ГЛАВА 2
АППАРАТУРА, НАБЛЮДЕНИЯ И РЕДУКЦИЯ ДАННЫХ
2.1. Описание поляризованного излучения и принципы его измерения
В общем случае излучение небесных тел может быть частично эллиптически поляризованным. Такое излучение описывается либо интенсивностью I, степенью линейной поляризации P, позиционным углом ? в экваториальной системе координат и степенью круговой поляризации Pc, либо с помощью четырех параметров Стокса I, Q, U, V [435]:
(2.1)
Параметры Q и U характеризуют интенсивности линейно поляризованных составляющих с направлениями колебаний 0? и 45?, а параметр V представляет интенсивность света, поляризованного по кругу. Для естественного света Q = U = V = 0. Наряду с описанными параметрами I, Q, U, V, имеющими размерность интенсивности, часто используются безразмерные (или нормированные) параметры Стокса, выражаемые в процентах:
, , v=. (2.2)
В настоящей работе в основном исследуется линейно поляризованный свет, для которого интенсивность излучения с выделенным направлением колебаний электрического вектора ? в картинной плоскости максимальна, а для направления ? + 90? минимальна. Анизотропию в распределении интенсивности с ортогональными направлениями колебаний электрического вектора принято выражать через степень линейной поляризации:
, (2.3)
При таком определении формально можно получить отрицательную поляризацию, хотя она и не имеет физического смысла. Действительно, частично поляризованный свет с интенсивностью I можно рассматривать как смесь естественного света с интенсивностью In и поляризованного с интенсивностью IР. Тогда относительную долю поляризованного излучения можно выразить через степень поляризации Р:
. (2.4)
Пусть интенсивности излучения с колебаниями в направлениях 0, 45, 90 и 135? в выбранной системе отсчета углов в картинной плоскости будут I0, I45, I90, I135. Тогда для излучения с произвольной линейной поляризацией параметры Стокса равны [68]:
(2.5)
Угол ? задает направление преимущественных колебаний электрического вектора. Его часто определяют как "положение плоскости преимущественных колебаний электрического вектора" или "положение (угол) плоскости поляризации". Степень поляризации Р и угол ? выражаются через параметры Стокса следующим образом:
, . (2.6)
Положение плоскости поляризации определяется по отношению к выбранному основному направлению, в качестве которого обычно выбирают плоскость часового круга объекта. Тогда угол ? определяется как позиционный угол плоскости поляризации, отсчитываемый от направления на северный полюс против часовой стрелки через восток.
Другим частным видом поляризации, который также исследуется в работе, является круговая поляризация, описываемая параметром Стокса V. В этом случае колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях имеют равную интенсивность и постоянную разность фаз ?90? [17]. Величина V определяется разностью интенсивностей компонент излучения, поляризованных вправо и влево по кругу. Аналогично (2.3) степень круговой поляризации можно записать в виде:
, (2.7)
где Ir и Il - интенсивности компонент, поляризованных по кругу вправо и влево. Правая круговая поляризация (Pc > 0) соответствует вращению электрического вектора по часовой стрелке, если смотреть в направлении распространения излучения, а левая круговая поляризация (Pc < 0) соответствует вращению электрического вектора против часовой стрелки [361].
Измерение поляризации излучения заключается в определении его интенсивности после прохождения через анализатор, в качестве которого используются либо поляризаторы (поляроиды, поляризационные призмы), пропускающие излучение с колебаниями электрического вектора в некотором выделенном направлении и не пропускающие (или отклоняющие) излучение с колебаниями в перпендикулярном направлении, либо фазовые пластинки, создающие сдвиг фаз. Если излучение неполяризованное, то его интенсивность остается неизменной при любом положении анализатора, а для полностью или частично линейно поляризованного излучения при вращении анализатора интенсивность меняется. Для нахождения круговой поляризации излучения необходимо измерить интенсивности света, циркулярно поляризованные в противоположных направлениях. Для этого на пути исследуемого излучения ставится четвертьволновая пластинка ?/4. При этом циркулярно поляризованные составляющие превращаются в линейно поляризованные с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний. Таким образом, определение Pc сводится к измерению "псевдо" линейной поляризации [71].
Все использованные нами апертурные фотометры-поляриметры работают на принципе модуляции сигнала при быстром вращении поляризатора [9]. Обычно модуляция интенсивности светового сигнала осуществляется вращением полуволновой ??2 (для измерения линейной поляризации) или четвертьволновой ??4 (для измерения круговой и линейной поляризации) фазовой пластинки, устанавливаемой перед неподвижным анализатором (поляроидом). Интенсивность света, прошедшего последовательно через вращающуюся четвертьволновую пластинку и неподвижный анализатор, описывается так называемой модуляционной формулой:
, (2.8)
где ? 0 - угол между оптическими осями пластинки ??4 и анализатора [435]. Выделение компонент интенсивности, по которым вычисляются параметры Q, U, V, осуществляется по методу синхронного детектирования [10, 70]. В простейшем случае измерения параметров линейной поляризации, модуляция сигнала осуществляется вращением поляроида. Основным достоинством такой методики является то, что результаты измерений не зависят от изменения светового потока, обусловленного переменностью исследуемого объекта, изменениями атмосферных условий или плохим ги