cơ sở lí thuyết về hiện tượng phân cực ánh sáng và ứng dụng

Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên người ta vẽ trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng các vector cường độ điện trường có trị số bằng nhau, phân bố đều đặn xung quanh tia sáng đầu mút của chú

Nhưng do tính chất hỗn loạn của các vận động bên trong nguyên tử, vector 𝐸 trong các đoàn sóng do một nguyên tử phát ra có thể dao động theo những phương khác nhau xung quanh tia sáng Mặt khác nguồn sáng mà chúng ta đang xét dù có kích thước khá nhỏ cũng bao gồm rất nhiều nguyên tử, phương dao động của vector 𝐸 trong các đoàn sóng do các nguyên tử phát ra cũng thay đổi một cách hỗn loạn xung quanh tia sáng Như vậy ánh sáng từ một nguồn phát ra (Mặt Trời, dây tóc nung đỏ ) có vector cường độ điện trường dao động theo tất cả mọi phương

vuông góc với tia sáng Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng được gọi là ánh sáng tự nhiên

Tia sáng

Hình 1-1 Dao động của vector cường độ điện trường trong một đoàn sóng

Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên người

ta vẽ trong mặt phẳng vuông góc với tia

sáng các vector cường độ điện trường có

trị số bằng nhau, phân bố đều đặn xung

quanh tia sáng đầu mút của chúng nằm

trên một đường tròn có tâm trên tia

sáng (H 1-2)

1.1.2 Ánh sáng phân cực

Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi cho một ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất dẳng hướng về mặt quang học, ví dụ các tinh thể, thì trong những điều kiện nhất định nào đó, tác dụng của môi trường lên ánh sáng tự nhiên có thể làm

cho vector cường độ điện trường chỉ còn dao động theo một phương nhất định

Ánh sáng có vector cường độ điện trường chỉ dao động theo một phương xác định được gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần.

Mắt người không có khả năng phân biệt giữa ánh sáng định hướng ngẫu nhiên

và ánh sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳng chỉ có thể phát hiện qua cường

độ hoặc hiệu ứng màu, ví dụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm Ý niệm cơ

Tia sáng

Hình 1-2 Biểu diễn ánh sáng tự nhiên

Hình 1-3 Mô tả hiện tượng phân cực ánh sáng

bản của sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 1-3 đối với một chùm ánh sáng không phân cực đi tới hai bản phân cực thẳng Vectơ điện trường vẽ trong chùm ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao động theo mọi hướng (3600, mặc dù chỉ

có 6 sóng, cách nhau 600

được vẽ trong hình) Trong thực tế, vectơ điện trường của ánh sáng tới dao động vuông góc với hướng truyền với sự phân bố đều trong mọi mặt phẳng trước khi chạm phải bản phân cực thứ nhất

Các bản phân cực minh họa trong (H 1-3) thực ra là những bộ lọc gồm các

phân tử polymer chuỗi dài định theo một hướng Chỉ có ánh sáng tới dao động trong cùng mặt phẳng với các phân tử polymer định hướng bị hấp thụ, còn ánh sáng dao động vuông góc với mặt phẳng polymer thì truyền qua bộ lọc phân cực thứ nhất Hướng phân cực của bản phân cực thứ nhất là thẳng đứng nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua được những sóng có vectơ điện trường thẳng đứng Sóng truyền qua bản phân cực thứ nhất sau đó bị chặn lại bởi bản phân cực thứ hai, do bản phân cực này định hướng ngang đối với vectơ điện trường trong sóng ánh sáng

Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động của vector 𝐸 được gọi là mặt phẳng dao động ; còn mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động được gọi là mặt phẳng phân cực (H 1-4) Hình 1-5a là sơ dồ biểu diễn ánh sáng phân cực toàn phần

Trong một số trường hợp người ta thấy rằng tác dụng của môi trường lên ánh sáng tự nhiên làm cho cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc

với tia sáng nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu Ánh sáng

có vector cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng, nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu, được gọi là ánh sáng phân cực một phần Hình (1-4b) là sơ đồ biểu diễn ánh sáng phân cực

một phần

Với định nghĩa ánh sáng phân cực toàn phần ở trên, thì mỗi đoàn sóng do nguyên

tử phát ra là một ánh sáng phân cực toàn phần Như vậy, ánh sáng tự nhiên có thể coi là tập hợp vô số ánh sáng phân cực toàn phần dao động đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng Ta có thể nói ánh sáng tự nhiên có tính chất đối xứng xung quanh phương truyền

1.2 Sự phân cực ánh sáng do truyền qua bản Tuamalin dày

Định luật Maluyt

Trong những điều kiện nào đó, các

tinh thể có thể biến ánh sáng tự nhiên

thành ánh sáng phân cực Tuamalin

(hợp chất Alumini Silicôbôrat) là một

trong những tinh thể như vậy Tuamalin

dày khoảng 1mm trở lên chỉ cho những

ánh sáng nào có vector cường độ điện

trường nằm trong một mặt phẳng xác

Tia sáng Mặt phẳng phân cực

Hình 1-6 Bản tuamalin

a)

định, đó là mặt phẳng chứa một phương đăc biệt (gọi là quang trục của tinh thể) và tia sáng

Còn các ánh sáng có vector 𝐸 vuông góc với mặt phẳng trên sẽ không đi qua bản Trong trường hợp bản Tuamalin có có quang trục song song với cạnh AB, còn tia sáng chiếu vào vuông góc với mặt ABCD của bản, thì vì ánh sáng là sóng ngang, nên tia sáng sau bản Tuamalin có vector 𝐸 song song với quang trục của bản (H.1-6)

Vì tính đối xứng của ánh sáng tự nhiên xung quanh phương truyền, nên nếu ta quay bản tuamalin xung quanh tia sáng thì ở vị trí nào của bản cũng có ánh sáng truyền qua Ánh sáng đó là ánh sáng phân cực toàn phần

Lấy một bản tuamalin T2 (bản T2 đặt sau bản T1) Gọi ∝ là góc giữa hai quang trục (H.1-7a) Do tính chất của bản tuamalin, biên độ dao động sáng sau bản T2 là:

a2 a1cos  (1.1) Cường độ sáng sau bản T2 sẽ là :

2 

1 2 2

1 a I cos

I   (1.2) Trong đó I1 = a1

2

là cường độ sáng sau bản T1 Như vậy, nếu giữ cố định bản T1

và quay bản T2 xung quanh tia sáng thì I2 sẽ thay đổi Lúc hai quang trục song song với nhau (∝=0) thì I2 = I2max = I1 ( H.1-7b) còn lúc hai quang trục vuông góc với nhau (∝= 𝜋2 ) thì I2 = I2min = 0 (H.1-7c) ; T 1 được gọi là kính phân cực, T 2 được gọi

Công thức (1.2) biểu diễn một định luật gọi là định luật Maluyt : Khi cho một chùm tia sáng tự nhiên rọi qua hai bản tuamalin có quang trục hợp với nhau một góc ∝ thì cường độ sáng nhận được tỉ lệ với cos2∝

Dùng một bản tuamalin ta có thể phân biệt được một chùm sáng là ánh sáng tự nhiên hay ánh sáng phân cực Đặt một bản tuamalin trên đường đi của tia sáng Nếu tia sáng là ánh sáng tự nhiên thì khi quay bản tuamalin, cường độ ánh sáng ban đầu không thay đổi, còn nếu ta dùng tia sáng là ánh sáng phân cực thì khi quay bản tuamalin cường độ ánh sáng sau bản sẽ thay đổi

1.3 Phân cực do phản xạ Định luật Brewster

Như vậy ta có thể tăng hay giảm cường độ ánh sáng khi nhìn ánh sáng Mặt Trời

từ mặt nước chẳng hạn khi quay tròn một bản phân cực (như một kính râm phân cực) xung quanh phương quan sát Ta có thể làm được điều đó bởi vì ánh sáng phân cực bị phân cực toàn phần hay một phần do quá trình phản xạ từ mặt phẳng

H 1-8 cho thấy một tia sáng tới không phân cực đập trên một mặt thủy tinh Các vector cường độ điện trường của ánh sáng có thể phân tích thành những thành phần vuông góc (vuông góc với mặt phẳng tới) và những thành phần song song (nằm trong mặt phẳng tới) Đối với ánh sáng tự nhiên hai thành phần này có độ lớn bằng nhau

Hình 1-7 Sự truyền ánh sáng qua hai bản tuamalin

∆1

∆2

Hai quang trục ∆ 1 và ∆ 2 vuông góc với nhau

c)

Với một góc đặc biệt gọi là góc Brewster 𝜃B thành phần song song của tia tới

bị khúc xạ hoàn toàn Kết quả là ánh sáng phản xạ không chứa thành phần song song và do vậy được phân cực hoàn toàn vuông góc với mặt phẳng tới ( ở đây là mặt phẳng của trang giấy ) Tia khúc xạ bị phân cực một phần nó bao gồm một thành phần song song khá mạnh và một thành phần vuông góc yếu

Đối với thủy tinh hay những vật liệu diện môi khác có một góc tới đặc biệt, gọi

là góc Brewster 𝜃B , mà thành phần song song không phản xạ Điều đó chứng tỏ rằng ánh sáng phản xạ từ thủy tinh dưới góc tới Brewster sẽ phân cực hoàn toàn với mặt phẳng dao động thẳng góc với mặt phẳng tới ( mặt phẳng của hình vẽ ) Do thành phần song song của tia tới dưới góc Brewster không thể phản xạ nên chúng

sẽ khúc xạ hoàn toàn Đối với những góc tới khác, ánh sáng phản xạ bị phân cực một phần vì rằng thay vì không có phản xạ thì nay lại có sự phản xạ một ít thành phần song song

Hình 1-8 Góc brewster

1.3.2 Định luật Brewster

Một tia sáng tự nhiên đến đập lên mặt phân cách giữa hai môi trường dưới góc tới Brewster 𝜃B , thực nghiệm cho thấy các tia phản xạ và khúc xạ vuông góc với nhau Do tia phản xạ trong hình vẽ phản xạ dưới góc Brewster còn tia kia khúc

n1sin 1 n2sin 2 ( khúc xạ ) (1.4) Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

Tùy ý chọn chỉ số 1 trong phương trình (1.4) cho vật liệu chứa tia tới và tia phản

xạ, chúng ta có được các phương trình

Phối hợp các phương trình trên sẽ dẫn đến

B B

𝑛1) là chiết suất tỉ đối của môi trường hai đối với môi trường một

Nếu các tia tới và phản xạ truyền trong không khí, chúng ta có thể lấy n1=1 và thay n2 = n, phương trình (1.6) viết lại

B  tan1(n) (Định luật Brewster) (1.7)

Đó là dạng đơn giản của phương trình (1.6) và được biết như là định luật Brewster định luật và góc 𝜃B mang tên ông David Brewster người đã tìm thấy bằng thực nghiệm năm 1812

1.4 Sự phân cực do tán xạ

Các phân tử chất khí và nước trong bầu khí quyển làm tán xạ ánh sáng từ Mặt Trời theo mọi hướng, hiệu ứng gây ra bầu trời xanh, những đám mây trắng, hoàng hôn đỏ rực, và hiện tượng gọi là sự phân cực khí quyển Lượng ánh sáng tán xạ (gọi là tán xạ Rayleigh) phụ thuộc vào kích thước của các phân tử (hydrogen, oxygen, nước) và bước sóng ánh sáng, như đã được chứng minh bởi huân tước Rayleigh hồi năm 1871 Những bước sóng dài, như đỏ, cam, vàng không bị tán xạ nhiều như các bước sóng ngắn, như tím và xanh dương

Sự phân cực khí quyển là kết quả trực tiếp của sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng Mặt Trời bởi các phân tử trong khí quyển Lúc va chạm giữa photon đến từ Mặt Trời và phân tử chất khí, điện trường từ photon giảm dao động và rồi tái bức

xạ ánh sáng phân cực từ phân tử đó (minh họa trong H 1-9) Ánh sáng phát xạ bị tán xạ theo hướng vuông góc với hướng truyền ánh sáng Mặt Trời, và bị phân cực hoặc dọc, hoặc ngang, phụ thuộc vào hướng tán xạ Đa phần ánh sáng phân cực

Hình 1-9 Sự phân cực của ánh sáng Mặt Trời tán xạ

chạm đến Trái Đất bị phân cực ngang (trên 50%), một sự thật có thể xác nhận bằng cách quan sát bầu trời qua một bộ lọc Polaroid

Có những báo cáo cho biết một số loài côn trùng và động vật nhất định có khả năng phát hiện ánh sáng phân cực, gồm các loài kiến, ruồi, và một số loài cá, danh sách các loài thật ra còn dài hơn nhiều Ví dụ, một số loài côn trùng (chủ yếu là ong mật) được cho là đã sử dụng ánh sáng phân cực để định vị mục tiêu của chúng Nhiều người cũng tin rằng có một số cá nhân nhạy cảm với ánh sáng phân cực và

có thể quan sát thấy một đường chân trời màu vàng chồng lên nền trời xanh khi nhìn chằm chằm theo hướng vuông góc với hướng của Mặt Trời (một hiện tượng gọi là chổi Haidinger) Các protein sắc tố vàng, gọi là macula lutea, là những tinh thể lưỡng sắc cư trú trong hố mắt người, được biết là cho phép người ta nhìn thấy ánh sáng phân cực

1.4 Phân cực do môi trường lưỡng chiết

1.4.1 Hiện tượng lưỡng chiết

Năm 1670 Bactoolin lần đầu tiên

nhận thấy rằng, khi một tia sáng truyền

qua tinh thể đá băng lan (một dạng

CaCO3), nó bị tách thành hai tia Đó là

hiện tượng lưỡng chiết Tinh thể đá băng

lan trong tự nhiên thường có dạng hình

hộp lệch mà sáu mặt là những hình thoi

bằng nhau có các góc xác định 101052’ và 78008’

Thí nghiệm cho thấy rằng hai tia sáng ra khỏi tinh thể song song với nhau và song song với tia tới (Hình 1-11).Chúng là hai tia phân cực phẳng, phân cực trong mặt phẳng vuông góc với nhau và có cường dộ như nhau Một trong hai tia tuân

Hình 1-10 Tinh thể nhỏ của băng lan

theo định luật khúc xạ ánh sáng thông thường gọi là tia thường và được kí hiệu bằng chữ o Tia thứ hai, nói chung không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng gọi

là tia bất thường và được kí hiệu bằng chữ e

Tinh thể đá băng lan có một phương duy nhất nếu chiếu ánh sáng dọc theo đó sẽ xảy ra hiện tượng lưỡng chiết Tinh thể như vậy được gọi là tinh thể đơn trục và phương đặc biệt đó được gọi là trục quang học của tinh thể Trên hình 1-11

đó là phương song song với AA1 Cần

chú ý rằng trục quang học chỉ là một

phương xác định, chứ không phải là một

đường thẳng cố định nào trong tinh thể

vì vậy một mẩu vỡ của tinh thể cũng có

tính chất như tinh thể nguyên vẹn

không phải chỉ có đá băng lan mà hầu

hết các tinh thể (trừ tinh thể thuộc hệ lập

phương) đều có tính chất lưỡng chiết

Ngoài các tinh thể đơn trục còn có những tinh thể trong đó có hai phương nếu chiếu ánh sáng dọc theo đó sẽ không xãy ra hiện tượng lưỡng chiết Những tinh thể như thế gọi là tinh thể lưỡng trục Trong các tinh thể lưỡng trục cả hai tia xuất hiện do hiện tượng lưỡng chiết đều là tia bất thường Ở đây chúng ta không khảo sát hiện tượng lưỡng chiết trong các tinh thể lưỡng trục Trong tinh thể đơn trục, mặt phẳng chứa tia tới và trục quang học của tinh thể được gọi là mặt phẳng chính hay tiết diện chính của tinh thể Trên hình 1-11, đó là mặt phẳng chéo ACA1C1 Từ đây về sau ta khảo sát sự phân cực ánh sáng do lưỡng chiết, ta biểu diễn tinh thể dá băng lan bằng mặt phẳng chính của nó

1.4.2 Tia thường và tia bất thường

Như đã nói ở trên cả hai tia thường và tia bất thường đều là tia phân cực phẳng Thật vậy, nếu đặt một máy phân tích (một gương thủy tinh chẳng hạn) hứng

Hình 1-11 Sự truyền ánh sáng qua tinh

thể băng lan

các tia đó ta có thể chứng tỏ rằng tia bất thường sẽ bị tắt khi mặt phẳng tới trên gương trùng với mặt phẳng chính của tinh thể, khi đó cường độ sáng của tia thường sẽ đạt giá trị cực đại Khi quay máy phân tích một góc 900

thì hiện tượng sẽ xảy ra ngược lại Từ thí nghiệm trên ta có thể kết luận rằng vector điện trường 𝐸 0

trong tia thường vuông góc với mặt phẳng chính, còn vector điện trường 𝐸 s trong tia bất thường nằm trong mặt phẳng chính của tinh, nghĩa là chúng phân cực trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau

Ra khỏi tinh thể hai tia này chỉ khác nhau về phương phân cực, cho nên tên gọi “tia thường” và “tia bất thường” chỉ có ý nghĩa khi chúng ở bên trong tinh thể Nếu lại đặt trên đường truyền của mỗi tia thường và tia bất thường một tinh thể lưỡng chiết nữa, thì mỗi tia lại tách thành hai tia thường và tia bất thường (H.1-12) Như vậy hiện tượng lưỡng chiết xảy ra khi chiếu vào tinh thể ánh sáng tự nhiên cũng như ánh sáng phân cực

khi chiếu vào tinh thể ánh sáng tự nhiên cũng như ánh sáng phân cực Tuy nhiên khi chiếu bằng ánh sáng tự nhiên thì cường độ của tia thường và tia bất thường bằng nhau, còn nếu ánh sáng rọi vào là ánh sáng phân cực phẳng, nói chung cường độ của hai tia không bằng nhau, mà phụ thuộc vào góc giữa mặt phẳng tới và mặt phẳng chính của nó theo định luật Maluyt Thật vậy, giả sử ánh sáng phân cực phẳng tới tinh thể, có vector điện trường 𝐸 làm với mặt phẳng chính của tinh thể một góc  Như vậy vector điện trường 𝐸 0 của tia thường và 𝐸 e của tia

bất thường sẽ làm với mặt phẳng dao động của tia tới những góc 0  

cos

2 sin 2

Thay đổi góc tới i của tia đập lên mặt ABCD, đo góc khúc xạ của tia thường (i0)

và của tia bất thường (ie) người ta nhận thấy, đối với tia thường:

sin

sin

(1.10) Trong đó n0 là chiết suất của tinh thể đối với tia thường

Đối với tia bất thường:

n const

i

i e e

Từ các hệ thức (1.10) và (1.11) ta suy ra vận tốc của tia thường v0 không đổi theo phương truyền, còn vận tốc của tia bất thường ve phụ thuộc vào phương truyền trong tinh thể Thực nghiệm chứng tỏ rằng, vận tốc của tia bất thường theo phương song song với quang trục là cực tiểu, theo phương đó v e v0, còn theo phương vuông góc với quang trục, ve có giá trị cực đại Như vậy:

v e v0 (1.12)

Vì chiết suất tỉ lệ nghịch với vận tốc, do đó:

n e n0 (1.13) Thực nghiệm đo được, đối với băng lan, n0 = 1,66 còn ne có giá trị trong khoảng

từ 1,48 đến 1,66

Những tinh thể mà trong đó ne < n0 được gọi là tinh thể âm, ví dụ như băng lan ; còn những tinh thể mà ne > n0 (ví dụ như thạch anh) được gọi là tinh thể dương Trên đây ta đã xét tinh thể băng lan, đó là một tinh thể đơn trục Trong tự nhiên còn có những tinh thể lưỡng trục, đó là những tinh thể có hai quang trục theo hai hướng khác nhau, ví dụ: mica, gipxơ Một tia sáng truyền qua tinh thể lưỡng trục cũng bị tách thành hai: hai tia đó đều là ánh sáng phân cực toàn phần, có vector

cường độ điện trường E

nằm trong mặt phẳng vuông góc với nhau Khác với trong tinh thể đơn trục, hai tia bị tách ra trong tinh thể lưỡng trục đều là tia bất thường, nghĩa là vận tốc truyền của chúng phụ thuộc vào phương truyền trong tinh thể

1.4.3 Mặt sóng trong môi trường tinh thể đơn trục

Để nghiên cứu sự truyền ánh sáng của tia thường và tia bất thường trong tinh thể (ta chỉ xét trường hợp tinh thể đơn trục), ta xét mặt sóng của sóng ánh sáng trong các tinh thể đó Vì vận tốc của tia thường kông phụ thuộc phương truyền trong tinh thể, do đó mặt sóng thứ cấp đối với ánh sáng thường từ một điểm nào đó trong tinh thể phát ra là một mặt cầu (dù tinh thể là dương hay âm) Với ánh sáng bất thường, vận tốc phụ thuộc vào phương truyền, do đó mặt sóng thứ cấp không phải là mặt cầu Thực nghiệm và lí thuyết chứng tỏ rằng mặt sóng đối với ánh sáng bất thường là một mặt elipxôit tròn xoay có trục song song với quang trục của tinh thể

H.1-15 Hình dạng các mặt sóng thứ cấp của các tia thường và các tia bất thường từ

một điểm trong tinh thể phát ra trong trường hợp:

a) Tinh thể dương b) Tinh thể âm

Hình 1-15 biểu diễn các mặt sóng thứ cấp của ánh sáng thường và ánh sáng bất thường xuất phát từ cùng một điểm trong tinh thể Các tiếp điểm của hai mặt sóng

đó nằm trên quang trục của tinh thể

Muốn xác định tia thường và tia bất thường trong tinh thể đơn trục, ta phải áp dụng nguyên lí Huyghen để vẽ các mặt sóng thực của ánh sáng thường và ánh sáng bất thường ở cùng một thời điểm nào đó Nối điểm nguồn thứ cấp với tiếp điểm giữa mặt sóng thứ cấp và mặt sóng thực ứng với tia o, ta sẽ được phương truyền của tia thường Tương tự như vậy, nếu ta nối cùng điểm nguồn thứ cấp ấy với tiếp điểm giữa mặt sóng thứ cấp và mặt sóng thực ứng với tia e, ta sẽ được phương truyền của tia bất thường

Sau đây ta sẽ xác định tia thường và tia bất thường trong một số trường hợp khi ánh sáng truyền trong tinh thể băng lan Đẻ đơn giản ta lấy chùm ánh sáng tới

là chùm đơn sắc, song song, rọi vuông góc với mặt tinh thể

Trường hợp 1: Quang trục nghiêng một góc nào đó so với mặt tinh thể

Vì chùm ánh sáng được rọi vuông góc vào mặt tinh thể nên mặt tinh thể AB trùng với một mặt sóng của chùm ấy Do đó theo nguyên lí Huyghen các điểm trên mặt tinh thể được ánh sáng rọi tới có thể coi là những nguồn thứ cấp phát ánh sáng

đi vào tinh thể bắt đầu từ cùng một lúc (H.1-16) Xung quanh các điểm A và B ta thiết lập các mặt sóng thứ cấp mặt cầu và mặt elipxôit tròn xoay, hai mặt sóng này tiếp xúc với nhau theo phương của quang trục Các mặt sóng thứ cấp khác có thể

thiết lập xung quanh các điểm nằm giữa A và B

Theo nguyên lí Huyghen, bao hình của các mặt sóng thứ cấp (mặt phẳng CD

và EF) cho ta mặt sóng của ánh sáng thường và ánh sáng bất thường Nối A với C

và A với E ta sẽ được phương truyền của tia thường và tia bất thường trong tinh thể Rõ ràng khi vào tinh thể tia sáng bị tách thành hai Từ hình vẽ ta thấy tia bất thường không vuông góc với mặt sóng của nó

Trường hợp 2: chùm ánh sáng và quang trục đều vuông góc với mặt AB của tinh thể (H.1-17) Vì theo phương quang trục vận tốc của tia thường và tia bất thường

trùng nhau; do đó mặt sóng của ánh sáng thường và bất thường trùng nhau Kết quả khi vào tinh thể tia sáng không bị tách thành hai

Trường hợp 3: Chùm sáng vuông góc với mặt tinh thể, còn quang trục song song với mặt đó (H.1-18a và H.1-18b) Trên hình 1-18a quang trục nằm trong mặt phẳng

hình vẽ, còn trên hình 1-18b quang trục vuông góc với mặt phẳng hình vẽ Hình vẽ cho ta thấy trong trường hợp này tia thường và tia bất thường truyền theo một hướng nhưng với vận tốc khác nhau

H.1-16 Xác định tia thường và tia bất thường khi quang trục nghiêng

một góc nào đó so với mặt tinh thể

Hình 1-17 Xác định tia thường và tia bất thường trong trường hợp chùm sáng

và quang trục vuông góc với mặt tinh thể

Hình 1-18 Xác định tia thường và tia bất thường trong trường hợp chùm sáng vuông góc với mặt tinh thể, còn quang trục song song với mặt đó

1.5 Các dụng cụ phân cực ánh sáng đặc biệt

1.5.1 Nhận xét chung

Trước đây chúng ta khảo sát một số phương pháp biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực phẳng Chẳng hạn khi cho ánh sáng tự nhiên phản xạ từ mặt phân cách giữa hai chất điện môi thỏa mãn điều kiện Brewster (H 1-8), thì ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực phẳng Nếu ta dặt liên tiếp nhiều bản điện môi thì chùm tia khúc xạ cũng trở thành chùm tia phân cực phẳng Tuy nhiên ánh sáng phân cực thu được ở đây sẽ rất yếu vì chỉ có một phần nhỏ ánh sáng được phản xạ (đối với ánh sáng phản xạ) hay vì sự phản xạ nhiều lần ở các mặt bản đặt nối tiếp nhau (đối với ánh sáng truyền qua) làm mất mát ánh sáng Vì vậy phương pháp này không tiện sử dụng trong thực tế Ta còn biết tia thường và tia bất thường thu được

do hiện tượng lưỡng chiết là tia phân cực phẳng Tuy nhiên vì các tinh thể lưỡng chiết thường có kích thước bé, cho nên ngay cả tinh thể đá băng lan là tinh thể có hiện tượng lưỡng chiết mạnh nhất cũng không cho tia thường và tia bất thường tách xa nhau

Vì vậy để biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực phẳng, người ta thường dùng những lăng kính phân cực dựa vào tính chất lưỡng chiết của tinh thể

và các bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc, tức là tinh thể hấp thụ tia thường và bất thường không giống nhau

Lăng kính phân cực thường là một tổ hợp lăng kính bằng tinh thể Lăng kính phân cực được chia ra làm hai loại:

a) Lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng

b) Lăng kính cho hai tia phân cực phẳng phân cực trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau Lăng kính phân cực và các bản phân cực ánh sáng là những dụng cụ phân cực ( máy phân cực) Dưới đây ta sẽ khảo sát vài dạng dụng cụ phân cực khác nhau thuộc các loại nói trên

1.5.2 Lăng kính Nicol

Năm 1828 nhà vật lí William Nicol là người đầu tiên đã chế tạo một dụng cụ phân cực ánh sáng bằng cách chẻ và hàn hai tinh thể spar Iceland với nhau bằng nhựa Canada Lăng kính Nicol lần đầu tiên được sử dụng để đo góc phân cực của hỗn hợp lưỡng chiết, mang đến những phát triển mới trong việc tìm hiểu sự tương tác giữa ánh sáng phân cực và các chất kết tinh Lăng kính Nicol còn được gọi tắt

là Nicol Nó là dụng cụ phân cực phổ biến nhất thường được dùng hơn cả và chỉ cho một tia phân cực phẳng

Một tia sáng tự nhiên rọi tới Nicôn bị tách thành hai, tia thường và tia bất thường Vì n0 > ne, do đó tia thường bị khúc xạ nhiều hơn tia bất thường Đến lớp nhựa canada, tia thường bị phản xạ toàn phần (vì n0 > nnh và i1 > i1max) và đập lên mặt dưới của nicôn Trên mặt đó người ta đã bôi đen, kết quả tia thường bị hấp thụ Với tia bất thường vì: ne < nnh, nên nó qua lớp nhựa, truyền trong băng lan rồi ló ra ngoài theo phương song song với tia tới Biết rằng tia bất thường có vector cường

độ điện trường dao động trong mặt phẳng chính ứng với tia đó, nên ta có thể kết

luận: khi rọi một chùm ánh sáng tự nhiên qua nicôn, thì sau nicol ta được một chùm ánh sáng phân cực toàn phần có vector cường độ điện trường dao động

Hình 1-19 Lăng kính phân cực nicol

trong mặt phẳng chính của tia bất thường

Nếu rọi đến nicol một tia sáng phân cực toàn phần có vector cường độ điện trường dao động theo mọi phương nào thì nicol cũng tách tia đó thành hai tia và cuối cùng cũng chỉ có tia bất thường truyền qua bản Đặc biệt nếu ánh sáng phân cực rọi tới có vector cường độ điện trường dao động trong mặt phẳng chính ứng với tia bất thường thì ánh sáng đó truyền được hoàn toàn qua nicol; nếu còn ánh sáng phân cực toàn phần có vector cường độ điện trường dao động vuông góc với mặt phẳng chính của tia bất thường thì ánh sáng đó sẽ bị niol ngăn lại hoàn toàn Nếu rọi một chùm ánh sáng tự nhiên đén nicol N1, sau N1 ta lại dặt một nicol N2 thì nói chung cường độ ánh sáng sau nicol thứ hai khác cường độ ánh sáng sau nicol thứ nhất Nếu N1 và N2 có hai mặt phẳng chính (ứng với tia bất thường) hợp với nhau một góc 𝛼, thì cường độ sáng sau bản N2 sẽ là:

2 

1

2 I cos

I  (1.14) Trong đó I1 là cường độ sáng sau N1; N1 được gọi là nicol phân cực, N2 được gọi

là nicol phân tích

Đặc biệt nếu hai mặt phẳng chính (ứng với tia bất thường) của hai nicôn song song với nhau thì cường độ sáng sau N2, bằng cường độ sáng sau N1 Lúc đó hai nicol

được gọi là hai nicol song song với nhau (H 1-21a)

Hình 1-20 Cấu tạo của lăng kính nicol

Còn nếu N 1 và N2 có hai mặt phẳng chính (ứng với tia bất thường) vuông góc với

nhau thì sau nicol thứ hai sẽ tối Trường hợp này hai nicol được gọi là đặt chéo nhau (h 1-21b)

1.5.3 Lăng kính lưỡng chiết cho hai chùm tia

a) Lăng kính lưỡng chiết gồm lăng kính thủy tinh và lăng kính đá băng lan

(H.1-22): trục quang học vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, n0 = 1,66 , ne = 1,486

và ntt = 1,49, tia thường 0 bị khúc xạ hai lần tại

mặt giới hạn của đá băng lần và ra ngoài vì

chiết suất n0 của đá băng lan khác với chiết

suất ntt của thủy tinh Trong lúc đó tia bất

thương e hầu như không bị lệch phương so với

tia tới bởi vì chiết suất ntt của thủy tinh được

chọn gần bằng e Ra khỏi lăng kính ta được

hai chùm tia phân cực phẳng tách xa nhau

b) Lăng kính lưỡng chiết gồm hai mẫu đá băng lan có phương trục của quang học khác nhau (H.1-23)

Mọi tinh thể lưỡng chiết đều hấp thụ ánh sáng ở mức độ này hay mức độ khác

Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào sự định hướng của vector điện trường E của sóng ánh sáng truyền qua tinh thể Nói cách khác trong tinh thểtia thường và tia bất thường

bị hấp thụ khác nhau Hiện tượng đó được gọi là tính lưỡng sắc của tinh thể Sau đây chúng ta giới thiệu vài bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc thường được sử dụng

a) Bản tuamalin

Tuamalin là tinh thể lưỡng chiết có tính lưỡng sắc rất mạnh đối với các tia thấy được; cụ thể là tia thường bị hấp thụ mạnh hơn tia bất thường rất nhiều Vì vậy hai tia ra khỏi tinh bản tuamalin có cường độ rất khác nhau và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực một phần Nhưng nếu với bản tuamalin dày chừng 1mm, thì thực tế tia thường bị hấp thụ hoàn toàn và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực phẳng

Hình 1-23