Wie wandelt eine Viertelwellenplatte lineares Licht in kreisförmiges Licht um?

Hängt davon ab, wie tief Sie es verstehen wollen. Mathematisch lässt sich sogar ein vertikal linear polarisiertes Licht durch 2 diagonal linear polarisierte Lichtstrahlen beschreiben. Insofern war es immer da, nur "ausgelöscht". Der Verzögerer verzögert eine diagonale Komponente, aber nicht die andere.

Quantenmäßig ... ich kämpfe ein bisschen damit, aber dieses Video von 3blue1brown eignet sich hervorragend zum Visualisieren und Erklären von Quantenverschränkung und -überlagerung. https://youtu.be/MzRCDLre1b4?t=480

Bearbeiten 1:

Beispiel: Alle diese sind vertikal polarisiertes Licht:

Bearbeiten 2: Oben erzeugen ein horizontaler und ein vertikaler polarisierter Strahl ein diagonal polarisiertes Licht, wenn sie übereinander gelegt werden.

Auf der Unterseite erzeugen ein horizontaler und ein vertikaler polarisierter Strahl ein zirkular polarisiertes Licht, wenn sie sich überlagern. Der Unterschied besteht hier darin, dass die vertikalen und horizontalen Komponenten nicht in Phase sind.

Folgen Sie dem Ende der Arrays. Es macht unten einen Kreis, aber oben nur eine Linie.

Lassen Sie mich mit der Bedeutung der schnellen und der langsamen Achse der Viertelhalbplatte beginnen und sie dazu mit einem normalen Stück Glas vergleichen. Wie üblich sei die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum$c$. Lichtreise in Glas mit einer Geschwindigkeit$v$das ist weniger als$c$, wir schreiben$v=c/n$, mit$n$ist der Brechungsindex und$n>1$für Glas. Für ein normales Stück Glas dies$n$hängt nicht von der Polarisation ab, das heißt, senden Sie Licht mit irgendeiner Polarisation ein, und sie verlangsamen sich alle um den gleichen Betrag. Das Besondere an der Viertelhalbplatte ist nun, dass ihr Brechungsindex polarisationsabhängig ist. Senden Sie Licht, das in Richtung der schnellen Achse polarisiert ist, und es verlangsamt sich etwas$v_f = c/n_f$, senden aber polarisiertes Licht in Richtung der langsamen Achse und bremsen es ab$v_s = c/n_s$, so dass$c>v_f>v_s$. Die schnelle und die langsame Achse stehen senkrecht aufeinander. Ein solches Verhalten ist nicht ungewöhnlich und erfordert, dass die Atome des Materials eine gewisse Asymmetrie aufweisen. Also zum Beispiel einige stabförmige Atome.

Wie führt nun dieses Verhalten dazu, linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln? Das Senden von linear polarisiertem Licht entweder in Richtung der schnellen oder der langsamen Achse beeinflusst zwar die Geschwindigkeit, lässt aber die Polarisation unverändert. Denken wir an die Situation, wo wir Licht einsenden, das linear polarisiert ist, aber at$45^{\circ}$von der schnellen Achse. Wir denken über diese Situation nach, indem wir die oszillierenden elektrischen Lichtfelder entlang der Richtungen der schnellen und der langsamen Achse zerlegen. Bevor das Licht auf die Platte trifft, sind diese beiden Komponenten des elektrischen Feldes in Phase, dh sie sind Spiegel voneinander. Mit anderen Worten, diese beiden Komponenten, die zusammen in Phase oszillieren, geben uns die$45^{\circ}$relativ zur schnellen Achse polarisiertes Licht. Wenn diese beiden Komponenten in die Viertelhalbplatte eintreten, bewegen sich die beiden Komponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wodurch sie unterschiedliche Phasen haben, wenn sie aus der Platte austreten.

Mal sehen, wie man diese Phasenänderung aus den beiden unterschiedlichen Brechungsindizes berechnet. Die beiden Komponenten des elektrischen Felds bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was bedeutet, dass sie unterschiedliche Zeiten innerhalb der Platte verbringen. Dies bedeutet, dass die langsameren Komponenten stärker innerhalb der Platte schwingen. Lassen$t_s = d/v_s$Und$t_f = d/v_f$die Zeit sein, die die langsamen und schnellen Komponenten innerhalb der Platte verbringen, mit$d$die Dicke der Platte ist. Die Frequenz des Lichts sei$f$, dann ist die Anzahl der Schwingungen, die jede Komponente ausführt$f t_s$Und$f t_f$. Um ein zirkular polarisiertes Licht zu erhalten, müssen wir diesen Unterschied zwischen der Anzahl der Schwingungen vierteln, also brauchen wir$f(t_s - t_f) = 1/4$.

Ich glaube, Ihr Problem ist, dass Sie wollen, dass es Sinn macht. Bilder davon ergeben keinen Sinn. Mathematische Beschreibungen dessen, was passiert, ergeben keinen Sinn.

Sie fragen nach einer Erklärung für etwas in Bezug auf Wellen, und in den letzten mehr als 100 Jahren wurde nicht darauf geachtet, nach Erklärungen zu suchen.

Trotzdem stellst du die Frage. Sie und ich hätten gerne ein Bild von Lichtwellen, das zu den Maßen passt. Das wäre befriedigend. Das Bild, das wir uns machen, müsste nicht wirklich korrekt sein. Trotzdem, wenn es irgendwie zu den Daten passt und wenn es Sinn macht, wäre das angenehm.

Wir haben Lichtmodelle als Wasserwellen, aber diese nützen uns nichts, weil sie uns nur vertikale Wellen liefern können – lineare Wellen.

Sie haben ein String-Modell. Kreisförmige Wellen in der Saite werden linear, wenn die Saite einen Schlitz passieren muss, der nur eine vertikale Bewegung zulässt. Wir wollen also eine Möglichkeit, lineare Wellen in der Saite kreisförmig zu machen.

Der Schlitz, der Bewegungen in eine Richtung absorbiert, aber nicht in die andere, ist leicht zu verstehen.

Umgekehrt wollen wir eine Art Schlitz, der die Welle in der zweiten Richtung nicht absorbiert, sondern verzögert .

Ich bin mir nicht sicher, wie ich davon ein physisches Modell erstellen soll. Vielleicht haben Sie ein Seil, das in einer Richtung dicker ist als in der anderen? Würden sich Wellen in der dickeren Dimension langsamer fortbewegen? Ich bin mir nicht sicher, ob sie das tun würden. Idealerweise wäre es in einer Dimension dichter als in der anderen.

Wie wäre es damit. Ihre Wellen wandern durch ein federndes Metallkabel, und für einen Abschnitt hat das Kabel einen asymmetrischen Kern, der aus einem anderen schwereren Metall besteht, einer Art Legierung, die es genauso federnd, aber dichter macht.

Wenn das Kabel hin und her schwingen würde, würde es MÖGLICHERWEISE langsamer gehen, wenn es auf und ab geht, als wenn es von links nach rechts geht.

Und wenn ja, wenn der spezielle Teil des Kabels genau die richtige Länge hätte, dann würde eine lineare Welle, die in einem 45-Grad-Winkel hineingeht, zu einer kreisförmigen Welle werden, die herauskommt. Eine lineare Welle, die auf 0 Grad oder 90 Grad ausgerichtet ist, würde nicht beeinflusst werden. (Die 90-Grad-Welle wäre verzögert, aber Sie würden das nicht bemerken, sie wäre immer noch linear.)

Das ist das Beste, was ich tun kann.