Sự phân cực ánh sáng pps

Sự phân cực ánh sáng Ánh sángMặt Trờivà hầu như mọi dạng nguồn chiếusáng tự nhiên và nhân tạo khác đều tạora sóng ánhsáng có vectơ điện trường dao động trong mọimặt phẳng vuông góc với hướngtruyền sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao độngtrong một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với nhữngchất liệu đặcbiệt, thì ánh sáng đượcxem là phân cực phẳng,hay phân cực thẳng đối với hướngtruyền, và tất cả sóng daođộng trongmột mặt phẳngđược gọi làmặt phẳngsong song, haymặt phẳng phân cực. Mắtngười không có khả năng phânbiệt giữaánhsángđịnhhướng ngẫu nhiênvà ánh sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳngchỉ có thể phát hiện qua cường độ hoặc hiệu ứng màu, vídụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm.Trong thực tế, con người không thể nàophân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao nhìn thấy trong kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnhtương tự của cùng mẫu vật ghi bằng kĩ thuật số (hoặc trên phim)và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sáng khôngphân cực.Ý niệmcơ bản của sự phân cực ánhsáng đượcminh họatrên hình 1 đốivới một chùm ánh sáng không phâncực đi tới hai bản phâncực thẳng. Vectơ điện trường vẽ trongchùm ánh sáng tới dưới dạng sóngsin dao độngtheomọi hướng(360 độ, mặc dù chỉ có6 sóng,cách nhau60 độ được vẽ trong hình). Trong thực tế, vectơ điện trườngcủa ánh sángtới dao động vuông gócvới hướng truyền với sự phân bố đều trong mọi mặt phẳng trướckhichạm phải bản phân cựcthứ nhất. Các bảnphân cựcminh họa trong hình 1 thực ra là nhữngbộ lọc gồm các phân tử polymerchuỗi 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 phẳngpolymer thì truyền qua bộ lọcphân cực thứ nhất. Hướng phân cực của bảnphân cực thứ nhất là thẳngđứng nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua đượcnhững sóngcó vectơ điện trườngthẳng đứng.Sóng truyền quabảnphân cực thứ nhất sau đó bị chặn lại bởi bản phân cựcthứ hai, do bản phân cực này định hướng ngang đốivới vectơ điện trường trong sóng ánh sáng.Ý tưởng sử dụng hai bảnphân cực địnhhướngvuông góc vớinhau thường được gọi là sự phân cựcchéo vàlà cơ sở cho ý tưởng về kính hiển vi ánh sáng phân cực. Manhmối đầu tiêncho sự tồn tại củaánh sáng phân cực xuất hiện vào khoảng năm 1669khiErasmusBartholin phát hiện thấy tinh thể khoáng chấtspar Iceland (loại chấtcanxit trongsuốt, không màu) tạora một ảnh kép khi các vật được nhìn qua tinhthể trong ánh sángtruyền qua. Trong thí nghiệm của ông, Bartholin cũng quansát thấymột hiện tượng khá lạ thường. Khi tinh thể canxit quay xungquanhmột trục nhất định, mộttrong haiảnh cũngchuyểnđộng tròn xungquanh ảnh kia, mang lại bằng chứngmạnh mẽ cho thấy tinh thể bằng cách nào đó đã tách ánh sángthành hai chùmtia khác nhau. Hơn một thế kỉ sau đó, nhà vật lí người Pháp Etienne Malusđã xác định được ảnh tạora với ánh sáng phản xạ qua tinh thể canxitvà lưu ý rằng, dưới những điều kiệnnhất định, mộttrong các ảnh sẽ biến mất.Ôngđã nhận định không chínhxác rằng ánhsáng banngày thông thường gồm haidạng ánh sáng khác nhau truyền qua tinhthể canxit theocác đường đi độc lập nhau.Sau đó, ngườita xácđịnh được sự khác biệt xảy ra do sự phân cực của ánh sáng truyền qua tinh thể. Ánhsáng ban ngày gồm nhữngánhsáng daođộng trong mọi mặtphẳng, trong khiánh sáng phản xạ thường giới hạn trongmột mặtphẳng song songvới bề mặt mà từ đó ánh sáng bị phản xạ. Ánh sángphân cựccó thể được tạo ra từ những quá trình vật lí phổ biến làm lệch hướngchùm tiasáng, như sự hấp thụ, khúcxạ, phản xạ, nhiễu xạ (hoặc tánxạ) và quá trình gọi làlưỡng chiết (đặc điểm củasự khúc xạ kép).Ánh sángphản xạ từ bề mặt phẳng của một chất lưỡng cực điện (hoặc cáchđiện) thường bị phân cực một phần,với vectơ điện củaánh sángphản xạ dao động trong mặtphẳng song song vói bề mặt của vật liệu. Ví dụ thường gặp về những bề mặt phản xạ ánh sáng phân cựclà mặt nước yên tĩnh, thủy tinh,bản plastic, vàđườngxa lộ. Trongnhững thí dụ này, sóng ánhsáng có vectơ điện trường song songvới bề mặt chất bị phản xạ ở mứcđộ cao hơn so với sóng ánh sáng có nhữngđịnh hướngkhác. Tínhchất quanghọc của bề mặtcách điện xác định lượng chính xácánhsángphản xạ bị phân cực. Nhữngchiếc gương không phải là bản phâncực tốt, mặc dù nhiều chất liệu trongsuốttrong vai trò bản phân cực rất tốt, nhưngchỉ khi góc ánhsáng tới nằm trongmột giới hạnnhất địnhnào đó. Mộttính chất quan trọng của ánhsáng phân cựcphản xạ là độ phân cựcphụ thuộc vào góctới của ánhsáng, với lượng phân cựctăng đượcquan sát thấy khi góctới giảm. Khi xét sự tác động của ánh sáng khôngphân cực lênmột bề mặtcáchđiện phẳng, có một gócduy nhất mà tại đó sóngánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toànvào một mặt phẳng. Góc này thườngđược gọi là góc Brewster, và cóthể dễ dàng tínhđược bằng phương trình sauđối với chùm ánh sáng truyền quakhông khí: n = sin(θ i )/sin(θ r ) = sin(θ i )/sin(θ 90-i ) = tan(θ i ) trong đó n là chiếtsuất củamôi trường mà từ đó ánh sáng bị phản xạ, θ(i)là góc tới,θ(r) là góckhúcxạ. Bằng việc giải phương trình, người ta có thể thấy rõ rằng chiết suất củamột chấtchưa biết có thể xác định đượctừ gócBrewster.Đặc điểm nàyđặc biệthữuích trong trường hợp chất mờ đục có hệ số hấp thụ cao đối với ánh sáng truyền qua, không thể áp dụng đượccông thứccủa định luật Snew quen thuộc. Việc xác định lượng phân cực bằngkĩ thuật phản xạ cũng làm dịu đi cuộc tìmkiếm trục phân cực trên bản phimphân cực khôngđược đánhdấu. Nguyên lí của gócBrewster được minhhọa tronghình 3 đối với một tia sáng phản xạ từ một bề mặt phẳng của một môi trường trongsuốt có chiếtsuất lớnhơn khôngkhí.Tia tới đượcvẽ với chỉ haimặt phẳngdao động vectơ điện, nhưngnó dùngđể miêu tả ánhsáng có các dao độngtrong mọi mặt phẳngvuông góc với hướngtruyền. Khichùm tia đi tới bề mặt ở góc tớihạn (góc Brewster,kíhiệu θ trong hình3), thì độ phân cựccủa tia phản xạ là 100%,với sự định hướngcủa các vectơ điện nằmvuônggóc với mặt phẳng tới và songsong với bề mặt phản xạ.Mặt phẳng tới được định nghĩa bởisóng tới, sóng khúc xạ, và sóngphản xạ. Tia khúc xạ hợp một góc 90 độ với tia phảnxạ vàchỉ bị phân cực một phần. Đối với nước (chiếtsuất 1,333),thủy tinh (chiết suất 1,515)và kim cương (chiết suất 2,417), góc tới hạn (Brewster) tươngứng là 53,57 và 67,5độ. Ánhsáng phản xạ từ bề mặt đườngxa lộ ở góc Brewsterthường tạo ra ánhchóikhó chịuvà làm người lái xe xaolãng, cóthể chứngminh một cách khá dễ dàngbằng cáchquan sát phần ở xacủa xa lộ hoặcmặt nước hồ bơi vào một ngày nắngnóng. Các laserhiện đạithường khai thác lợi thế của góc Brewster để tạo ra ánhsáng phân cựcthẳng từ sự phản xạ ở các bề mặt gươngđặt ở haiđầu hộp laser. Như đã nói ở phầntrên, sự phản xạ rực rỡ xuất pháttừ những bề mặt nằm ngang,ví dụ như xalộ hoặc nướctrong hồ,bị phân cực một phần với cácvectơ điện trường dao động theo một hướng song song với mặtđất. Ánh sángnày có thể bị chặn lại bởi các bộ lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng, như minh họa trong hình4, với cặp kính râm phân cực. Các thấu kính của cặp kính cónhững bộ lọc phâncực địnhtheo hướngthẳng đứng đốivới cấu trúc kính. Trong hình, sóng ánh sáng màu xanhcó vectơ điện trường của chúng định theocùng hướngnhư các thấu kínhphân cực và, vì vậy, được truyềnqua. Trái lại, sóng ánh sáng màu đỏ định hướng dao động vuông góc với định hướng của bộ lọcvà bị chặn lại bởi thấu kính. Kínhrâm phân cực rất cóích khi láixe dưới cái nắngchói chang hoặc đi ở bờ biển khiánh sángMặt Trời bị phản xạ từ bề mặt đườnghoặc mặt nước, dẫn tới ánh chói cóthể làm ta gần như không thấygì nữa. Các bộ lọc phân cực cũng khá có ích trong nhiếp ảnh, chúng có thể được gắn ở phía trước thấu kính camera để làm giảm ánhchói vàlàm tăng độ tương phảnảnh toàn thể trong hìnhchụp hoặc ảnh kĩ thuậtsố. Cácbản phân cực dùng trên camerathườngđược thiếtkế có một vòng lắp cho phépchúng quaykhi sử dụng để thu đượchiệu ứng mongđợi dướinhững điều kiện chiếu sáng khácnhau. Một trong những bộ lọc phân cực đầu tiênđượcchế tạo vào đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa họcngười PhápFrancis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểubản chất của ánh sáng phân cực.Aragođã nghiên cứu sự phân cực của ánhsáng phát ra từ những nguồn khác nhau trên bầu trời và nêu ra một líthuyết tiên đoán rằng vận tốc ánh sáng phải giảm khi nó truyền vàomộtmôi trường đậmđặc hơn.Ông cũng làm việc với AugustinFresnel nghiên cứu sự giao thoa trong ánh sáng phân cựcvà pháthiện thấy hai chùm ánh sángphân cựcvới sự định hướngdaođộng củachúng vuônggócnhau sẽ không chịu sự giao thoa.Các bộ lọc phân cực của Arago,được thiết kế và chế tạo trong năm 1812, chế tạo từ nhiều bản thủy tinhép sát vàonhau. Đa phần chất phân cực được sử dụng ngày nay có nguồn gốc từ những màng tổng hợp do tiến sĩ ErwinH.Land phátminh ra năm 1932, sớmvượt quatất cả các chất khác làm môi trường đượcchọn dùngđể tạo ra ánh sángphân cựcphẳng. Để chế tạo nhữngmàng này, các tinh thể iodoquininesulfate nhỏ xíu,định theocùng một hướng, được gắn vào mộtmàng trùnghợp trong suốt để ngăn chặn sự ditrú và địnhhướng lại của tinh thể. Land đã chế tạocácbản chứa màng phân cực được thương mại hóa dưới cái tênPolaroid (tên thương phẩm đã được đăng kí), trở thành một thuật ngữ đượcchấp nhận rộng rãi đối với các bản này. Bấtcứ dụngcụ nào có khả nănglọc ánh sáng phân cực phẳng từ ánh sáng trắngtự nhiên (không phân cực) ngày nayđều đượcgọi là bảnphân cực, cái tên được đưara lần đầutiên vào năm 1948 bởi A.F.Hallimond. Vì nhữngbộ lọcnày có khả năng truyền chọn lọc các tia sáng, phụ thuộc vào sự định hướng của chúng đối vớitrục bảnphân cực, nên chúng biểu hiện một dạnglưỡng sắc,và thường đượcgọilà bộ lọc lưỡng sắc. Kínhhiển vi ánh sáng phân cực lần đầu tiên được nêura vào thế kỉ 19, nhưng thay vì sử dụng chất phân cực truyền qua,ánh sáng được phâncực bằng sự phản xạ từ một chồng đĩa thủy tinhđặt hợp mộtgóc 57 độ so với mặtphẳng tới. Sauđó, nhữngthiếtbị tiêntiếnhơn dựatrêntinh thể chất khúc xạ kép(như canxit) cắt theo kiểu đặcbiệt và hànvới nhau tạothành lăng kính. Mộtchùmánh sáng trắngkhông phân cực đi vào tinh thể loại này bị tách thành hai thànhphần phân cực theo hướngvuông góc với nhau (trực giao). Một trong hai tia sáng ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết được gọi là tiathường, còn tia kiagọi là tiabất thường.Tia thườngbị khúc xạ ở mức độ cao hơnbởi lực tĩnh điệntrong tinh thể và chạm tới bề mặt hàn ở góc tới hạn của sự phản xạ nội toànphần. Kết quả là tia này bị phản xạ ra khỏi lăng kính vàbị loại trừ bởi sự hấp thụ ở mép thiết bị. Tia bất thường truyền qua lăng kính và ló ra dưới dạng chùm ánh sáng phân cựcthẳng truyền thẳng tới tụ sáng hoặc mẫu vật (đặt trên bàn soi hiển vi). Một số mẫu dụngcụ phân cực trên cơ sở lăng kínhđược bày bán rộng rãivà chúng thường đượcđặt theotên nhà chế tạo ra chúng.Lăng kínhphân cực phổ biến nhất (minh họa trong hình 5) đặttheo tênWilliam Nicol,người đầutiên chẻ và hànhai tinh thể spar Iceland với nhau bằngnhựa Canadavào năm 1829. Lăng kính Nicollần đầu tiên được sử dụng để đo góc phân cựccủa hỗnhợp lưỡng chiết, mang đến nhữngphát triển mới trong việc tìm hiểu sự tương tácgiữaánh sáng phân cựcvà cácchất kết tinh. Hình 5 minh họa cấu trúc của một lăng kínhNicol điểnhình. Mộttinh thể chất khúc xạ kép (lưỡng chiết), thườnglà canxit, đượccắt dọc theomặt phẳng đánh dấu a-b-c-d và hai nửa sau đó hàn lại với nhau, tạo rahình dạng tinh thể ban đầu. Mộtchùmánh sáng trắng không phân cực đi vào tinh thể từ phía bên trái và tách thành haithành phần bị phân cực theohướng vuông góc với nhau. Một trong hai chùm này (gọi là tia thường) bị khúc xạ ở mức độ lớn hơn vàchạm tới ranh giới hàn ở mộtgóc mà kết quả là bị phản xạ toàn bộ khỏi lăngkính qua mặt tinh thể ở trêncùng.Còn chùmkia (tia bất thường) bị khúc xạ ở mức độ íthơn và truyền qualăng kính,đi ra ngoài dưới dạng chùmánh sáng phân cựcphẳng. Những cơ cấu lăngkínhkhácđược đề xuất và chế tạo trongthế kỉ 19và đầu thế kỉ 20, nhưnghiện nay chúngkhôngcòn được sử dụng để tạo ra ánhsáng phân cực trong những ứng dụng hiệnđại. Lăng kínhNicol rất đắtvà kềnh càng, và có khẩu độ rất hạn chế, nên công dụng của chúng giới hạnở những sự phóng đại cao. Thay vì vậy, ngày nay ánh sáng phân cực được tạo ra phổ biến nhất bằng sự hấp thụ ánh sáng có tập hợp hướng daođộng nhất định trong môi trường lọc (ví dụ như bản phân cực),trong đó trục truyền củabộ lọc vuông góc với sự địnhhướng của polymer tuyến tính và tinhthể có chứa chất phân cực. Trongnhữngbản phân cực hiện đại, các sóng ánh sáng tớicó daođộng vectơ điện trường song songvới trục tinhthể của bản phâncực bị hấp thụ. Nhiều sóng trong số các sóng tới sẽ có sự địnhhướng vectơ xiên góc, nhưngkhông vuônggóc với trụctinh thể,và sẽ chỉ bị hấpthụ một phần. Mức độ hấp thụ đối vớicác sóng ánh sáng xiên phụ thuộc vào góc dao độngmà chúng chạm tới bản phân cực. Những tianào có góc đó gần songsong với trụctinh thể sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so vớinhữngtiacó góc gần vuông góc. Cácbộ lọc Palaroidphổ biến nhất(gọi là sêri H) truyền quachỉ khoảng 25%chùm ánh sáng tới, nhưng mức độ phân cực của tia truyền quavượt trên 99%. Một số ứngdụng, nhất là kính hiển vi ánh sáng phân cực,dựa trên các bản phân cựcvuông góc để xác định chất khúcxạ kép hoặc lưỡng chiết.Khi haibản phân cựcđặt vuông góc nhau,trục truyền của chúng địnhhướng vuông góc nhau và ánhsáng truyềnqua bản phân cực thứ nhất hoàn toàn bị dập tắt,hoặc bị hấp thụ, bởi bản phân cực thứ hai, bản này thường được gọi là bản phântích. Lượng ánh sáng hấp thụ của bộ lọcphâncực lưỡngsắc xácđịnh chínhxác bao nhiêu ánh sáng ngẫu nhiênbị dập tắt khibản phân cực được dùng trong bản cặp bắtchéo, và thường được gọi làhệ số dập tắt của bản phâncực. Về mặt định lượng, hệ số dập tắt đượcxác định bởi tỉ số của ánh sáng truyền qua bởi cặp phâncực khi trục truyền của chúng định hướngsong song và lượng ánh sáng truyềnqua khi đặt chúng vuông góc với nhau. Nói chung, hệ số dậptắt từ 10.000 đến100.000 để tạo ra nền đen thẳm và mẫu vật lưỡng chiết dễ quan sátnhất (và tươngphản) trong kính hiển vi quanghọc phân cực. . với ánh sáng khôngphân cực. Ý niệmcơ bản của sự phân cực ánhsáng đượcminh họatrên hình 1 đốivới một chùm ánh sáng không phâncực đi tới hai bản phâncực thẳng. Vectơ điện trường vẽ trongchùm ánh sáng. trọng của ánhsáng phân cựcphản xạ là độ phân cựcphụ thuộc vào góctới của ánhsáng, với lượng phân cựctăng đượcquan sát thấy khi góctới giảm. Khi xét sự tác động của ánh sáng khôngphân cực lênmột. haymặt phẳng phân cực. Mắtngười không có khả năng phânbiệt giữaánhsángđịnhhướng ngẫu nhiênvà ánh sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳngchỉ có thể phát hiện qua cường độ hoặc hiệu ứng màu, vídụ như sự