En electrodinámica , la polarización circular de una onda electromagnética es un estado de polarización en el que, en cada punto, el campo electromagnético de la onda tiene una magnitud constante y está girando a velocidad constante en un plano perpendicular a la dirección de la onda.
En electrodinámica, la intensidad y dirección de un campo eléctrico está definida por su vector de campo eléctrico. En el caso de una onda polarizada circularmente, la punta del vector del campo eléctrico , en un punto dado del espacio, se relaciona con la fase de la luz a medida que viaja a través del tiempo y el espacio. En cualquier instante de tiempo, el vector del campo eléctrico de la onda indica un punto de una hélice orientado a lo largo de la dirección de propagación. Una onda polarizada circularmente puede girar en uno de dos sentidos posibles: polarización circular hacia la derecha (RHCP), en la que el vector del campo eléctrico gira hacia la derecha con respecto a la dirección de propagación, y polarización circular hacia la izquierda (LHCP). ) en el que el vector gira en sentido izquierdo .
La polarización circular es un caso límite de polarización elíptica . El otro caso especial es la polarización lineal , más fácil de entender . Los tres términos fueron acuñados por Augustin-Jean Fresnel , en una memoria leída en la Academia de Ciencias de Francia el 9 de diciembre de 1822. [1] [2] Fresnel había descrito por primera vez el caso de polarización circular, sin nombrarlo aún, en 1821. [3]
El fenómeno de la polarización surge como consecuencia de que la luz se comporta como una onda transversal bidimensional .
La polarización circular ocurre cuando los dos vectores componentes del campo eléctrico ortogonales son de igual magnitud y están desfasados exactamente 90°, o un cuarto de longitud de onda.
En una onda electromagnética polarizada circularmente, los vectores del campo eléctrico individuales, así como su vector combinado, tienen una magnitud constante y con un ángulo de fase cambiante. Dado que se trata de una onda plana , cada vector representa la magnitud y dirección del campo eléctrico para todo un plano que es perpendicular al eje óptico. En concreto, dado que se trata de una onda plana polarizada circularmente , estos vectores indican que el campo eléctrico, de plano a plano, tiene una fuerza constante mientras su dirección gira de manera constante. Consulte estas dos imágenes [ enlace muerto ] en el artículo sobre ondas planas para apreciar mejor esta dinámica. Esta luz se considera polarizada circularmente hacia la derecha, en el sentido de las agujas del reloj, si la ve el receptor. Dado que se trata de una onda electromagnética , cada vector de campo eléctrico tiene un vector de campo magnético correspondiente, pero no ilustrado, que forma un ángulo recto con el vector de campo eléctrico y es proporcional en magnitud a él. Como resultado, los vectores del campo magnético trazarían una segunda hélice si se mostraran.
La polarización circular se encuentra a menudo en el campo de la óptica y, en esta sección, nos referiremos a la onda electromagnética simplemente como luz .
La naturaleza de la polarización circular y su relación con otras polarizaciones a menudo se entiende pensando que el campo eléctrico está dividido en dos componentes perpendiculares entre sí. La componente vertical y su plano correspondiente se ilustran en azul, mientras que la componente horizontal y su plano correspondiente se ilustran en verde. Observe que la componente horizontal hacia la derecha (en relación con la dirección de viaje) adelanta a la componente vertical en un cuarto de longitud de onda , una diferencia de fase de 90°. Es esta relación de fase en cuadratura la que crea la hélice y hace que los puntos de máxima magnitud de la componente vertical se correspondan con los puntos de magnitud cero de la componente horizontal, y viceversa. El resultado de esta alineación son vectores seleccionados, correspondientes a la hélice, que coinciden exactamente con los máximos de las componentes vertical y horizontal.
Para apreciar cómo este cambio de fase en cuadratura corresponde a un campo eléctrico que gira manteniendo una magnitud constante, imagine un punto que viaja en el sentido de las agujas del reloj en un círculo. Considere cómo los desplazamientos vertical y horizontal del punto, con respecto al centro del círculo, varían sinusoidalmente en el tiempo y están desfasados en un cuarto de ciclo. Se dice que los desplazamientos están desfasados en un cuarto de ciclo porque el desplazamiento máximo horizontal (hacia la izquierda) se alcanza un cuarto de ciclo antes de que se alcance el desplazamiento máximo vertical. Ahora, refiriéndose nuevamente a la ilustración, imagine el centro del círculo que acabamos de describir, viajando a lo largo del eje de adelante hacia atrás. El punto circular trazará una hélice con el desplazamiento hacia la izquierda de nuestra visión, liderando el desplazamiento vertical. Así como los desplazamientos horizontal y vertical del punto giratorio están desfasados en un cuarto de ciclo en el tiempo, la magnitud de las componentes horizontal y vertical del campo eléctrico están desfasadas en un cuarto de longitud de onda.
El siguiente par de ilustraciones es el de la luz polarizada circularmente hacia la izquierda, en sentido antihorario, cuando la ve el receptor. Debido a que es zurdo, el componente horizontal hacia la derecha (en relación con la dirección de viaje) ahora está retrasado con respecto al componente vertical en un cuarto de longitud de onda, en lugar de adelantarlo.
Para convertir la luz polarizada circularmente al otro lado, se puede utilizar una placa de media onda . Una placa de media onda desplaza una determinada componente lineal de la luz la mitad de una longitud de onda con respecto a su componente lineal ortogonal.
La direccionalidad de la luz polarizada se refleja al revés en una superficie con incidencia normal. En tal reflexión, la rotación del plano de polarización de la luz reflejada es idéntica a la del campo incidente. Sin embargo, con la propagación ahora en la dirección opuesta , la misma dirección de rotación que se describiría como "derecha" para el haz incidente, es "zurda" para la propagación en la dirección inversa, y viceversa. Aparte de la inversión de la lateralidad, también se conserva la elipticidad de la polarización (excepto en casos de reflexión por una superficie birrefringente ).
Tenga en cuenta que este principio sólo se aplica estrictamente a la luz reflejada en incidencia normal. Por ejemplo, la luz polarizada circularmente a la derecha reflejada desde una superficie dieléctrica en incidencia rasante (un ángulo más allá del ángulo de Brewster ) todavía emergerá polarizada a la derecha, pero elípticamente. La elipticidad de la luz reflejada por un metal con una incidencia anormal generalmente también cambiará. Tales situaciones pueden resolverse descomponiendo la polarización circular incidente (u otra) en componentes de polarización lineal paralela y perpendicular al plano de incidencia , comúnmente denotados p y s respectivamente. Los componentes reflejados en las polarizaciones lineales p y s se encuentran aplicando los coeficientes de reflexión de Fresnel, que generalmente son diferentes para esas dos polarizaciones lineales. Sólo en el caso especial de incidencia normal, donde no hay distinción entre p y s , los coeficientes de Fresnel para los dos componentes son idénticos, lo que lleva a la propiedad anterior.
La luz polarizada circularmente se puede convertir en luz polarizada linealmente haciéndola pasar a través de una placa de cuarto de onda . Pasar luz polarizada linealmente a través de una placa de un cuarto de onda con sus ejes a 45° con respecto a su eje de polarización la convertirá en polarización circular. De hecho, esta es la forma más común de producir polarización circular en la práctica. Tenga en cuenta que pasar luz polarizada linealmente a través de una placa de cuarto de onda en un ángulo distinto de 45° generalmente producirá polarización elíptica.
La polarización circular puede denominarse diestra o zurda, y en sentido horario o antihorario, dependiendo de la dirección en la que gira el vector del campo eléctrico. Desafortunadamente, existen dos convenciones históricas opuestas.
Utilizando esta convención, la polarización se define desde el punto de vista de la fuente. Cuando se utiliza esta convención, ser zurdo o diestro se determina apuntando el pulgar izquierdo o derecho lejos de la fuente, en la misma dirección en la que se propaga la onda, y haciendo coincidir la curvatura de los dedos con la dirección de la rotación temporal de el campo en un punto dado del espacio. Al determinar si la onda está polarizada circularmente en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, se toma nuevamente el punto de vista de la fuente y, mientras se mira en dirección opuesta a la fuente y en la misma dirección de propagación de la onda, se observa la dirección del campo temporal. rotación.
Usando esta convención, el vector del campo eléctrico de una onda polarizada circularmente hacia la izquierda es el siguiente:
Como ejemplo específico, consulte la onda polarizada circularmente en la primera animación. Usando esta convención, esa onda se define como diestra porque cuando uno apunta con el pulgar derecho en la misma dirección de propagación de la onda, los dedos de esa mano se curvan en la misma dirección de rotación temporal del campo. Se considera polarizado circularmente en el sentido de las agujas del reloj porque, desde el punto de vista de la fuente, mirando en la misma dirección de propagación de la onda, el campo gira en el sentido de las agujas del reloj. La segunda animación es la de la luz hacia la izquierda o en el sentido contrario a las agujas del reloj, utilizando esta misma convención.
Esta convención cumple con el estándar del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y, como resultado, se utiliza generalmente en la comunidad de ingenieros. [4] [5] [6]
Los físicos cuánticos también utilizan esta convención de lateralidad porque es consistente con su convención de lateralidad para el giro de una partícula. [7]
Los radioastrónomos también utilizan esta convención de acuerdo con una resolución de la Unión Astronómica Internacional (IAU) adoptada en 1973. [8]
En esta convención alternativa, la polarización se define desde el punto de vista del receptor. Usando esta convención, ser zurdo o diestro se determina apuntando el pulgar izquierdo o derecho hacia la fuente, en contra de la dirección de propagación, y luego haciendo coincidir la curvatura de los dedos con la rotación temporal del campo.
Cuando se utiliza esta convención, a diferencia de la otra convención, la lateralidad definida de la onda coincide con la lateralidad de la naturaleza tipo tornillo del campo en el espacio. Específicamente, si uno congela una onda diestra en el tiempo, cuando dobla los dedos de la mano derecha alrededor de la hélice, el pulgar señalará en la dirección de progresión de la hélice, dado el sentido de rotación. Tenga en cuenta que, en el contexto de la naturaleza de todos los tornillos y hélices, no importa en qué dirección apunte el pulgar para determinar su orientación.
Para determinar si la onda está polarizada circularmente en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, se toma nuevamente el punto de vista del receptor y, mirando hacia la fuente, en contra de la dirección de propagación, se observa la dirección de rotación temporal del campo.
Al igual que en la otra convención, ser diestro corresponde a una rotación en el sentido de las agujas del reloj y ser zurdo corresponde a una rotación en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Muchos libros de texto de óptica utilizan esta segunda convención. [9] [10] También lo utiliza SPIE [11] y la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). [12]
Como se indicó anteriormente, existe una confusión significativa con respecto a estas dos convenciones. Como regla general, las comunidades de ingeniería, física cuántica y radioastronomía utilizan la primera convención, en la que la onda se observa desde el punto de vista de la fuente. [5] [7] [8] En muchos libros de texto de física que tratan sobre óptica, se utiliza la segunda convención, en la que la luz se observa desde el punto de vista del receptor. [7] [9]
Para evitar confusión, es una buena práctica especificar "según se define desde el punto de vista de la fuente" o "según se define desde el punto de vista del receptor" cuando se analizan cuestiones de polarización.
El archivo de la Norma Federal de EE. UU. 1037C propone dos convenciones contradictorias sobre la lateralidad. [13]
Tenga en cuenta que el IEEE define RHCP y LHCP de manera opuesta a los utilizados por los físicos. El estándar de antena IEEE 1979 mostrará RHCP en el polo sur de la Esfera de Poincaré. El IEEE define RHCP usando la mano derecha con el pulgar apuntando en la dirección de transmisión y los dedos mostrando la dirección de rotación del campo E con el tiempo. El fundamento de las convenciones opuestas utilizadas por físicos e ingenieros es que las observaciones astronómicas siempre se realizan con la onda entrante viajando hacia el observador, mientras que, como para la mayoría de los ingenieros, se supone que están parados detrás del transmisor observando la onda que se aleja de ellos. Este artículo no utiliza el estándar de antena IEEE 1979 ni la convención +t que se utiliza normalmente en el trabajo de IEEE.
Las estaciones de radio FM a veces emplean polarización circular para mejorar la penetración de la señal en edificios y vehículos. Es un ejemplo de lo que la Unión Internacional de Telecomunicaciones denomina "polarización mixta", es decir, emisiones de radio que incluyen componentes polarizados tanto horizontal como verticalmente. [14] En los Estados Unidos, las regulaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones establecen que la polarización horizontal es el estándar para la transmisión en FM, pero que "se puede emplear polarización circular o elíptica si se desea". [15]
El dicroísmo circular ( CD ) es la absorción diferencial de luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha . El dicroísmo circular es la base de una forma de espectroscopia que puede usarse para determinar la isomería óptica y la estructura secundaria de las moléculas .
En general, este fenómeno se presentará en bandas de absorción de cualquier molécula ópticamente activa . Como consecuencia, la mayoría de las moléculas biológicas exhiben dicroísmo circular, debido a las moléculas dextrógiras (p. ej., algunos azúcares ) y levógiras (p. ej., algunos aminoácidos ) que contienen. También es digno de mención que una estructura secundaria también impartirá una CD distinta a sus respectivas moléculas. Por lo tanto, las regiones de hélice alfa , lámina beta y espiral aleatoria de las proteínas y la doble hélice de los ácidos nucleicos tienen firmas espectrales de CD representativas de sus estructuras.
Además, en las condiciones adecuadas, incluso las moléculas no quirales exhibirán dicroísmo circular magnético , es decir, dicroísmo circular inducido por un campo magnético.
La luminiscencia polarizada circularmente (CPL) puede ocurrir cuando un luminóforo o un conjunto de luminóforos es quiral . El grado de polarización de las emisiones se cuantifica de la misma manera que para el dicroísmo circular , en términos del factor de disimetría , también denominado a veces factor de anisotropía . Este valor viene dado por:
donde corresponde al rendimiento cuántico de la luz polarizada circularmente hacia la izquierda y al de la luz hacia la derecha. El valor absoluto máximo de g em , correspondiente a una polarización circular puramente hacia la izquierda o hacia la derecha, es por tanto 2. Mientras tanto, el valor absoluto más pequeño que puede alcanzar g em , correspondiente a la luz linealmente polarizada o no polarizada, es cero.
La solución clásica de onda plana sinusoidal de la ecuación de onda electromagnética para los campos eléctrico y magnético es:
donde k es el número de onda ;
es la frecuencia angular de la onda; es una matriz ortogonal cuyas columnas abarcan el plano transversal xy; y es la velocidad de la luz .
Aquí,
es la amplitud del campo, y
es el vector de Jones normalizado en el plano xy.
Si se gira en radianes con respecto a y la amplitud de x es igual a la amplitud de y, la onda está polarizada circularmente. El vector de Jones es:
donde el signo más indica polarización circular izquierda y el signo menos indica polarización circular derecha. En el caso de polarización circular, el vector del campo eléctrico de magnitud constante gira en el plano x - y .
Si los vectores base se definen de manera que:
y:
entonces el estado de polarización se puede escribir en la "base RL" como:
dónde:
y:
Se pueden utilizar varios tipos diferentes de elementos de antena para producir radiación polarizada circularmente (o casi); Siguiendo a Balanis , [16] se pueden utilizar elementos dipolares :
"... dos dipolos cruzados proporcionan los dos componentes de campo ortogonales... Si los dos dipolos son idénticos, la intensidad del campo de cada uno a lo largo del cenit... sería de la misma intensidad. Además, si los dos dipolos fueran alimentados con una diferencia de fase temporal de 90° grados (cuadratura de fase), la polarización a lo largo del cenit sería circular.... Una forma de obtener la diferencia de fase temporal de 90° entre los dos componentes del campo ortogonal, irradiados respectivamente por los dos dipolos, es alimentando uno de los dos dipolos con una línea de transmisión que es 1/4 de longitud de onda más larga o más corta que la del otro", p.80;
"Para lograr la polarización circular [en modo axial o de disparo final]... la circunferencia C de la hélice debe ser... con C /longitud de onda = 1 cerca del óptimo, y el espaciado aproximadamente S = longitud de onda/4", pág. 571;
"... se pueden obtener polarizaciones circulares y elípticas utilizando diversas disposiciones de alimentación o realizando ligeras modificaciones en los elementos.... La polarización circular se puede obtener si se excitan dos modos ortogonales con una diferencia de fase temporal de 90° entre ellos. Esto puede Esto se puede lograr ajustando las dimensiones físicas del parche... Para un elemento de parche cuadrado, la forma más fácil de excitar una polarización idealmente circular es alimentar el elemento en dos bordes adyacentes... La diferencia de fase en cuadratura se obtiene alimentando el elemento con un divisor de potencia de 90°", p.859.
Desde el punto de vista de la mecánica cuántica , la luz está compuesta de fotones . La polarización es una manifestación del momento angular de espín de la luz . Más específicamente, en mecánica cuántica, la dirección del giro de un fotón está ligada a la orientación de la luz polarizada circularmente, y el giro de un haz de fotones es similar al giro de un haz de partículas, como los electrones. [17]
Sólo se conocen unos pocos mecanismos en la naturaleza que producen sistemáticamente luz polarizada circularmente . En 1911, Albert Abraham Michelson descubrió que la luz reflejada por el escarabajo dorado Chrysina resplendens está preferentemente polarizada a la izquierda. Desde entonces, la polarización circular se ha medido en varios otros escarabajos como Chrysina gloriosa , [18] así como en algunos crustáceos como el camarón mantis . En estos casos, el mecanismo subyacente es la helicidad a nivel molecular de la cutícula quitinosa . [19]
La bioluminiscencia de las larvas de luciérnagas también está polarizada circularmente, como se informó en 1980 para las especies Photuris lucicrescens y Photuris versicolor . Para las luciérnagas, es más difícil encontrar una explicación microscópica para la polarización, porque se descubrió que las linternas izquierda y derecha de las larvas emiten luz polarizada de sentidos opuestos. Los autores sugieren que la luz comienza con una polarización lineal debido a faltas de homogeneidad dentro de los fotocitos alineados , y adquiere una polarización circular al pasar a través de tejido linealmente birrefringente . [20]
Se ha detectado polarización circular en la luz reflejada por las hojas y los microbios fotosintéticos. [21]
Las interfaces agua-aire proporcionan otra fuente de polarización circular. La luz del sol que se dispersa hacia la superficie está polarizada linealmente. Si esta luz se refleja totalmente internamente hacia abajo, su componente vertical sufre un cambio de fase. Para un observador submarino que mira hacia arriba, la tenue luz que se encuentra fuera de la ventana de Snell está (parcialmente) polarizada circularmente. [22]
Las fuentes más débiles de polarización circular en la naturaleza incluyen la dispersión múltiple por polarizadores lineales [ dudoso – discutir ] , como en la polarización circular de la luz de las estrellas, y la absorción selectiva por medios circularmente dicroicos .
La emisión de radio de los púlsares puede estar fuertemente polarizada circularmente. [23]
Se ha informado que dos especies de camarón mantis pueden detectar luz polarizada circular. [24] [25]