logo

logo

logo

logo

logo

الاستقطاب (قياس-)

استقطاب (قياس)

Plarimetry - Polarimétrie

 الاستقطاب

الاستقطاب (قياس-)

الاستقطاب polarization خاصية لأنواع معينة من الأمواج تصف اتجاه اهتزازتها. فالأمواج الكهرطيسية electromagnetic waves مثل الضوء وأمواج الجاذبية تظهر استقطاباً، أما الأمواج الصوتية acoustic في السوائل أو الموائع فليس لها استقطاب، حيث إن اتجاه الاهتزاز هو اتجاه الانتشار ذاته.

يُنفذ قياس الاستقطاب polarimetry عادةً على الأمواج الكهرطيسية التي تعبرُ مادة أو جسماً ما، أو تنعكس أو تنكسر أو تنحرف عنها؛ بهدف توصيف تلك المادة أو الجسم.

يُستخدم قياس الاستقطاب لتحديد الخصائص الضوئية المختلفة للمواد بما في ذلك الانكسار المضاعف birefringence الخطي، والانكسار المضاعف الدائري (والذي يُعرف أيضاً بالدوران البصري optical rotation)، واللونانية (الإثنانية اللونية) dichroism الخطية، واللونانية الدائرية، والتبعثر scattering.

يُطلق على قياس استقطاب الأغشية الرقيقة والسطوح، اسم قياس التفلطحية (أو الإهليلجية) ellipsometry؛ إذ يكون الضوء في هذه الحال مستقطباً استقطاباً إهليلجياً.

يمكن إدراج قياس الاستقطاب في إجرائيات التحليل الحسابي للأمواج، فعلى سبيل المثال، تأخذ الرادارات بالحسبان استقطاب الموجة في المعالجة اللَّحقية post-processing بهدف تحسين تمييز الأهداف.

طرائق القياس وإجرائياته

يعود استقطاب الأمواج الكهرطيسية إلى تراصف مركّبتي الحقلين الكهربائي والمغنطيسي في مستوٍ عمودي على اتجاه انتشار الموجة. وبسبب تعامد حقلي الموجة الكهربائي والمغنطيسي يمكن الاكتفاء بدراسة تغيرات متجه الحقل الكهربائي بدلالة الزمن.

يمكن وصف الحقل الكهربائي للموجة المستوية كمجموعٍ متجهي لمركّبتين متعامدتين، هما عادةً المركّبة الأفقية والرأسية، حيث تُوصف هذه المركِّبات بدورها بوساطة مطال كل منها والطور النسبي فيما بينها. فعند النظر على طول اتجاه الانتشار، وبافتراض جملة إحداثيات محددة تمتلك محورين أفقياً وعمودياً، يرسم رأس متجه الحقل الكهربائي للموجة المستقطبة استقطاباً كلياً أثراً يمتلك شكلاً منتظماً، هو- عموماً- شكل إهليلجي يسمى إهليلج الاستقطاب polarization ellipse (الشكل1).

يوصف إهليلج الاستقطاب باستخدام ثلاثة متحولات تُعطى بدلالة مركّبات متجه الحقل الكهربائي على النحو الآتي:

1 - مطال الإهليلج الوصف: الوصف: 16282.jpg، ويتحدد من محوريه بالعلاقة (1):

الوصف: الوصف: 16272.jpg

2 -توجه الإهليلج الوصف: الوصف: 16262.jpg، وهو الزاوية التي يصنعها المحور الكبير للإهليلج مع المحور الأفقي، وتقاس بعكس اتجاه دوران عقارب الساعة، وتسمى زاوية توجه orientation الموجة الكهرطيسية، ويمكن أن تأخذ القيم من الوصف: الوصف: 16254.jpgحتى الوصف: الوصف: 16246.jpg، وتعطى بالعلاقة (2):

الوصف: الوصف: 16238.jpg

حيث الوصف: الوصف: 16229.jpg

3 - بيضوية الإهليلج الوصف: الوصف: 16219.jpg، وتُوصف بوساطة متغير الشكل المسمى الإهليلجية ellipticity، ويأخذ قيماً تقع بين الوصف: الوصف: 16208.jpgو الوصف: الوصف: 16198.jpg. وتُعطى الإهليلجية بالعلاقة الوصف: الوصف: 16190.jpg، حيث a نصف قطر القطع الإهليلجي الكبير و b نصف قطر القطع الصغير، أو تعطى بدلالة مركبات الحقل الكهربائي بالعلاقة ( 3):

الوصف: الوصف: 16179.jpg

حيث تدل إشارة الوصف: الوصف: 16170.jpgعلى اتجاه الدوران على الإهليلج.

ويمكن في حالات خاصة أن يُرد الإهليلج إلى دائرة، فيكون عندها الاستقطاب دائرياً (أيمن أو أيسر)، أو أن يُختزل إلى خط مستقيم ليكون الاستقطاب خطياً (أفقي أو رأسي)، كما هو مبيّن بالشكل ( 2).

تجدر الإشارة إلى أنه يُرمز لاستقطاب الأمواج الصادرة والراجعة بزوجين من الرموز. فعلى سبيل المثال، تستخدم المنظومات الرادارية الرمزين الوصف: الوصف: 16161.jpgوالوصف: الوصف: 16152.jpg للاستقطاب الخطي الأفقي والرأسي، على الترتيب. يمكن بذلك استخدام أربع قنوات في الرادار، توافق التراكيب المختلفة للاستقطاب الخطي لكل من الموجتين الصادرة والراجعة، وعندها يسمى برادار الاستقطاب التربيعي. ثمة منظومات رادارية أحادية الاستقطاب، وأخرى ثنائية الاستقطاب.

هناك طريقة أخرى لتحديد حالة الاستقطاب باستخدام متجه جونز Jones vector. ويتحدد متجه جونز بوساطة مقدارين عقديين، ويتطلب بذلك قياس الموجة الواردة، وتسجيل كل من مطال الموجة الواردة وطورها، وهذا يفرض على جملة القياس أن تكون مترابطةً، وهي المعتمدة في القياسات الحديثة.

أما جمل القياس غير المترابطة - وهي أقدم طريقة - فقد اعتمدت في وصف استقطاب الموجة على قياسات الاستطاعة فقط. وقد أدخل الفيزيائي البريطاني ستوكس Stokes المتغير الوصف: الوصف: 16144.jpgالذي يتناسب والشدة الكلية للموجة؛ لوصف حالة استقطاب الموجة الكهرطيسية بوساطة متجه رباعي يُعرف بمتجه ستوكس، ويعطى بالترميزات المختلفة المبينة في العلاقة (4).

يطلق على المقادير S0 و S1 و S2 و S3 وS4 موسطات parameters الاستقطاب، حيث يمثل S0 الشدة الكلية للحزمة الضوئية، و S1 رجحان preponderance الضوء المستقطب أفقياً وخطياً (LHP) على الضوء المستقطب أفقياً ورأسياً (LHV)، و S2رجحان الضوء المستقطب بزاوية + 45ْ وخطياً (L+45p)على الضوء المستقطب بزاوية -45ْ وخطياً (L-45p)، و S3 رجحان الضوء المستقطب دائرياً ويمينياً (RCP) على الضوء المستقطب دائرياً ويسارياً (RLP).

الوصف: الوصف: 16135.jpg

وفيها تمثل الوصف: الوصف: 16126.jpgو الوصف: الوصف: 16114.jpgالقيم المطلقة للمركّبات الأفقية والرأسية لمتجه الحقل الكهربائي، والوصف: الوصف: 16103.jpg توجه الإهليلج، و الوصف: الوصف: 16093.jpgبيضوية الإهليلج، والدليل الوصف: الوصف: 16083.jpgالمرافق العقدي. تسمى المتحولات الوصف: الوصف: 16074.jpgمتحولات ستوكس وترتبط فيما بينها بالعلاقة (5):

الوصف: الوصف: 16065.jpg

يمكن أن تكون الموجة الكهرطيسية المستوية مستقطبة كلياً، أو جزئياً، أو غير مستقطبةٍ بالكامل. ففي حالة الاستقطاب الكلي، تكون ثلاثة متحولات فقط من متحولات ستوكس في المجموعة الوصف: الوصف: 16056.jpgمستقلةً. ويدل متحول ستوكس الوصف: الوصف: 16048.jpgعلى الاستطاعة الكلية (الشدة) للموجة، ويمثل الوصف: الوصف: 16040.jpgالاستطاعة الكلية في المركبات الأفقية أو الرأسية المستقطبة خطياً، ويساوي الوصف: الوصف: 16032.jpgالاستطاعة في المركّبات المستقطبة خطياً بزوايا الوصف: الوصف: 16023.jpgأو الوصف: الوصف: 16014.jpg، وأخيراً يدل الوصف: الوصف: 16002.jpgعلى الاستطاعة في المركّبة المستقطبة استقطاباً دائرياً يمينياً ويسارياً في مستوي الموجة. إذا كان أي من هذه المتحولات يمتلك قيمةً مغايرةً للصفر، فهذا يدل على وجود مركّبة مستقطبة في مستوي الموجة.

تمتلك متحولات ستوكس أهميةً كبيرةً في وصف المطال والطور النسبي، ومن ثَم في وصف استقطاب الموجة. ويمكن الحصول عليها من قياسات الاستطاعة فقط. لهذا السبب يمكن بوساطة متجه ستوكس وصف حالة استقطاب الموجة بوساطة أربعة متحولات حقيقية وليست عقدية.

يمكن تمثيل متجه ستوكس في فضاء ثلاثي الأبعاد؛ لكونه يتحدد بالكامل بوساطة ثلاثة متحولات مستقلة. تسمى عملية التمثيل هذه كرة بوانكاره Poincaré sphere. يمكن وصف الموجة المستقطبة استقطاباً كلياً بوساطة نقطة تقع على كرة بوانكاره، حيث تؤخذ متحولات ستوكس الثلاثةالوصف: الوصف: 15994.jpg إحداثياتٍ كروية لنقطة واقعة على كرة نصف قطرها يساوي شدة الموجة الوصف: الوصف: 15985.jpg(الشكل 3 ).

إذا كانت الموجة الكهرطيسية مستقطبة استقطاباً جزئياً وليس كلياً؛ فإنه بالإمكان وصفها بوساطة مجموع موجة مستقطبة كلياً وموجة غير مستقطبة كلياً (أو موجة ضجيج).

يعتمد وصف تبعثر الموجة المستقطبة استقطاباً محدداً عن هدف ما - سواء أكان عاكساً منفصلاً أو سطحاً موزعاً - على قياس خصائص تبعثر الهدف بوساطة الرادار الاستقطابي polarimetric radar؛ إذ يصدر الرادار موجة باتجاه الهدف، فتتبعثر عنه في جميع الاتجاهات. يسجل الرادار جزء الموجة المتبعثرة الراجعة باتجاه هوائي الاستقبال، الذي غالباً ما يكون في المكان نفسه الذي يقع فيه هوائي الإرسال. يقود استخدام الرادار إلى معرفة المزيد عن خصائص الهدف، وذلك بوساطة التحكم في استقطاب الموجة الواردة على الهدف، وقياس خصائص استقطاب الموجة المتبعثرة الراجعة.

عندما ترد إلى الهدف موجة مستقطبة استقطاباً أفقياً أو رأسياً، فقد يضم استقطاب الموجة المتبعثرة الراجعة مساهمة كل من الاستقطاب الأفقي والرأسي. ولما كانت المركّبات الأفقية والرأسية تشكل مجموعة أساس متكاملة لوصف الموجة الكهرطيسية؛ يمكن وصف جميع خصائص التبعثر الراجع للهدف بوساطة مصفوفة التبعثر [s] التي تعطى بالعلاقة ( 6):

الوصف: الوصف: 15976.jpg

تصف هذه المصفوفة تحويلات الحقل الكهربائي للموجة الواردة Ei إلى الحقل الكهربائي للموجة المتبعثرة. يشير الدليل العُلوي الوصف: الوصف: 15965.jpgإلى الموجة الواردة، والدليل الوصف: الوصف: 15956.jpgإلى الموجة المتبعثرة. يمكن بقياس هذه المصفوفة حساب كل من شدة الموجة المتبعثرة واستقطابها من أجل أي استقطاب اختياري للموجة الواردة؛ نظراً لإمكانية كتابة أي موجة واردة بدلالة مجموعة الأساس الوصف: الوصف: 15948.jpg.

إن العناصر الأربعة لمصفوفة التبعثر هي أعداد عقدية، ويمكن الحصول عليها من المقادير والأطوار المقاسة بوساطة القنوات الأربع للرادار الاستقطابي، وذلك بعد إجراء عملية معايرة دقيقة. تُطبَّق خصائص تبعثر الهدف المقاسة فقط عند ذلك التواتر، وزاوية الحزمة المستخدمين في منظومة الرادار. علاوةً على ذلك من الضروري تحديد الإحداثيات المكانية لكل من الموجة الواردة، وتلك المتبعثرة.

مراجع للاستزادة:

- R. Bellazzini, X-ray Polarimetry, Cambridge University Press, 2010.

- M. I. Mishchenko et al., Polarimetric Detection, Characterization and Remote Sensing, Springer, 2011.

- J.S. Tyo et al., Review of Passive Imaging Polarimetry For Remote Sensing Applications, Appl. Optics, V. 45, No. 22, pp. 5435- 5469, 2006.

الوصف: الوصف: 28-1.psd

الشكل(1): إهليلج الاستقطاب ومتحولاته.

الوصف: الوصف: 28-2.psd

الشكل ( 2): الأنواع المختلفة للاستقطاب.

الوصف: الوصف: 28-3.psd

الشكل ( 3) كرة بوانكاره

عصام الجغامي


التصنيف : أجهزة القياس الفلكية
النوع : أجهزة القياس الفلكية
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 535
الكل : 27463578
اليوم : 73615