2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему
 
 Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 01:25 


25/05/15
1
Если разделить естественный свет на две части, одну часть оставить как есть, а вторую пропустить через поляризационный вращатель, будут ли эти две части интерферировать, если их потом свести вместе?
Если считать, что фотоны линейно поляризованы, то интерференции быть вроде бы как не должно, но если циркулярно, то вроде бы как интерференция должна иметь место.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 13:38 
Аватара пользователя


28/01/14
353
Москва
biv в сообщении #1019218 писал(а):
Если разделить естественный свет на две части, одну часть оставить как есть, а вторую пропустить через поляризационный вращатель, будут ли эти две части интерферировать, если их потом свести вместе?
Если считать, что фотоны линейно поляризованы, то интерференции быть вроде бы как не должно, но если циркулярно, то вроде бы как интерференция должна иметь место.

Не будут. Так как естественный свет не поляризован (точнее, фотоны поляризованы хаотически, случайным образом) Ну и вообще говоря, интерференция - понятие, применяющееся к когерентным (т.е. на одной частоте) волнам. А поляризация, это несколько иное.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 14:03 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
OlegCh в сообщении #1019363 писал(а):
Не будут.

Я бы так категорично не утверждал. С интерференцией белого света много тонкостей из-за пространственной и временной некогерентности.

А вот поворот плоскости поляризации белого поляризованного луча, при прохождении через некоторые среды, определяется именно наличием в луче право и лево циркулярно поляризованного света.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 17:36 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Вопрос хороший.

Навскидку: естественный свет, как и любой другой, образован движением электронов. И его поляризация зависит от того, по какой траектории движутся электроны. (Этому можно придать смысл даже в случае квантовых переходов, таких как переходы между орбиталями атомов или молекул. Например, при переходе с $2p_z$ на $1s$ орбиталь электрон движется линейно - излучение дипольное, типа электрического диполя.) И я не вижу, почему бы естественный свет был бы преимущественно линейно или циркулярно поляризован: в среднем, должно встречаться и такое, и другое излучение (а также смешанно-поляризованное, тоже не тяготеющее ни к тому, ни к другому типу).

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 19:01 
Заслуженный участник


29/09/14
1249
Вдобавок ещё вот какое рассуждение придумалось (сильно идеализированное и сильно занудное - для ясности :)). Притом основанное не на квантовой (фотонной) картине, а на представлении о классических ЭМ-волнах.

Рассмотрим естественный свет в заданной точке наблюдения как вектор электрического поля $\vec{E}(t),$ хаотично изменяющийся со временем $t$ по направлению и по величине (в плоскости, перпендикулярной лучу, разумеется, т.к. ЭМ-волна это поперечная волна).

Пусть некий идеальный интерферометр как-то создаёт из исходного луча аналогичный второй луч света, приходящий в ту же точку наблюдения, но в котором во всём диапазоне наблюдаемых частот фаза ЭМ-волны сдвигается на $\pi.$ То есть, попросту говоря, пусть интерферометр добавляет в точке наблюдения к исходному случайному вектору $\vec{E}(t)$ этот же вектор с противоположным знаком:

$\text{Поле в точке наблюдения} = \vec{E}(t) +(-\vec{E}(t))=0$ .

Другими словами, наш прибор таков, что в точке наблюдения имеет место 100% деструктивная интерференция.

Заметим, что то же самое равенство можно записать, предварительно разбив вектор поля на две взаимно перпендикулярные составляющие в направлениях 1 и 2, выбранных в данной плоскости произвольно:

$\text{Поле в точке наблюдения} = \vec{E}_1(t)+\vec{E}_2(t) +(-\vec{E}_1(t)-\vec{E}_2(t))=0$ .

А теперь усложним прибор: пусть второй луч интерферометра, прежде чем попасть в точку наблюдения, проходит ещё и через идеальный поляризатор, поглощающий, например, компоненту 1 (так что, на выходе такого поляризатора свет будет линейно поляризован в направлении 2). Тогда в нашей формуле следует вычеркнуть слагаемое $(-\vec{E}_1(t)).$ И мы получим:

$\text{Поле в точке наблюдения} = \vec{E}_1(t)+\vec{E}_2(t)+(-\vec{E}_2(t))=\vec{E}_1(t)$ .

Имхо, тут виден ответ (идеализированный) на вопрос ТС. А именно: с поляризатором тоже имеет место некоторая интерференция обоих лучей. Действительно:

а) без нашего интерферометра и без поляризатора мы имели бы в точке наблюдения неполяризованный свет $\vec{E}=\vec{E}_1+\vec{E}_2$ .

б) но с тем и с другим мы получаем в точке наблюдения свет $\vec{E}_1$ - он имеет меньшую яркость и поляризован ортогонально тому, что дал бы только поляризатор без интерферометра.


P.S.
За сохранением энергии я тут для простоты не следил (написал, что интерферометр создает ещё один луч, а надо было бы делить поровну интенсивность входного луча между двумя интерферирующими лучами; кроме того, чтобы не нарушать закон сохранения энергии, надо рассматривать и тёмные и светлые места интерференционной картины целиком). Но применительно к одной "точке наблюдения", наверное, такая идеализация допустима.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 19:24 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
(И подсказка: такой "идеальный интерферометр" очень просто сделать. Фактически, он уже и так есть.)

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение25.05.2015, 22:56 
Заслуженный участник


29/09/14
1249
(Раз адресат подсказки не указан, и ответов пока не поступило, рискну предложить вариант подсказки к подсказке: это ладонь - ведь ею можно заслониться от света ;)

(Подробнее см. ФЛФ-3, глава 31, §6 "Дифракция света на непрозрачном экране")

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение26.05.2015, 00:35 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
(я имел в виду металлический экран - идеальную отражающую поверхность, но идея да, примерно такая :-)

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение26.05.2015, 03:26 


25/01/11
23
Действительно интересный вопрос!

Поляризационная оптика характерна тем, что, при всей её простоте, интуиция подводит очень часто. Поэтому лучше считать, чем думать (хотя сфера Пуанкаре часто позволяет решать задачи головой).

Для расчёта преобразования частично-поляризованного света системой без деполяризующих элементов уместнее всего использовать метод Джонса но для матриц когерентности (далее $G=G(0)$ — разница плеч сравнимая или большая времени когерентности даст только очевидное уменьшение контраста интерференционной картины). Более популярные параметры Стокса это фактически коэффициенты разложения (эрмитовой) матрицы когерентности по матрицам Паули, и в данной задаче они излишни (нужны там, где есть деполяризующие элементы; см. метод Мюллера).

Для полностью неполяризованного света матрица когерентности — единичная. Матрица Джонса 90°-ротатора есть просто матрица поворота на 90°. Другого плеча интерферометра — единичная. Их суперпозиция (с фазовым множителем $e^{i \varphi}$, где $\varphi$ — разность фаз между плечами) — полная матрица интерферометра. Ответ:

$$
J=\frac{1}{\sqrt2}\left[\left(
\begin{array}{cc}
 0 & -1 \\
 1 & 0 \\
\end{array}
\right)+e^{i \varphi} \left(
\begin{array}{cc}
 1 & 0 \\
 0 & 1 \\
\end{array}
\right)\right]=\frac{1}{\sqrt2}\left(
\begin{array}{cc}
 e^{i \varphi } & -1 \\
 1 & e^{i \varphi } \\
\end{array}
\right),$$
$$ G_0=\left(
\begin{array}{cc}
 1 & 0 \\
 0 & 1 \\
\end{array}
\right) ,$$
$$
G=J G_0 J^{+}=\left(
\begin{array}{cc}
 1 & i \sin \varphi  \\
 -i \sin \varphi  & 1 \\
\end{array}
\right) ,$$
$$ I=\frac12\operatorname{Tr}G=1,
$$
где $I$ — интенсивность на выходе из интерферометра (на входе была $2$). Т.е. интерференции не будет.

Почему не будет тоже понятно: в базисе линейных поляризаций это очевидно (как указал biv). В круговом базисе полезно помнить, что ротатор (фарадеевский, гиротропная фазовая пластинка или любой другой) вносит фазовую добавку между право- и лево- круговыми поляризациями. 90°-ротатор вносит добавку $\pi$ (в этом смысле некорректно говорить, что $\varphi$ это разность фаз между плечами: нужно-бы уточнить для какой именно поляризации). Соответственно и правые и левые поляризации интерферировать будут. Но: когда правые интерферируют конструктивно — левые деструктивно и vice versa. В этом легко убедиться непосредственно, рассмотрев
$$
\left|J \left(
\begin{array}{c}
 1 \\
\pm i \\
\end{array}
\right)/\sqrt2\right|^2=1\mp \sin\varphi.
$$
А так как (очень грубо говоря) в естественном свете правого и левого поровну — интерференции не будет.

Примечательно, однако, что модуляция состояния поляризации все-же произойдет: результирующая матрица когерентности $G=\sigma_0-\sin\varphi\ \sigma_2$, где слагаемое $\sigma_2$ говорит, что свет на выходе из интерферометра будет «обогащен» правой или левой (в зависимости от знака $\sin \varphi$) поляризацией. И интерференцию можно будет наблюдать, разместив уже после интерферометра четвертьволновую пластинку с линейным поляризатором (т.е., к примеру, современный поляризатор для фотографов развернутый задом наперёд).

В случае с поляризатором (а не ротатором) в плече интерферометра, на который указал Cos(x-pi/2):
$$
J=\frac{1}{\sqrt2}\left[\left(
\begin{array}{cc}
 1 & 0 \\
 0 & 0 \\
\end{array}
\right)+e^{i \varphi} \left(
\begin{array}{cc}
 1 & 0 \\
 0 & 1 \\
\end{array}
\right)\right]
$$
$$
G=\left(
\begin{array}{cc}
1+ \cos \varphi & 0 \\
 0 & \frac{1}{2} \\
\end{array}
\right)
$$
и интерференция, конечно, будет наблюдаться.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение26.05.2015, 10:02 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
apex в сообщении #1019721 писал(а):
Для полностью неполяризованного света матрица когерентности — единичная.

Я отвечал на другой вопрос, где каждый отдельный фотон полностью поляризован.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение26.05.2015, 16:39 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
Интерференцию в белом свете можно получить совместив одноименные точки источника света в обоих лучах.
Т.е на экране встречаются пары лучей выходящих из одной точки источника. А в каждой точке источника имеем следующее;
Munin в сообщении #1019467 писал(а):
Навскидку: естественный свет, как и любой другой, образован движением электронов. И его поляризация зависит от того, по какой траектории движутся электроны. (Этому можно придать смысл даже в случае квантовых переходов, таких как переходы между орбиталями атомов или молекул. Например, при переходе с $2p_z$ на $1s$ орбиталь электрон движется линейно - излучение дипольное, типа электрического диполя.) И я не вижу, почему бы естественный свет был бы преимущественно линейно или циркулярно поляризован: в среднем, должно встречаться и такое, и другое излучение (а также смешанно-поляризованное, тоже не тяготеющее ни к тому, ни к другому типу).


Излучение на малой области источника (значительно большей, чем длина волны) пространственно когерентно. Видимо это связано с влиянием излучаемого излучения на процес излучения электронами.
Вопрос ТС об возможности интерференции взаимно перпендикулярных колебаний на выходе интерферометра сводится к тому, насколько когерентны эти взаимно перпендикулярные колебания в точке источника.

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение29.05.2015, 00:45 


12/03/14
251
Munin в сообщении #1019675 писал(а):
я имел в виду металлический экран


именно на таком принципе IMAX кинотеатры работают. 2 проектора, 2 поляризующие линзы в очках. так что точно - есть ) странно только что в 70-е до этого не додумались, а с анаглифом все баловались...никаких ни технических, ни научных препятствий и тогда не было....

 Профиль  
                  
 
 Re: Интерференция естественного света
Сообщение03.06.2015, 14:34 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
Floating point в сообщении #1020912 писал(а):
именно на таком принципе IMAX кинотеатры работают. 2 проектора, 2 поляризующие линзы в очках.

Попался коротенький обзор стереотехники.
http://www.hardnsoft.ru/academy/technol ... 8/?PRINT=Y
Все те же три метода разделения правого и левого изображений
1 поляризационный - нужен метализированный экран
2 спектральный с трехполосными интерференционными фильтрами - сильное ослабление света ( может со временем будут три лазера для правого и три для левого?)
3 временной - нужны очки с управляемыми затворами и с батарейкой.

Видимо последний победит, он удобнее для планшетов. Наделают очков с дистанционым управлением и от планшета, и от проектора в кинозале.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 13 ] 

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group