairement. Cette onde est polarisée circulairement à droite, puisque le sens de rotation du vecteur est lié par la règle de la main droite à la direction dans laquelle l'onde se déplace ; ou polarisé circulairement à gauche selon une convention alternative.

En électrodynamique , la polarisation circulaire d'une onde électromagnétique est un état de polarisation dans lequel, en chaque point, le champ électromagnétique de l'onde a une amplitude constante et tourne à une vitesse constante dans un plan perpendiculaire à la direction de l'onde.

En électrodynamique, la force et la direction d'un champ électrique sont définies par son vecteur de champ électrique. Dans le cas d'une onde polarisée circulairement, comme on le voit dans l'animation qui l'accompagne, la pointe du vecteur champ électrique , en un point donné de l'espace, se rapporte à la phase de la lumière lors de son voyage dans le temps et l'espace. A tout instant, le vecteur champ électrique de l'onde indique un point d'une hélice orienté suivant la direction de propagation. Une onde à polarisation circulaire peut tourner dans l' un des deux sens possibles: dans le sens horaire ou une polarisation circulaire à droite (RHCP) , dans lequel la rotation électrique de vecteur de champ dans une main droite sens par rapport à la direction de propagation, et dans le sens antihoraire ou gauche -polarisation circulaire manuelle (LHCP) dans laquelle le vecteur tourne dans le sens gauche .

La polarisation circulaire est un cas limite de polarisation elliptique . L'autre cas particulier est la polarisation linéaire plus facile à comprendre .

Le phénomène de polarisation résulte du fait que la lumière se comporte comme une onde transversale bidimensionnelle .

La polarisation circulaire se produit lorsque les deux vecteurs de composantes de champ électrique orthogonal sont de même magnitude et sont déphasés d'exactement 90°, ou d'un quart de longueur d'onde.

Description générale

Lumière polarisée circulairement à droite/à droite affichée avec et sans l'utilisation de composants. Cela serait considéré comme polarisé circulairement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre s'il était défini du point de vue de la source plutôt que du récepteur. Reportez-vous à la section des conventions ci-dessous .

Sur la droite se trouve une illustration des vecteurs de champ électrique d'une onde électromagnétique polarisée circulairement. Les vecteurs de champ électrique individuels, ainsi que leur vecteur combiné, ont une amplitude constante et avec un angle de phase changeant. Étant donné qu'il s'agit d'une onde plane , chaque vecteur représente l'amplitude et la direction du champ électrique pour un plan entier perpendiculaire à l'axe optique. Plus précisément, étant donné qu'il s'agit d'une onde plane polarisée circulairement , ces vecteurs indiquent que le champ électrique, d'un plan à l'autre, a une intensité constante tandis que sa direction tourne régulièrement. Référez-vous à ces deux images dans l'article sur les ondes planes pour mieux apprécier cette dynamique. Cette lumière est considérée comme étant à droite, polarisée circulairement dans le sens des aiguilles d'une montre si elle est vue par le récepteur. Puisqu'il s'agit d'une onde électromagnétique , chaque vecteur de champ électrique a un vecteur de champ magnétique correspondant, mais non illustré, qui est à angle droit par rapport au vecteur de champ électrique et proportionnel en amplitude à celui-ci. En conséquence, les vecteurs de champ magnétique traceraient une seconde hélice s'ils étaient affichés.

La polarisation circulaire est souvent rencontrée dans le domaine de l'optique et, dans cette section, l'onde électromagnétique sera simplement appelée lumière .

La nature de la polarisation circulaire et sa relation avec d'autres polarisations sont souvent comprises en pensant au champ électrique comme étant divisé en deux composantes perpendiculaires l'une à l'autre. La composante verticale et son plan correspondant sont illustrés en bleu, tandis que la composante horizontale et son plan correspondant sont illustrés en vert. Notez que la composante horizontale vers la droite (par rapport à la direction de déplacement) est en avance sur la composante verticale d'un quart de longueur d'onde , une différence de phase de 90°. C'est cette relation de phase en quadrature qui crée l' hélice et fait correspondre les points de magnitude maximale de la composante verticale avec les points de magnitude nulle de la composante horizontale, et vice versa. Le résultat de cet alignement sont des vecteurs sélectionnés, correspondant à l'hélice, qui correspondent exactement aux maxima des composantes verticales et horizontales.

Pour apprécier comment ce déphasage en quadrature correspond à un champ électrique qui tourne tout en maintenant une amplitude constante, imaginez un point se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre dans un cercle. Considérez comment les déplacements verticaux et horizontaux du point, par rapport au centre du cercle, varient de façon sinusoïdale dans le temps et sont déphasés d'un quart de cycle. Les déplacements sont dits déphasés d'un quart de cycle car le déplacement maximal horizontal (vers la gauche) est atteint un quart de cycle avant que le déplacement maximal vertical ne soit atteint. En vous référant maintenant à nouveau à l'illustration, imaginez le centre du cercle qui vient d'être décrit, se déplaçant le long de l'axe de l'avant vers l'arrière. Le point encerclant tracera une hélice avec le déplacement vers notre gauche de visualisation, menant le déplacement vertical. Tout comme les déplacements horizontaux et verticaux du point rotatif sont déphasés d'un quart de cycle dans le temps, l'amplitude des composantes horizontale et verticale du champ électrique est déphasée d'un quart de longueur d'onde.

Lumière polarisée circulairement gauche/antihoraire affichée avec et sans l'utilisation de composants. Cela serait considéré comme polarisé circulairement à droite/à droite s'il était défini du point de vue de la source plutôt que du récepteur.

La paire d'illustrations suivante est celle de la lumière polarisée circulairement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'elle est vue par le récepteur. Parce qu'il est gaucher, la composante horizontale vers la droite (par rapport à la direction de déplacement) est maintenant en retard sur la composante verticale d'un quart de longueur d'onde, plutôt que de l'avancer.

Inversion de la férule

Plaque d'onde

Pour convertir la lumière polarisée circulairement dans l'autre sens, on peut utiliser une lame demi- onde . Une lame demi-onde décale une composante linéaire donnée de la lumière d'une moitié d'une longueur d'onde par rapport à sa composante linéaire orthogonale.

Réflexion

L'orientation de la lumière polarisée est inversée et réfléchie sur une surface à incidence normale. Lors d'une telle réflexion, la rotation du plan de polarisation de la lumière réfléchie est identique à celle du champ incident. Cependant, avec une propagation maintenant dans le sens opposé , le même sens de rotation qui serait décrit comme "droitier" pour le faisceau incident, est "gauche" pour la propagation dans le sens inverse, et vice versa. Hormis l'inversion de la main, l'ellipticité de polarisation est également conservée (sauf en cas de réflexion par une surface biréfringente ).

Notez que ce principe ne vaut strictement que pour la lumière réfléchie à incidence normale. Par exemple, la lumière polarisée circulairement à droite réfléchie par une surface diélectrique à incidence rasante (un angle au-delà de l' angle de Brewster ) apparaîtra toujours comme polarisée à droite, mais elliptiquement. L'ellipticité de la lumière réfléchie par un métal à une incidence non normale sera également modifiée. De telles situations peuvent être résolues en décomposant la polarisation incidente circulaire (ou autre) en composantes de polarisation linéaire parallèles et perpendiculaires au plan d'incidence , communément notées respectivement p et s . Les composantes réfléchies dans les polarisations linéaires p et s sont trouvées en appliquant les coefficients de réflexion de Fresnel , qui sont généralement différents pour ces deux polarisations linéaires. Ce n'est que dans le cas particulier de l'incidence normale, où il n'y a pas de distinction entre p et s , que les coefficients de Fresnel des deux composantes sont identiques, ce qui conduit à la propriété ci-dessus.

Une série de 3 diapositives de photos prises avec et sans une paire de lunettes de cinéma à polarisation circulaire MasterImage 3D de quelques hannetons européens morts (Cetonia aurata) dont la couleur verte brillante provient de la lumière polarisée à gauche. Notez que, sans lunettes, les coléoptères et leurs images ont une couleur brillante. Le polariseur droit supprime la couleur des coléoptères mais laisse la couleur des images. Le polariseur gauche fait le contraire, montrant l'inversion de l'orientation de la lumière réfléchie.

Conversion vers et depuis la polarisation linéaire

La lumière polarisée circulairement peut être convertie en lumière polarisée linéairement en la faisant passer à travers une lame quart d' onde . Le passage de la lumière polarisée linéairement à travers une lame quart d'onde avec ses axes à 45° par rapport à son axe de polarisation la convertira en polarisation circulaire. En fait, c'est la manière la plus courante de produire une polarisation circulaire dans la pratique. Notez que le passage de la lumière polarisée linéairement à travers une lame quart d'onde à un angle autre que 45° produira généralement une polarisation elliptique.

Conventions de latéralité

Une onde polarisée circulairement à droite/à droite telle que définie du point de vue de la source. Il serait considéré comme polarisé circulairement à gauche/anti-horaire s'il était défini du point de vue du récepteur.
Une onde polarisée circulairement gauche/anti-horaire telle que définie du point de vue de la source. Il serait considéré comme polarisé circulairement à droite/à droite s'il était défini du point de vue du récepteur.

La polarisation circulaire peut être qualifiée de droite ou de gauche, et dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, selon la direction dans laquelle le vecteur de champ électrique tourne. Malheureusement, deux conventions historiques opposées existent.

Du point de vue de la source

En utilisant cette convention, la polarisation est définie du point de vue de la source. Lors de l'utilisation de cette convention, la gaucherie ou la droite est déterminée en pointant son pouce gauche ou droit loin de la source, dans la même direction que la propagation de l'onde, et en faisant correspondre le recourbement de ses doigts à la direction de la rotation temporelle de le champ en un point donné de l'espace. Lorsqu'on détermine si l'onde est polarisée circulairement dans le sens horaire ou antihoraire, on reprend le point de vue de la source, et en regardant loin de la source et dans le même sens de propagation de l'onde, on observe la direction du champ spatial rotation.

En utilisant cette convention, le vecteur champ électrique d'une onde polarisée circulairement à droite est le suivant :

À titre d'exemple spécifique, référez-vous à l'onde polarisée circulairement dans la première animation. En utilisant cette convention, cette onde est définie comme étant droitière car lorsque l'on pointe son pouce droit dans la même direction de propagation de l'onde, les doigts de cette main s'enroulent dans la même direction de rotation temporelle du champ. Il est considéré comme polarisé circulairement dans le sens des aiguilles d'une montre car, du point de vue de la source, en regardant dans le même sens de propagation de l'onde, le champ tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. La seconde animation est celle de la lumière à gauche ou à gauche, utilisant cette même convention.

Cette convention est conforme à la norme de l' Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) et, par conséquent, elle est généralement utilisée dans la communauté des ingénieurs.

Les physiciens quantiques utilisent également cette convention de handedness car elle est cohérente avec leur convention de handedness pour le spin d'une particule.

Les radioastronomes utilisent également cette convention conformément à une résolution de l' Union astronomique internationale (UAI) prise en 1973.

Du point de vue du récepteur

Dans cette convention alternative, la polarisation est définie du point de vue du récepteur. En utilisant cette convention, la gaucherie ou la droite est déterminée en pointant son pouce gauche ou droit vers la source, contre la direction de propagation, puis en faisant correspondre le recourbement de ses doigts à la rotation spatiale du champ.

Lors de l'utilisation de cette convention, contrairement à l'autre convention, l'orientation définie de l'onde correspond à l'orientation de la nature de type vis du champ dans l'espace. Concrètement, si on fige une onde droitière dans le temps, lorsqu'on enroule les doigts de sa main droite autour de l'hélice, le pouce pointera dans le sens de progression de l'hélice, compte tenu du sens de rotation. Notez que, dans le contexte de la nature de toutes les vis et hélices, la direction dans laquelle vous pointez votre pouce n'a pas d'importance pour déterminer sa main.

Pour déterminer si l'onde est polarisée circulairement dans le sens horaire ou antihoraire, on reprend le point de vue du récepteur et, en regardant vers la source, à contre -sens de propagation, on observe le sens de rotation temporelle du champ.

Tout comme dans l'autre convention, le droitier correspond à une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre et le gaucher correspond à une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

De nombreux manuels d'optique utilisent cette seconde convention. Il est également utilisé par SPIE ainsi que par l' Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC).

Utilisations des deux conventions

Comme indiqué précédemment, il existe une grande confusion en ce qui concerne ces deux conventions. En règle générale, les communautés de l'ingénierie, de la physique quantique et de la radioastronomie utilisent la première convention, dans laquelle l'onde est observée du point de vue de la source. Dans de nombreux manuels de physique traitant de l'optique, la deuxième convention est utilisée, dans laquelle la lumière est observée du point de vue du récepteur.

Pour éviter toute confusion, il est de bonne pratique de spécifier « tel que défini du point de vue de la source » ou « tel que défini du point de vue du récepteur » lors de l'examen des questions de polarisation.

L'archive de la norme fédérale américaine 1037C propose deux conventions contradictoires de l'impartialité.

radio FM

Le terme « polarisation circulaire » est souvent utilisé à tort pour décrire les signaux à polarité mixte utilisés principalement dans la radio FM (87,5 à 108,0 MHz aux États-Unis), dans lesquels une composante verticale et une composante horizontale sont propagées simultanément par un seul réseau ou un réseau combiné. Cela a pour effet de produire une pénétration plus importante dans les bâtiments et les zones de réception difficiles qu'un signal avec un seul plan de polarisation. Ce serait un cas dans lequel la polarisation serait plus appropriée appelée polarisation aléatoire car la polarisation au niveau d'un récepteur, bien que constante, variera en fonction de la direction de l'émetteur et d'autres facteurs dans la conception de l'antenne d'émission. Voir Paramètres de Stokes .
Le terme "radio FM" ci-dessus fait référence à la diffusion FM , et non à la radio bidirectionnelle (plus correctement appelée radio mobile terrestre ), qui utilise presque exclusivement la polarisation verticale.

Dichroïsme

Le dichroïsme circulaire (CD) est l'absorption différentielle de la lumière polarisée circulairement à gauche et à droite . Le dichroïsme circulaire est à la base d'une forme de spectroscopie qui peut être utilisée pour déterminer l' isomérie optique et la structure secondaire des molécules .

En général, ce phénomène se manifestera dans les bandes d'absorption de toute molécule optiquement active . En conséquence, le dichroïsme circulaire est présenté par la plupart des molécules biologiques, en raison des molécules dextrogyres (par exemple, certains sucres ) et lévogyres (par exemple, certains acides aminés ) qu'elles contiennent. Il convient également de noter qu'une structure secondaire conférera également un CD distinct à ses molécules respectives. Par conséquent, les régions de l' hélice alpha , du feuillet bêta et de la bobine aléatoire des protéines et la double hélice des acides nucléiques ont des signatures spectrales CD représentatives de leurs structures.

De plus, dans les bonnes conditions, même les molécules non chirales présenteront un dichroïsme circulaire magnétique , c'est-à-dire un dichroïsme circulaire induit par un champ magnétique.

Luminescence

La luminescence à polarisation circulaire (CPL) peut se produire lorsqu'un luminophore ou un ensemble de luminophores est chiral . Le degré de polarisation des émissions est quantifié de la même manière que pour le dichroïsme circulaire , en termes de facteur de dissymétrie , également parfois appelé facteur d' anisotropie . Cette valeur est donnée par :

où correspond au rendement quantique de la lumière polarisée circulairement à gauche et à celui de la lumière à droite. La valeur absolue maximale de g em , correspondant à une polarisation circulaire purement gauche ou droite, est donc de 2. Pendant ce temps, la plus petite valeur absolue que g em peut atteindre, correspondant à une lumière polarisée linéairement ou non, est zéro.

Description mathématique

La solution classique d' onde plane sinusoïdale de l' équation d'onde électromagnétique pour les champs électriques et magnétiques est :

où k est le nombre d'onde ;

est la fréquence angulaire de l'onde ; est une matrice orthogonale dont les colonnes s'étendent sur le plan transversal xy ; et est la vitesse de la lumière .

Ici,

est l' amplitude du champ, et

est le vecteur de Jones normalisé dans le plan xy.

Si est tourné de radians par rapport à et que l'amplitude x est égale à l'amplitude y, l'onde est polarisée circulairement. Le vecteur de Jones est :

où le signe plus indique une polarisation circulaire gauche et le signe moins une polarisation circulaire droite. Dans le cas d'une polarisation circulaire, le vecteur champ électrique de magnitude constante tourne dans le plan x - y .

Si les vecteurs de base sont définis tels que :

et:

alors l'état de polarisation peut être écrit dans la "base RL" comme :

où:

et:

Antennes

Un certain nombre de types différents d'éléments d'antenne peuvent être utilisés pour produire un rayonnement à polarisation circulaire (ou presque); suivant les Balanis, on peut utiliser des éléments dipolaires :

"... deux dipôles croisés fournissent les deux composantes de champ orthogonales.... Si les deux dipôles sont identiques, l'intensité de champ de chacun le long du zénith... serait de la même intensité. De plus, si les deux dipôles étaient alimentés en un déphasage de 90° degrés (quadrature de phase), la polarisation le long du zénith serait circulaire... Une façon d'obtenir le déphasage de 90° entre les deux composantes de champ orthogonales, rayonnées respectivement par les deux dipôles, est en alimentant l'un des deux dipôles avec une ligne de transmission qui est 1/4 de longueur d'onde plus longue ou plus courte que celle de l'autre", p.80 ;

ou éléments hélicoïdaux :

"Pour obtenir une polarisation circulaire [en mode axial ou en fin de tir] ... la circonférence C de l'hélice doit être ... avec C / longueur d'onde = 1 proche de l'optimum, et l'espacement autour de S = longueur d'onde/4", p. 571 ;

ou des éléments de patch :

"... des polarisations circulaires et elliptiques peuvent être obtenues en utilisant divers agencements d'alimentation ou de légères modifications apportées aux éléments... La polarisation circulaire peut être obtenue si deux modes orthogonaux sont excités avec une différence de temps et de phase de 90° entre eux. être accompli en ajustant les dimensions physiques du patch.... Pour un élément patch carré, le moyen le plus simple d'exciter une polarisation idéalement circulaire est d'alimenter l'élément sur deux bords adjacents.... La différence de phase en quadrature est obtenue en alimentant le élément avec un diviseur de puissance à 90°", p.859.

En mécanique quantique

Du point de vue de la mécanique quantique , la lumière est composée de photons . La polarisation est une manifestation du moment angulaire de spin de la lumière . Plus précisément, en mécanique quantique, la direction du spin d'un photon est liée à la direction de la lumière polarisée circulairement, et le spin d'un faisceau de photons est similaire au spin d'un faisceau de particules, comme les électrons.

Dans la nature

La surface externe du hanneton rose reflète presque exclusivement la lumière polarisée circulairement à gauche.

Seuls quelques mécanismes naturels sont connus pour produire systématiquement une lumière polarisée circulairement . En 1911, Albert Abraham Michelson a découvert que la lumière réfléchie par le scarabée doré Chrysina resplendens est préférentiellement polarisée à gauche. Depuis lors, la polarisation circulaire a été mesurée chez plusieurs autres scarabées comme Chrysina gloriosa , ainsi que certains crustacés comme la crevette mante . Dans ces cas, le mécanisme sous-jacent est l'hélicité au niveau moléculaire de la cuticule chitineuse .

La bioluminescence des larves de lucioles est également polarisée circulairement, comme rapporté en 1980 pour les espèces Photuris lucicrescens et Photuris versicolor . Pour les lucioles, il est plus difficile de trouver une explication microscopique à la polarisation, car les lanternes gauche et droite des larves émettent une lumière polarisée de sens opposés. Les auteurs suggèrent que la lumière commence par une polarisation linéaire due à des inhomogénéités à l'intérieur des photocytes alignés , et qu'elle capte une polarisation circulaire tout en traversant un tissu linéairement biréfringent .

Les interfaces eau-air constituent une autre source de polarisation circulaire. La lumière du soleil qui est rediffusée vers la surface est polarisée linéairement. Si cette lumière est alors totalement réfléchie vers le bas, sa composante verticale subit un déphasage. Pour un observateur sous-marin qui lève les yeux, la faible lumière à l'extérieur de la fenêtre de Snell est donc (partiellement) polarisée circulairement.

Les sources plus faibles de polarisation circulaire dans la nature comprennent la diffusion multiple par des polariseurs linéaires, comme dans la polarisation circulaire de la lumière des étoiles, et l'absorption sélective par des milieux circulairement dichroïques .

Les émissions radio des étoiles et des pulsars peuvent être fortement polarisées circulairement.

Il a été rapporté que deux espèces de crevettes mantis sont capables de détecter la lumière polarisée circulaire.

Voir également

Les références

Liens externes

Lectures complémentaires

  • Jackson, John D. (1999). Électrodynamique classique (3e éd.). New York : Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1.
  • Born, M. & Wolf, E. (1999). Principes d'optique : théorie électromagnétique de la propagation, de l'interférence et de la diffraction de la lumière (7e éd.). Cambridge : Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-64222-4.