Polaryzacja fali

Promieniowanie elektromagnetyczne (EM) jest falą poprzeczną. Oznacza to, że zaburzenia pola elektrycznego i magnetycznego rozchodzą się w poprzek kierunku propagacji fali, a nie równolegle, jak ma to miejsce w falach podłużnych (np. dźwiękowych). Kierunki drgań wektorów pól elektrycznego (E) i magnetycznego (B) są zawsze prostopadłe względem siebie oraz względem wektora falowego (kierunku propagacji fali).

Rys. 1. Schematyczne przedstawienie fali elektromagnetycznej: x, y, z – kierunki w przestrzeni, E – wektor składowej elektrycznej, B – wektor składowej magnetycznej

Biorąc pod uwagę powszechnie przyjęte założenia odnoszące się do opisu zjawisk elektromagnetycznych oraz fakt, że pola elektryczne i magnetyczne są nierozerwalne (wzajemnie się indukują), dalsze rozważania będą się koncentrowały tylko na składowej elektrycznej. Rozważenia dotyczące składowej magnetycznej są analogiczne, z uwzględnieniem jej prostopadłości do składowej elektrycznej.

Usystematyzowana relacja pomiędzy kierunkiem oscylacji wektora pola elektrycznego (E) w danej fali elektromagnetycznej a kierunkiem propagacji tej fali nosi nazwę polaryzacji.

Źródłem fal elektromagnetycznych są m.in. zmiany związane z ładunkiem elektrycznym: wzbudzenie elektronów, oscylacje cząsteczek i zjonizowanych atomów, a także uporządkowany przepływ ładunku elektrycznego w przewodnikach. W wypromieniowanej przez dane źródło fali elektromagnetycznej oscylacje wektora pola elektrycznego zachodzą z jednakową amplitudą (jeden rodzaj źródła, np. wzbudzone atomy sodu w lampach sodowych), we wszystkich możliwych kierunkach, które są prostopadłe do kierunku propagacji fali (różne zorientowanie przestrzenne elementów składowych źródła, np. położenie atomów sodu w całej objętości jarznika). Oznacza to, że niespolaryzowana fala elektromagnetyczna w rzeczywistości jest przypadkową superpozycją wielu fal spolaryzowanych.

Rys. 2. Ilustracja składowej elektrycznej niespolaryzowanej fali elektromagnetycznej: rzut izometryczny oraz prostopadły do kierunku propagacji fali

O rodzaju polaryzacji fali elektromagnetycznej informuje kształt, jaki wykreśla koniec wektora E na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali. W literaturze wyróżniane są trzy główne rodzaje polaryzacji: liniowa, kołowa i eliptyczna.

Z polaryzacją liniową mamy do czynienia wtedy, gdy oscylacje wektora pola elektrycznego zachodzą w jednej płaszczyźnie, niezależnie od czasu.
W przypadku wiązki fal elektromagnetycznych biegnących poziomo, jeśli zaburzenia pola elektrycznego oscylują w kierunku prostopadłym do powierzchni Ziemi, mowa jest o polaryzacji pionowej V (z ang. vertical), oznaczanej jako wektor E_V.

Rys. 3. Fala elektromagnetyczna o polaryzacji pionowej: (a) rzut na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali, (b) rzut izometryczny

Jeśli zaś oscylacje wektora występują w kierunku równoległym do powierzchni Ziemi, to jest to polaryzacja pozioma H (z ang. horizontal), oznaczana jako wektor E_H.

Rys. 4. Fala elektromagnetyczna o polaryzacji poziomej: (a) rzut na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali, (b) rzut izometryczny

Pola elektryczne są sumowane zgodnie z zasadą dodawania wektorów. Jeśli w wiązce fal elektromagnetycznych występują polaryzacje pionowa i pozioma, to polaryzacja liniowa otrzymywana jest wtedy, gdy częstotliwości fal i kierunki ich propagacji są jednakowe, a drgania składowe mają zgodną fazę lub przesunięcie faz wynosi ±180°. W zależności od wielkości amplitud fal składowych zmienia się kąt nachylenia polaryzacji wypadkowej fali elektromagnetycznej. W przypadku równych amplitud i zgodności faz kąt nachylenia do powierzchni Ziemi wynosi 45°.

Rys. 5. Wypadkowa fala elektromagnetyczna (niebieska) o polaryzacji liniowej nachylonej pod kątem 45°: (a) rzut na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali, (b) rzut izometryczny

Polaryzacja kołowa zachodzi wtedy, gdy w rzucie na płaszczyźnie prostopadłej do czoła propagującej fali elektromagnetycznej wektor pola elektrycznego ma stałą wartość, zaś jego kierunek zmienia się w czasie z jednakową prędkością kątową. W trakcie jednego okresu fali wektor E zatacza pełen okrąg.

Polaryzację kołową można otrzymać m.in. przez:

rotację źródła fali elektromagnetycznej spolaryzowanej liniowo wokół osi równoległej do kierunku propagacji; rotacja musi odbywać się ze stałą prędkością kątową;

przepuszczenie pod odpowiednim kątem wiązki fal elektromagnetycznych przez ośrodek przezroczysty, wykazujący ukierunkowanie, np. płytka ćwierćfalowa w optyce;

odbicie wiązki fal elektromagnetycznych spolaryzowanych liniowo pod odpowiednim kątem od powierzchni materiałów przewodzących; jest to szczególny przypadek efektu Faradaya;

superpozycje spolaryzowanych pionowo i poziomo fal elektromagnetycznych (lub jakichkolwiek innych fal EM o polaryzacjach liniowych ortogonalnych – prostopadłych względem siebie); częstotliwości, kierunki i amplitudy propagowanych fal muszą być takie same; drgania składowe są natomiast przesunięte w fazie o ±90°.

Wartość przesunięcia faz (+90° lub –90°) determinuje, czy fala elektromagnetyczna spolaryzowana jest kołowo prawo- czy lewoskrętnie. W optyce przyjmuje się, że fala elektromagnetyczna spolaryzowana jest prawoskrętnie, jeśli propaguje w kierunku do obserwatora, a koniec wektora pola elektrycznego porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Rys. 6. Wypadkowa fala elektromagnetyczna (niebieska) o polaryzacji kołowej prawoskrętnej (wg definicji z optyki): (a) rzut na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali, (b) rzut izometryczny

Fala spolaryzowana lewoskrętnie propaguje w kierunku do obserwatora, a wektor E porusza się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Rys. 7. Wypadkowa fala elektromagnetyczna (niebieska) o polaryzacji kołowej lewoskrętnej (wg definicji z optyki): (a) rzut na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali, (b) rzut izometryczny

W radiotechnice natomiast za spolaryzowaną prawoskrętnie uznaje się taką falę, która propaguje w kierunku przeciwnym, tj. od obserwatora, a koniec wektora pola elektrycznego porusza się także zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
W dalszych rozważaniach będzie stosowany opis zgodny z definicją przyjętą w radioelektronice (sformułowaną w 1942 roku przez IRE, obecnie IEEE).
Superpozycja fal elektromagnetycznych spolaryzowanych kołowo prawoskrętnie i lewoskrętnie o zgodnych amplitudach oraz fazach daje wypadkową falę elektromagnetyczną spolaryzowaną pionowo. Przesunięcie fazy o kąt ±90° da falę elektromagnetyczną spolaryzowaną poziomo.

Rys. 8. Superpozycja fal elektromagnetycznych o polaryzacji kołowej z przeciwnymi zwrotami. Wypadkowa fala elektromagnetyczna (niebieska) o polaryzacji pionowej: (a) rzut na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali, (b) rzut izometryczny

Polaryzacja eliptyczna występuje wtedy, gdy wektor pola elektrycznego w rzucie na prostopadłą do czoła propagującej fali płaszczyznę zmienia swój kierunek (prędkość kątowa nie musi być stała w czasie) oraz amplitudę. W trakcie jednego okresu wektor E wykonuje jeden pełen obrót wokół kierunku propagacji fali elektromagnetycznej. Tak samo jak w przypadku polaryzacji kołowej – polaryzacja eliptyczna występuje w dwóch wariantach: prawo- i lewoskrętnej.

Rys. 9. Rzut wypadkowego wektora pola elektrycznego (niebieski) na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali elektromagnetycznej. Polaryzacja eliptyczna: (a) prawoskrętna, (b) lewoskrętna

Biorąc pod uwagę, że polaryzacja kołowa (jak i liniowa) jest szczególnym przypadkiem polaryzacji eliptycznej, sposoby ich powstawania są analogiczne, z lekkimi tylko modyfikacjami; i tak m.in.:

rotacja źródła fali elektromagnetycznej spolaryzowanej liniowo odbywa się z cyklicznie zmienną prędkością kątową;

odbicie wiązki fal elektromagnetycznych spolaryzowanych liniowo od powierzchni metalicznych odbywa się pod dowolnym kątem (z wyjątkiem kąta, przy którym uzyskuje się polaryzację kołową);

superpozycja fal elektromagnetycznych spolaryzowanych:

– liniowo ortogonalnie (występują przesunięcia faz, opcjonalne różnice amplitud),

– kołowo prawo- i lewoskrętnie (występują przesunięcia faz i/lub różnice w amplitudach),

– fali spolaryzowanej kołowo z falą spolaryzowaną liniowo.

Przejdźmy do fal elektromagnetycznych spolaryzowanych pionowo i poziomo o równych amplitudach i częstotliwościach oraz równoległych kierunkach propagacji. Przy fazach zgodnych superpozycją jest polaryzacja liniowa. Przesunięcie faz od 0° do 90° powoduje powstanie polaryzacji eliptycznej prawoskrętnej, aż do uzyskania polaryzacji kołowej prawoskrętnej przy przesunięciu faz równym 90°. Przesuwając dalej fazy w zakresie od 90°do 180°, przechodzimy z polaryzacji kołowej, przez eliptyczną, aż do liniowej przy przesunięciu równym 180°. W zakresie 180° → 270° → 360° sytuacja wygląda analogicznie, z uwzględnieniem zmiany polaryzacji z prawoskrętnej na lewoskrętną. Przy przesunięciu faz równym 360° następuje powrót do sytuacji początkowej.

Rys. 10. Rzut wypadkowego wektora pola elektrycznego (niebieski) na płaszczyznę prostopadłą do kierunku propagacji fali elektromagnetycznej. Zmiana polaryzacji ze względu na wzrost przesunięcia fazowego pomiędzy składowymi falami EM. Zwrot polaryzacji kołowej i eliptycznej oznaczony czerwoną strzałką

Zmiany polaryzacji zachodzą równoważnie, jeśli rozpatrywana jest superpozycja fal elektromagnetycznych spolaryzowanych kołowo prawo- i lewoskrętnie.

Wszystkie naturalnie emitowane fale elektromagnetyczne (i znaczna część fal pochodzenia sztucznego) są niespolaryzowane. Poprzez szereg zjawisk fizycznych (przejście przez ośrodek dielektryczny, odbicie od dielektryka lub przewodnika, rozproszenie Rayleigha) może dojść do uprzywilejowania niektórych kierunków drgań wektora pola elektrycznego. Efektem tego jest powstanie wiązki fal elektromagnetycznych częściowo spolaryzowanych. W szczególnych przypadkach (wielokrotne przejście fali EM przez dielektryk, przejście przez materiały rozdzielające promieniowanie elektromagnetyczne o polaryzacjach ortogonalnych – materiały o naturze dwójłomnej, odbicie od powierzchni metalicznej lub pod kątem Brewstera od dielektryka) może dojść do całkowitego spolaryzowania fali elektromagnetycznej.

Polaryzacja fal EM pochodzenia naturalnego jest więc zawsze efektem wtórnym.Polaryzacja sztucznie wytwarzanych fal elektromagnetycznych znalazła największe zastosowanie w zakresie częstotliwości fal radiowych.
Sygnały telewizyjny i radiowy nadawane naziemnie, a także sieci Wi-Fi wykorzystują polaryzację liniową. Większość krajów europejskich, m.in.: Czechy, Francja, Hiszpania, Niemcy, Polska czy Wielka Brytania, nadając sygnał DVB-T, korzysta z polaryzacji poziomej.

Rys. 11. Antena kierunkowa 17/21-60/TRIDIGIT (typ Yagi-Uda) ustawiona do odbioru sygnału telewizji naziemnej o polaryzacji: (a) pionowej, (b) poziomej

Jeśli fale elektromagnetyczne rozchodzą się w dolnych warstwach atmosfery (propagacja troposferyczna), może dojść do skręcenia płaszczyzny polaryzacji na skutek odbić sygnału od różnych powierzchni, np. dachów budynków. Przy odbiciu się lub przejściu sygnału przez górne warstwy atmosfery (propagacja jonosferyczna) również dochodzi do skręcenia płaszczyzny polaryzacji (silnie zależne od długości fali elektromagnetycznej), zmiany kierunku polaryzacji z lewo- na prawoskrętną (i odwrotnie) i/lub zmiany polaryzacji z liniowej na eliptyczną (efekt Faradaya).

Istotne jest, by antena odbiorcza była w jednej płaszczyźnie z anteną nadawczą (dla fal spolaryzowanych liniowo) lub miała odpowiedni zwrot (dla polaryzacji kołowej i eliptycznej). Pozwoli to na uniknięcie efektu tłumienia polaryzacji (niezgodność między polaryzacją anteny odbiorczej a polaryzacją nadchodzącego sygnału).

Tłumienie polaryzacji fali spolaryzowanej liniowo zwiększa się wraz ze wzrostem kąta pomiędzy płaszczyznami polaryzacji. Maksimum tłumienia odnotowuje się dla sygnału o polaryzacji ortogonalnej (moc sygnału spada wtedy nawet o 30 dB). By zminimalizować wpływ tego efektu, często stosowane są anteny przeznaczone do polaryzacji kołowej. Odbiór fali o polaryzacji kołowej prawoskrętnej anteną dedykowaną do polaryzacji kołowej lewoskrętnej również wiąże się z dużym tłumieniem. Często nie stosuje się pojedynczej anteny o budowie spiralnej tylko skrzyżowane dipole. Pozwala to na utrzymanie stabilnego sygnału, który jest osłabiony o 3 dB, ale nie zależy od polaryzacji odbieranej fali.

Transmisja sygnału telewizji satelitarnej realizowana jest przeważnie za pomocą fal EM o polaryzacji kołowej. Polaryzację kołową stosuje się jako superpozycję fal spolaryzowanych liniowo ortogonalnie. Pozwala to na dwukrotne zwiększenie ilości przesyłanych kanałów – poprzez modulowanie oddzielnego kanału telewizyjnego każdą ze składowych fal.

We współczesnej radiolokacji stosuje się fale EM o różnej polaryzacji, a dobór uzależniony jest od spodziewanych wyników obserwacji. Polaryzacja liniowa wykorzystywana jest np. do detekcji obiektów metalowych (po odbiciu wraca fala spolaryzowana eliptycznie) lub do obserwacji meteorologicznych. Polaryzacji kołowej używa się tam, gdzie konieczne jest zminimalizowanie tłumienia spowodowanego obecnością wody w postaci mgły, chmury czy opadów atmosferycznych.

Zjawisko polaryzacji fal EM znalazło również zastosowanie w wielu dziedzinach nauki – od astronomii (np. pomogło wykryć wodę w pierścieniach Saturna czy zbadać mikrofalowe promieniowanie tła), przez biologię (np. badania budowy i rozmiarów wirusów), chemię (np. wykrywanie enancjomerów), medycynę, po fizykę atomową (np. poznanie budowy jądra atomowego), a także w przemyśle lekkim i ciężkim (polarymetria, defektoskopia), w rozrywce (projekcje 3D) czy w przedmiotach codziennego użytku (ekrany LCD czy okulary przeciwsłoneczne).

Promieniowanie elektromagnetyczne jest jednocześnie falą i strumieniem cząstek (fotonów). Wywodzące się z klasycznej elektrodynamiki pojęcie polaryzacji fali EM ma odpowiednik w mechanice kwantowej pod postacią wartości liczby spinowej (spinu) fotonu. Każdy kwant promieniowania EM charakteryzuje się energią (częstotliwość) i jej fazą, oraz spinem równym 1 lub –1, a „oś spinu” jest zawsze równoległa z kierunkiem propagacji fali. Zamiennie używa się też nazwy spin prawoskrętny i lewoskrętny.

Rys. 12. Foton o liczbie spinowej: (a) 1 – odpowiadającej polaryzacji kołowej prawoskrętnej, (b) -1 – polaryzacji kołowej lewoskrętnej

Polaryzacja liniowa fali elektromagnetycznej zachodzi wtedy, gdy w strumieniu fotonów z jednakowym prawdopodobieństwem można zaobserwować te, których spin jest zarówno prawo-, jak i lewoskrętny. Polaryzacja kołowa prawoskrętna to dominacja fotonów o spinie prawoskrętnym; analogicznie jest w przypadku polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Fala EM niespolaryzowana odpowiada wiązce fotonów, które są różnymi superpozycjami stanów 1 i –1 liczby spinowej.