---

مقدمه

تعریف قطبش

انواع قطبش

قطبش خطی

قطبش بیضیوار

در حالت کلی اختلاف فاز بین مؤلفه‌های ارتعاشی در قطبش بیضیوار هر زاویه‌ای می‌تواند باشد که ترکیب دو ارتعاش ، منحنی بیضی به خود می‌گیرد. این قطبش نیز به نوبه خودش بصورت زیر دسته بندی می‌گردد:

• قطبش دایروی: در طبیعت فقط این نوع قطبش را داریم که مؤلفه‌های ارتعاش آن عمود بر هم هستند و دامنه‌های ارتعاشات باهم برابرند و به لحاظ اختلاف فاز (90 یا 270 درجه) به دو دسته قطبش دایروی راستگرد و قطبش دایروی چپ گرد تقسیم می‌شوند.
  
  
• قطبش بیضوی: از ترکیب مناسب قطبشهای دایروی راستگرد و چپگرد بوجود می‌آید که مؤلفه‌های ارتعاشی آن عمود بر هم هستند و برخلاف قطبش دایروی دامنه ارتعاشات برابر ندارد و به لحاظ اختلاف فازی که دارند به دو دسته قطبش بیضوی راستگرد و قطبش بیضوی چپ گرد تقسیم می‌شوند.

برای تفهیم بهتر قطبش خطی نور از مثال زیر کمک می‌گیریم:

هرگاه یک سر طنابی را به بالا و پایین حرکت دهیم، موج عرضی ایجاد می‌شود و هر نقطه از ریسمان یک نوسان سینوسی روی خط مستقیم انجام می‌دهد، لذا این موج را موج پلاریزه خطی می‌گویند، از آنجا که نوسان طناب در یک صفحه واقع است، آن را موج پلاریزه تخت نیز می‌نامند. جابجایی این موج با رابطه (x( z ، t ) = a cos ( kz - ωt + φ نشان داده می‌شود که درآن ، x جابجایی (درامتداد ارتعاش) ، z امتداد انتشار ، a دامنه و (φ) ثابت فاز می‌باشد. این رابطه نشان می‌دهد که جابجایی در هر لحظه یک منحنی کسینوسی خواهد بود. حال یک شکاف باریک و بلند در مسیر طناب قرار می‌دهیم.

• اگر طول شکاف در امتداد ارتعاش طناب باشد، در این صورت طناب از داخل شکاف عبور کرده ، در طرف د یگر با همان دامنه به مسیر خود ادامه می‌دهد.
  
  
• اگر طول شکاف بر امتداد ارتعاش طناب عمود باشد، تقریبا چیزی به طرف دیگر شکاف عبور داده نمی‌شود.
  
  
• اگر طول شکاف با امتداد ارتعاش زاویه دیگری بسازد، دامنه موج عبوری تغییر خواهد کرد. علت این امر آن است که شکاف فقط مؤلفه‌ای از جابجایی را از خود عبور می‌دهد که در امتداد طول شکاف باشد.
  
  لازم به ذکر است که اگر موج طولی در امتداد طناب انتشار می‌یافت، دامنه موج عبوری در همه جهتهای شکاف یکسان بود. بنابراین تغییر دامنه موج عبوری با تغییر امتداد شکاف ، ناشی از عرضی بودن موج است.

مفهوم قطبش خطی نور

• می‌دانیم که نور (امواج الکترومغناطیسی) از ترکیب میدانهای الکتریکی و مغناطیسی تشکیل می‌شود. این دو میدان در راستای عمود بر هم ارتعاش می‌کنند و راستای ارتعاش هر دو بر راستای انتشار موج عمود است. لذا امواج نوری ، امواجی عرضی هستند. انجام آزمایش فوق ، در مورد نور ماهیت عرضی بودن موجهای نوری را ثابت می‌کند.
  
  
• حال نوسان طناب را که نمونه‌ای از قطبش خطی بود، در مورد نور غیر پلاریزه بسط می‌دهیم. هرگاه صفحه ارتعاش موج به صورت تصادفی در فاصله زمانهای بسیار کوتاه عوض شود، موج را موج غیر پلاریزه گویند. یعنی در این موج ، میدان الکتریکی (یا مغناطیسی) در تمام جهات ارتعاش می‌کند.
  
  
• اگر موج غیر پلاریزه‌ای روی شکافی فرود آید، چون میدان الکتریکی در همه جهات مؤلفه دارد، لذا امتداد ارتعاشی که در راستای طول شکاف قرار دارد، از شکاف عبور خواهد کرد و بدین ترتیب در طرف دیگر شکاف میدان الکتریکی فقط یک مؤلفه خواهد داشت، یعنی نور عبوری پلاریزه خواهد بود.
  
  
• در این مورد شکاف در هر جهتی قرار بگیرد، مؤلفه مربوط به آن امتداد عبور خواهد کرد و همواره موج عبوری وجود خواهد داشت. پس چرخش شکاف بر دامنه موج عبوری تاثیر نخواهد گذاشت. ولی صفحه پلاریزاسیون موج عبور کرده ، به امتداد شکاف بستگی دارد. در اینجا این شکاف به عنوان پلاریزور عمل می‌کند.
  
  
• اگر باریکه قطبیده عبوری از شکاف فوق را روی شکاف دیگری فرود آوریم، در این صورت تنها موقعی موج عبوری با همان دامنه را خواهیم داشت که امتداد طول شکاف دوم در امتداد ارتعاش موج پلاریزه باشد. پس با چرخاندن شکاف دوم ، در دامنه عبوری تغییر حاصل می‌شود و گفته می‌شود که شکاف دوم به عنوان آنالیزور عمل می‌کند.

پلاروید

پلاروید ماده پلاستیک مانندی است که برای تولید نور قطبیده استفاده می‌شود و ساختمانی مانند شکافهای فوق دارد که در هر زاویه‌ای در مقابل نور غیر قطبیده قرار بگیرد، نور عبوری قطبیده‌ای حاصل خواهد کرد. حال مانند مسئله شکاف مذکور ، در مسیر نور قطبیده حاصل از پلاروید ، پلاروید دیگری قرار می‌دهیم.

• اگر دو پلاروید در یک امتداد قرار بگیرند، نور عبوری از پلاروید دوم تغییری نخواهد داشت.
  
  
• زمانی که پلاروید دوم عمود بر پلاروید اول قرار گیرد، هیچ نوری عبور نخواهد کرد و تاریکی حاصل خواهد شد.
  
  
• اگر پلاروید دوم را حول خط عمود بر سطح آن بچرخانیم، دامنه نور عبوری تغییر خواهد کرد.
  
  پس شدت نور عبوری به امتداد نسبی دو پلاروید بستگی دارد. در این حالت هم، پلاروید اولی به منزله پلاریزور بوده و باریکه عبوری پلاریزه خطی خواهد بود و پلاروید دومی در مقام آنالیزور عمل می‌کند. در چرخش پلاروید اول به جای پلاروید دوم نیز پدیده‌های فوق مشاهده خواهد شد.

انواع قطبش خطی

• قطبش خطی افقی: اگر امتداد ارتعاش میدان الکتریکی موج، روی صفحه افقی واقع باشد، قطبش خطی را قطبش خطی افقی می نامند.
  
  
• قطبش خطی عمودی: اگر امتداد ارتعاش میدان الکتریکی موج، روی صفحه قائم قرار داشته باشد، قطبش خطی را قطبش خطی عمودی می نامند.
  
  
• قطبش خطی مایل: اگر امتداد ارتعاش میدان الکتریکی موج، روی صفحه نامشخصی قرار گرفته باشد، قطبش خطی را قطبش خطی مایل می نامند.

روشهای تبدیل نور طبیعی به نور قطبیده خطی

استفاده از روش بازتابش

اگر نور تحت زاویه بروستر ( B = arc tan n) که در آن n = n₂/n₁ ضریب شکست نسبی بین دو محیط می‌باشد، به سطح جدایی دو محیط برسد، نور بازتابشی از آن قطبیده خواهد بود.

استفاده از کریستالهای دای کروئیک

کریستال دای کروئیک ، نوعی کریستال خاص با ساختار بلوری معین است که وقتی مقابل نور تابشی عمود قرار می‌گیرد، نور خروجی یک نور قطبیده خواهد بود، یعنی میدان الکتریکی نور خروجی در یک امتداد خاص قرار می‌گیرد. تورمالین یک بلور رنگی است که اولین بلور شناخته شده ازنوع دای کروئیک می‌باشد و مانند فیلتر نوری عمل می‌کند، یعنی فقط نور به رنگ خودش را عبور می‌دهد. مهمترین نوع بلورها ، بلورهای بیرنگ هستند که تمام طول موجهای ورودی را از خود عبور می‌دهند و به آنها در صنعت پلاروید می‌گویند.

استفاده از کریستالهای دو شکستی

کریستال دو شکستی ، دارای ضریب شکستی است که با جهت انتشار و جهت قطبش در بلور تغییر می‌کند. این بلوراز یک پرتو غیر قطبیده ، دو پرتو قطبیده درست می‌کند که قطبشهای آنها برهم عمودند. اولین نوع کریستال دو شکستی ، منشور نیکول است که از جنس کلسیت می‌باشد.

میدان الکتریکی کمیتی برداری است ، بنابراین مجموع میدان‌های الکتریکی از قواعد جمع برداری تبعیت می‌کند. به عنوان مثال اگر دو میدان الکتریکی در نظر بگیریم که در دو امتداد عمود بر هم ارتعاش می‌کنند. همچنین فرض می‌کنیم که این دو به طور همفاز نوسان کنند. ( در نوسان همفاز دو موج ، بیشنه دامنه برای هر دو موج در یک زمان اتفاق می‌افتد) این دو ارتعاش با هم ترکیب شده و امواج قطبیده خطی دیگری را تشکیل خواهند داد.

اما اگر میدانهای اولیه دارای اختلاف فاز π/2 باشند، یعنی مقدار بیشینه دامنه یک میدان با مقدار صفر میدان موج دیگر همزمان باشد، میدان الکتریکی برآیند، در طی یک چرخه کامل به شکل بیضی خواهد بود و نتیجه ترکیب ، نور قطبیده بیضوی نامیده می‌شود. حال اگر دامنه میدانهای اولیه یکسان باشند، این بیضی به یک دایره تبدیل خواهد شد و نام قطبش دایروی به خود خواهد گرفت.

مکانیزم قطبش دایروی

دو موج قطبیده خطی در نظر می‌گیریم که در یک جهت منتشر می‌شوند ولی راستای انتشار آنها بر یکدیگر عمود است.

 

در رابطه فوق a₁ ، a₂ دامنه امواج ، x₁2 بردارهای یکانی واحد و θ ثابت فازی است.

• اگر ثابت فازی مضرب صحیحی از π باشد، برآیند دو موج، قطبش خطی خواهد داشت، که بردار الکتریکی آن در راستایی متفاوت با راستای میدان دو موج نوسان می‌کند.
  
  
• اگر ثابت فازی مضرب صحیحی از π نباشد، در حالت کلی بردار میدان الکتریکی در راستای خط راست نوسان نمی‌کند.
  
  
• اگر ثابت فازی مضرب فردی از π/2 بوده و دامنه‌های میدانهای اولیه یکسان باشد، در اینصورت هرگاه تغییرات زمانی بردار میدان برآیند را در نظر بگیریم، ملاحظه می‌کنیم که نوک بردار میدان الکتریکی بر محیط دایره‌ای به شعاع دامنه میدان اولیه می‌چرخد. ( چون معادله موج برآیند نشان دهنده معادله دایره است) این موج برآیند یک موج قطبیده دایروی خواهد بود که می‌توان با چرخاندن انتهای یک ریسمان کشیده شده روی محیط یک دایره فرضی، آن را به طور عملی مشاهده کرد.
  
  در حالیکه در موج قطبیده بیضوی ، در هر نقطه خاص مقدار و جهت میدان الکتریکی تغییر می‌کند. در حالت خاص دو موج قطبیده دایرو‌ی ، مقدار بدون تغییر باقی می‌ماند ولی جهت میدان با فرکانس زاویه‌ای ω تغییر می‌کند. در مورد موج قطبیده خطی ، بر خلاف موج قطبیده دایرو‌ی ، راستای میدان تغییر نمی‌کند بلکه اندازه میدان با فرکانس زاویه‌ای موج حول مقدار صفر نوسان می‌کند.

انواع قطبش دایروی

اگر اختلاف فاز بین موئلفه‌های قطبش، در قطبش دایروی 3π/2 یا π/2 باشد. در این صورت دو نوع قطبش دایروی خواهیم داشت.

• قطبش دایروی راستگرد: وقتی در جهت عکس انتشار موج به آن نگاه شود ( جهت انتشار عمود بر صفحه بطرف خارج باشد ) و جهت چرخش میدان الکتریکی در جهت حرکت عقربه‌های ساعت دیده شود، قطبش را قطبش دایروی راستگرد می‌گویند. در این نوع قطبش اختلاف فاز برابر 3π/2 است.
  
  
• قطبش دایروی چپگرد: اگر اختلاف فاز بین مؤلفه‌های قطبش ، برابر π/2 باشد، در اینصورت بردار میدان الکتریکی در خلاف جهت حرکت عقربه‌های ساعت خواهد چرخید. (باز راستای انتشار در جهت عمود بر صفحه و بطرف خارج است) بنابر قرار داد چنین قطبشی را دایروی چپگرد می‌گویند.

قطبش بیضوی

حالتهای مختلف قطبش ، مشخصه هر موج عرضی است. به عنوان مثال اگر ریسمان کشیده شده‌ای را به بالا و پایین حرکت دهیم یک موج قطبیده خطی تولید می‌کنیم که جابجایی آن روی صفحه قائم صورت می‌گیرد. به همین ترتیب می‌توان موج قطبیده خطی ایجاد کرد که جابجایی آن بر صفحه افقی واقع باشد. همچنین می‌توان انتهای ریسمان را روی محیط یک دایره یا بیضی چرخاند تا موج قطبیده بیضیوار بدست آید. در مورد چنین موجی ذرات ریسمان واقعا روی محیط یک دایره یا بیضی حرکت می‌کند. با انتشار دو موج قطبیده خطی در ریسمان هم می‌‌توان موج قطبیده بیضوی تولید کرد.

برهمنهی دو موج قطبیده خطی

دو موج الکترومغناطیسی را در نظر می‌گیریم که میدان الکتریکی وابسته به آنها با روابط زیر نشان داده می‌شود:

 

در روابط فوق a₁ و a₂ دامنه موجها ، x بردار یکانی واحد در جهت محور X و θ₁ و θ₂ ثابتهای فاز به شمار می‌روند. از آنجا که دو میدان فوق در راستای محور X ارتعاش می‌کنند، لذا موجهای قطبیده خطی هستند که در جهت محور z انتشار می‌یابند. چون میدان الکتریکی کمیتی برداری است، بنابراین میدان الکتریکی برآیند بصورت جمع برداری دو میدان الکتریکی فوق خواهد بود. میدان الکتریکی موج برآیند بصورت زیر خواهد بود:

رابطه فوق نشان می‌دهد که موج برآیند هم یک موج قطبیده خطی است که در همان راستای انتشار دو موج اولیه انتشار می‌یابد. همچنین ارتعاش میدان الکتریکی موج برآیند نیز در همان راستای ارتعاش امواج اولیه است.

شرایط ایجاد قطبش بیضوی

حال مانند مورد قبلی دو موج قطبیده خطی در نظر می‌گیریم که هر دو در یک جهت انتشار می‌یابند. اما جهت اتعاش میدانهای آنها بر هم عمود است. با این فرض شرایط قطبش بیضوی بودن موج برآیند عبارتست از:

• ترکیب این دو موج که دارای دامنه نامساوی هستند یک موج قطبیده بیضوی خواهد بود.
  
  
• اگر دامنه امواج اولیه برابر باشد، در این صورت موج برآیند یک موج قطبیده بیضوی خواهد بود به شرط اینکه ثابت فاز موج برآیند مضرب صحیحی از π و یا π/2 نباشد.
  
  
• اگر ثابت فاز موج برآیند مضرب صحیحی از π باشد، در اینصورت موج برآیند قطبش خطی خواهد داشت که معادل یک خط راست است.
  
  
• اگر ثابت فاز موج برایند مضرب صحیحی از π/2 بوده و دامنه امواج اولیه یکسان باشد، در اینصورت موج برایند قطبیده دایروی خواهد بود.
  
  بنابراین می‌توان گفت که ترکیب دو ارتعاش خطی عمود بر هم ، وقتی که اختلاف فازی بین آنها برقرار باشد، یک ارتعاش بیضوی خواهد بود. یعنی برآیند دو موج در هر لحظه یک ارتعاش خطی با دامنه معین است که این ارتعاش خطی یک چرخه کامل پیرامون بیضی را طی خواهد کرد. با اینکه دامنه در هر لحظه ثابت است ولی این مقدار ثابت ضمن چرخش تغییر می‌کند. در صورتی که فاز حرکت تغییر نکند، حرکت پیرامون بیضی ، به همان صورت تکرار می‌شود.

روش تولید قطبش بیضیوار :

 

• با استفاده از تیغه ربع موج : این تیغه یک بلور دو شکستی با ضخامت ویژه است که اگر نوربطور عمودی به آن بتابد، نور خروجی بیضیوار خواهد داشت . تیغه چنان برش یافته است که مولفه هایی که در ورود به بلور هم فاز بودند، با سرعت های متفاوت از آن می گذرند و در وضعیتی از آن خارج می شوند که نسبت به هم اختلاف فاز 90درجه یا ربع موج دارند .
  
  همچنین نور قطبیده دایروی ، درعبور از تیغه ربع موج ، به نور قطبیده خطی تبد یل می شود .

 

• با استفاده از تیغه نیم موج : این تیغه با قرار دادن دو تیغه ربع موج کنار هم بد ست می آید. در این مورد نور قطبیده خطی تحت هر زاویه نسبت به محور نوری، دو مولفه متعامد تولید می کند که طی عبور از بلور با اختلاف فاز 180درجه از آن خارج می شوند. تیغه نیم موج همچنین جهت قطبش دایروی را از دست چپ به راست و برعکس تبد یل می کند.

انواع قطبش بیضوی

قطبش بیضوی راستگرد

اگر جهت انتشار موج در جهت عمود بر صفحه و بطرف خارج باشد و جهت چرخش میدان الکتریکی در جهت عقربه‌های ساعت باشد، در این صورت قطبش را بیضوی راستگرد می‌گویند.

قطبش بیضوی چپگرد

اگر جهت انتشار موج در جهت عمود بر صفحه و به طرف خارج باشد و جهت چرخش میدان الکتریکی در خلاف عقربه‌های ساعت باشد، در این صورت قطبش را چپگرد می‌گویند.