تعریف پلاریزاسیون موج

تعریف پلاریزاسیون موج:
در این آموزش قصد داریم پلاریزاسیون یا قطبش در امواج را بررسی کنیم. پلاریزاسیون یا «پلاریزاسیون موج» (Wave Polarization)، یک خاصیت از «امواج عرضی» (Transverse Waves) است. به طور خلاصه، پلاریزاسیون جهت هندسی نوسان ها را مشخص می کند

بر اساس تعریف استاندارد انجمن مؤسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) برای آنتن ها، پلاریزاسیون یک موج تشعشع یافته، به صورت زیر تعریف می شود:

خاصیتی از یک موج الکترومغناطیسی تشعشع یافته که جهت و اندازه نسبی بردار میدان الکتریکی متغیر با زمان را نشان می دهد.

به عبارت دیگر اگر بردار میدان الکتریکی را در یک نقطه فضایی ثابت نگه داریم و در جهت انتشار موج به آن نگاه کنیم، منحنی به دست آمده از انتهای بردار نسبت به زمان، به صورت پلاریزاسیون تعریف می شود.

شکل زیر، چرخش یک موج الکترومغناطیسی و منحنی پلاریزاسیون به دست آمده از این میدان را نشان می دهد:

شکل 1

در یک موج عرضی، جهت نوسان ها بر جهت حرکت موج عمود است. یک مثال ساده از موج عرضی پلاریزه، ارتعاشات پیش رونده در یک رشته ریسمان است. این رشته می تواند سیم گیتار باشد.

شکل زیر، تبدیل پلاریزاسیون دایروی به پلاریزاسیون خطی در یک رشته نخ را نشان می دهد:

شکل 2

بسته به اینکه چگونه رشته را بکشیم، ارتعاشات می تواند در جهت عمودی، افقی یا هر جهتی عمود بر محور رشته باشد.

در مقابل، انتشار امواج صوتی در مایع یا گاز را در نظر بگیرید. جابه جایی ذرات در ارتعاشات این امواج، همیشه با جهت انتشار موج هم جهت خواهد بود. به این امواج، «امواج طولی» (Longitudinal Waves) می گویند. بنابراین در امواج طولی، پلاریزاسیون تعریف نمی شود، چرا که نوسان ها همواره هم جهت با انتشار موج هستند.

از انواع امواج عرضی که پلاریزاسیون دارند، می توان «امواج الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Waves) و «امواج صوتی عرضی» (Transverse Sound Waves) را نام برد. نور، امواج رادیویی و امواج گرانشی از جمله امواج الکترومغناطیسی محسوب می شوند.

«امواج برشی» (Shear Waves) نیز از جمله امواج صوتی عرضی هستند. در برخی از انواع امواج عرضی، جابه جایی موج فقط به یک جهت محدود می شود. بنابراین این نوع امواج عرضی، پلاریزاسیون ندارند. برای مثال، امواج سطحی در مایعات یا «امواج ثقلی» (Gravity Waves) پلاریزاسیون ندارند.

در این امواج، جابه جای موج ذره ها همواره در یک صفحه عمودی خواهد بود.

یک موج الکترومغناطیسی مانند نور، از یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی نوسان تشکیل شده است. بین این دو میدان پیوندی وجود دارد و تغییر در یکی، باعث تغییر در دیگری می شود. همچنین این دو میدان، همواره به یکدیگر عمود هستند. این دو میدان همواره بر جهت انتشار موج عمود هستند.

طبق تعریف، میدان الکتریکی، پلاریزاسیون یا قطبش امواج الکترومغناطیسی را تعیین می کند. در «پلاریزاسیون خطی» (Linear Polarization)، میدان ها فقط در یک جهت نوسان می کنند. در «پلاریزاسیون دایروی» (Circular Polarization) یا «بیضوی» (Elliptical)، میدان ها همزمان با حرکت موج با سرعتی ثابت در یک صفحه می چرخند.

این چرخش می تواند دو جهت داشته باشد، اگر میدان ها نسبت به جهت حرکت موج، مانند قانون دست راست چرخش کنند، به آن «پلاریزاسیون دایروی راست گرد» (Right Circular Polarization) گویند.

به صورت معکوس، اگر میدان ها نسبت به جهت حرکت موج در جهت دست چپ حرکت کنند، به آن «پلاریزاسیون دایروی چپگرد» (Left Circular Polarization) گفته می شود.

انتشار نور یا هر موج الکترومغناطیسی دیگر از قطار امواج کوتاه تشکیل شده می شود. خورشید، شعله آتش و یا لامپ های مهتابی از جمله منابع نور هستند. این قطار امواج، ترکیبی از هر دو پلاریزاسیون را در بر دارد. در این حالت، نور را غیر پلاریزه گویند.

با عبور نور غیر پلاریزه از یک «پلارایزر» (Polarizer)، نور پلاریزه حاصل می شود. پلارایزر، فقط اجازه عبور یک نوع از نور را می دهد. بیشتر مواد اپتیکی (مانند شیشه)، ایزوتروپیک هستند و پلاریزاسیون نور عبور کرده از آنها تغییر نمی کند.

هرچند بعضی مواد، مانند آنهایی که از خود «شکست مضاعف» (Birefringence)، «دو رنگی» (Dichroism) و یا «فعالیت نوری» (Optical Activity) نشان می دهند، می توانند پلاریزاسیون نور را تغییر دهند.

می توان از این مواد در ساخت «فیلترهای پلاریزه کننده» (Polarizing Filters) استفاده کرد. هنگامی که نور از یک سطح منعکس می شود، بخشی از آن پلاریزه می شود.

پلاریزاسیون، پارامتر مهمی در حوزه های مختلف علوم است. این پارامتر به امواج عرضی مانند اپتیک، لرزه نگاری، امواج رادیویی و مایکروویو مربوط می شود.

لیزر، مخابرات راه دور با استفاده از فیبر نوری و یا بی سیم و همچنین رادار، از جمله فناوری هایی هستند که به صورت ویژه از این پارامتر تأثیر گرفته اند.

بیشتر منابع نوری به صورت منابع «غیر همدوس» (Incoherent) یا «غیر پلاریزه» (Unpolarized) طبقه بندی می شوند.

این منابع، شامل ترکیبی تصادفی از امواج هستند که مشخصات فضایی، فرکانس (طول موج)، فاز و حالت های پلاریزاسیون متفاوتی دارند. هرچند، برای درک امواج الکترومغناطیسی و به خصوص پلاریزاسیون، فقط کافی است که امواج سطحی «همدوس» (Coherent) را در نظر بگیرید.

این امواج سینوسی جهت (بردار موج)، فرکانس، فاز و حالت پلاریزاسیون خاص خود را دارند. از آنجا که موج با هر ساختار فضایی را می توان به ترکیبی از امواج سطحی یا طیف زاویه ای آن تجزیه کرد، توصیف یک سیستم اپتیکی مربوط با پارامترهای موج مسطح، امکان پذیر خواهد بود.

در این حالت، می توان پاسخ سیستم را در حالت کلی تر پیش بینی کرد. حالت های غیرهمدوس را می توان توسط ترکیب آماری وزن دار از امواج غیرهمدوس به هم با توزیع های فرکانس (طیف آن)، فاز و پلاریزاسیون مشخص مدل کرد.