Lăng kính và bộ tách chùm tia Một số dạng khác của lăngkínhkiểu Glancó thể thu được bằng cách thayđổi định hướng trục quang calcite hoặc thạchanh sovới từng nửa tinh thể (như minh họa trong hình 5).Lăngkính Rochon (hình5c) đặt các trụctrựcgiao với nhau và sắp xếpsao choánh sángkhôngphân cực tớiđi vào lăng kính songsong với trục quang(và không bị tách ra). Khi sóngánh sáng truyền qua lớp tiếp giáp trong lăng kính Rochon, chúng đivào một vùng mới trong đó trục quangđịnh hướng vuông góc với sóng. Việc này khiến ánhsáng bị tách thành các thànhphần thườngvà bất thường, với sóngthường truyềnqua không bị lệch và sóngbất thườngbị khúc xạ khỏi theo hướng vuônggóc. Kịch bản ngược lại có thể thu được với lăng kính Senarmont, cũng có trục củaphần tinh thể thứ nhất định hướng songsong với nguồnchiếusáng tới. Tuynhiên,khisóng ánhsángchạm tới ranh giới tronglăng kính Senarmont(xem hình5d),sự địnhhướngcủa trụcquang trongnửa thứ hai của tinhthể cho phép tia bất thường truyền quakhôngbị lệch, nhưng làm khoảng cách sóng thường.Những lăngkính này có thể sử dụng để lựa chọn các định hướng riêng biệt của ánhsáng phân cực cho nhữngứng dụng quang đặc biệt. Lăng kính tán sắc(lăngkính khúc xạ) Minh chứng đầu tiên cho sự khúc xạ và tán sắc ở lăng kínhtam giác được thực hiện bởi nhà vật lí người AnhIsaacNewton vào cuối những năm 1600. Newton đã chỉ rõ rằngánh sángtrắng có thể bị tách thành các màu thành phần của nó bởi một lăngkính đềucó các mặt vàcác gócbằngnhau. Nói chung,một lăng kính khúcxạ hoặc tán sắc có haihaynhiều bề mặt phẳng định hướng theo kiểu thích hợp saocho nó làm khúc xạ chứ khôngphản xạ chùm ánh sáng tới. Khi tia sáng chạm tới bề mặt của một thấu kính tán sắc, nó bị khúcxạ khi đi vào theođịnh luật Snellvà rồi truyềnqua thủytinh cho đến khichạmtới bề mặt thứ hai. Một lần nữa, tia sáng lại bị khúc xạ và ló ra khỏi lăng kính theo một đường đi mới (xem hình 6). Vì lăng kính làm thay đổi hướng truyền của ánh sáng, nên các sóng truyền qua lăng kính được nói là bị lệch đi một góc nhất định, cóthể được xác định rất chínhxác bằngcách áp dụng định luật Snellcho hìnhhọc lăngkính. Góc lệch lànhỏ nhất khisóngánh sáng đi vàolăng kínhvới góc cho phép chùm tia truyềnqua thủy tinh theohướngsong song với đế. Độ lệch của tia sáng do lăng kínhmang lại là mộthàm của góc tới, góc chóp (đỉnh)lăng kính,và chiết suấtcủa chất cấu tạo nên lăng kính. Khi giá trị chiết suất lăngkính tăng, thì góclệch của tia sángtruyền qua lăng kính cũng tăng. Chiết suất thường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn (ánh sáng xanh dương)thì bị khúc xạ ở góc càng lớn so với bướcsóngdài (ánh sáng đỏ). Sự biến thiên này của góclệch theo bướcsóng được gọi là sự tán sắc, và là nguyên nhân gây ra hiện tượngmà Newton quan sát thấy cách nay đã 300 năm. Sự tán sắc có thể điều chỉnh tốtbằng cách chọnloại thủy tinh có chiếtsuất thích hợp đặc trưng cho mộtứng dụng nhất định. Nói chung, đặc điểm tán sắccủa những loại thủy tinh khác nhaucó thể so sánhqua số Abbe, được xác địnhbằng cách đochiết suất của những bướcsóng tham chiếunhất định truyền qua loại thủy tinh đó. Số Abbecho những loại thủytinh phổ biến dùng chế tạolăng kính được cho trong bảng 1.Như có thể thấy rõ ràngtừ bảng 1, số Abbecàng nhỏ cho công suất tán sắc càngcao, tức là gócmở của các màu trong phổ ánhsáng ló ra càng lớn. Ứng dụng chủ yếu của lăng kính tán sắclà tách các bướcsóng trong lĩnhvực quangphổ học, ngành vật lí tập trungnghiên cứu và phân tích quang phổ. Mặc dù lăngkính từng được chọnlàmthành phần quang cho quangphổ kế và máy đo ảnh phổ, nhưng hiện nay cách tử nhiễuxạ đảm đương vaitròchính trongnhững thiết bị này. Cách tử tạo rasự tán sắc vạch của ánhsáng trắng chứ không phải góc phức tạp tuân theo mối quan hệ bước sóng biểu hiện bởi lăng kính. Tuy nhiên, lăng kính thật sự có mộtvài tiện lợi so với cáchtử, như khả năng linh độngcao, không có hiện tượngnhiễu xạ bậc cao không mongmuốn, và ánhsángthất thoát ít hơn. Vật liệu và việc chế tạo lăng kính Để cho một lăng kính hoạt độngở nhữngđặc điểm kĩ thuật theo yêu cầu,nó phải được chế tạo từ đúngloại thủy tinhvà khôngbị kéo cănghoặc bị khiếm khuyết bên trong.Tất cả các mặt củalăng kính phải hoàn toàn phẳng và gắn với nhau ở những góc chính xác (mặc dù cácgóc này ở một số lăng kínhthì quantrọng hơnnhiều so vớinhững lăng kính khác) lệch khôngquá 5đến 10phút chonhững công dụngnói chung,nhưng giữ đến chỉ vài giây đối với những ứngdụng quan trọng, ví dụ như lăng kínhvòm. Vật liệu thừa tại các góc luônbị cắt bỏ việc sứtmẻ và gãy vỡ và làm giảm tối thiểu trọnglượngvà kích thướccủa lăng kính. Các mặt bên ngoài phảiđược giữ sạchsẽ đến tiêu chuẩnquang chínhxác nhất, có thể thực hiện bằng cácháp dụng một lớpphủ sơn màihoặc tráng bạc bề mặt thích hợp. Trongnhiều trườnghợp, người ta khắc khía lênbề mặt để loại trừ ảnh ma tạo bởi sự phảnxạ nội sai lạc. Những thayđổi ở mậtđộ thủy tinh trong vật liệu làmlăng kínhcó thể tạo ra sự méo ảnh và làm thay đổi đặc trưng tán sắc của thủytinh. Tương tự, các bọt hoặc vụn tạp chất trongthủy tinh có thể tạo rasự nhiễu xạ và làm giảm sự truyền sáng. Thủy tinhđượcchọn cho chế tạo lăngkính được đặc trưng bởi chiết suất, độ tán sắc, và các tính chất truyền sáng của chúng. Bộ tách chùm tia Bộ tách chùm là một thành phầnquangphổ biến chotruyền qua mộtphần và phản xạ một phần chùmtia sáng tới, thường vớitỉ lệ không bằng nhau.Ngoài nhiệmvụ tách chùmtia, bộ tách chùm còn cóthể dùnglàm tái kết hợp hai chùm tia sáng hoặc ảnh phân tách vào một đường đi. Cấu hìnhđơngiản nhất đối với một bộ tách chùm là mộtbản thủy tinhphẳngkhôngtráng (như bàn soikínhhiển vi)có năng suất phản xạ bề mặt trungbìnhkhoảng 4%.Khi đặt ở góc 45 o , bảnsẽ cho truyền quađa phần ánhsáng,nhưng phản xạ một lượng nhỏ ở góc 90 o so với chùm tia tới.Đúng như tên gọi bản tách chùm,bảnthủy tinh crown quang đượcthiết kế trángbạc mộtphần nhằm tạora tỉ số truyền qua-phản xạ theo yêu cầu. Tỉ số này luôn biến thiên trong khoảng giữa50:50 và20:80, phụ thuộc vào từng ứng dụng. Nói chung, một màng kimloại haylưỡngcực lắng lên mặt trước (đối diện với nguồn rọi sáng tới) của bản táchchùm, còn mộtlớp phủ chống phản xạ được tránglên mặtsau (xemhình7). Chất phủ chống phản xạ được chọn phù hợp với góc tới của ánh sáng nhằmlàmgiảm tối thiểu lượng ánh sáng phản xạ khỏimặt sau của bản và làmgiảm khả năng tạo ảnhma. Cácchất chốngphản xạ tiêu biểuchỉ có hệ số phản xạ khoảng0,5% ở góc tới 45 o . Lớp phủ lưỡng cực cũng phải được xử lí tốt nhằm mang lại năngsuất phản xạ, cácđặc điểm phân cực, và sự phân bố bước sóng thích hợpở góc màbộ tách chùmđược thiết kế. Vì cả chất phủ lưỡng cựcvà chất phủ chống phản xạ đềucó sự hấp thụ khôngđáng kể trong vùng ánh sáng khả kiến(điển hình là 0,5%đối với bộ tách chùm50:50ở góc 45 o ), nên bản tách chùm lí tưởngcho nhiều ứngdụngrộng rãi. Một trong hệ quả lớn nhất của việc sử dụng chấtphủ lưỡng cực cho việcchế tạo bộ tách chùm là sự truyền và phản xạ không bằng nhauđốivới các thành phần phân cựcp và s(song songvàvuông góc) của chùm tia sáng tớikhôngphân cực. Kết quả là một số bộ táchchùmlưỡng cực chia ánhsángkhôngbằng nhautheo trạngthái phân cực cóthể gây khó khăn trongnhiều ứngdụng. Khi sử dụnglớp phủ lưỡng cực, hiện tượng này thường có thể khắc phục bằng cách thay đổi sự định hướng vectơ phân cực của ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứngphân cực có thể làm giảm qua việc sử dụng lớp phủ lưỡngcực màng mỏng nhiều lớp phức tạp hơn, nhưng thườnglàm tiêuhao các mặt hiệu suất khác. Các lớp phủ bộ tách chùm khôngphân cựcchuyên dụng được thiết kế dành cho dùngvới ánhsánglaserphân cực, trongđó bức xạ tới phải duy trì hướngphân cực của nó trong cả chùm truyền qua và chùmphản xạ. Các lớp phủ có thể thực sự mang lạisự tách rõ ràng50/50năng lượng laser, bấtkể trạng tháiphân cựccủa chùmtia tới. Là một mặt lợi thế, ánh sángkhôngphân cựctới trên nhữnglớp phủ này cócả thành phần songsong lẫnvuông góctruyền quaở tỉ lệ hầunhư bằng nhau. Các bộ tách chùm dạng bản cũng cóthể thiết kế để hoạt động như các bộ lọc cạnh sóng dài vàsóng ngắn (khi đặt ở góc 45 o ) cho nhữngứng dụng yêucầu việc chọn lọcbước sóng nhất định.Trong trường hợp bộ lọc sóngdài, các bước sóng dài được truyền qua vàcác bước sóng ngắn bị phản xạ ở góc 90 o so với chùm tia tới. Bộ lọc sóng ngắn hoạt độngtheo kiểu ngượclại (chotruyền qua bước sóng ngắn và phản xạ bước sóngdài). Các bộ tách chùm hoạt động như bộ lọc cạnh thường được gọi làgương lưỡng sắc. Bộ tách chùm hình lập phươngđược chế tạo bằngcách dánhaimặt cạnh huyềncủa một cặp lăngkính gócvuôngvới nhau, cómàng phản xạ một phầnlắng trên mặt củamột lăng kính (hình8a).Cả bốn mặt của bộ táchchùm hình lập phươngđược xử lí một lớp phủ chốngphản xạ nhằm làm giảmtốithiểu ảnh ma. Trongđiều kiện lí tưởng, chùm ánh sáng tới phải đi vào bộ tách chùm qua lăng kính cóphủ màng phản xạ sao cho sự phản xạ xảy ratrước khichùmtia chạm tới chỗ hàn nối khối lập phương lại với nhau.Bộ tách chùmhình lập phươngchống chấn độngcơ và biến dạng cơ tốt hơnbộ tách chùm dạng bản, chủ yếu do bề mặt phản xạ được bảo vệ bằngcáchkẹp giữa các lăng kính thủy tinh. Bộ tách chùm dạng bảncó một số thuận lợi so vớibộ tách chùmhìnhlập phươngchủ yếu do không cólớp kết dính quang học trongvùnglân cận màng lưỡng cực hoặc màng kimloại, chúng cóthể hấp thụ năng lượng ánh sáng và làm giảm sự truyền qua. Hệ quả là bộ tách chùm dạng bản có thể chịu được mức độ bức xạ caohơn đángkể mà không bị phá hủy. Bảnthủy tinhcũngnhỏ hơn và nhẹ hơn so với khối lậpphươnglăng kínhsongsinh, và có thể dễ dàng lắp vào những không gian chật hẹp trong nhữngcơ cấu quangchậtních. Các chất phủ tiên tiến cho bộ tách chùm hìnhlậpphương gồm có màngkim loại-lưỡng cựclai ghép kết hợp lợi thế của cả hai loại vậtliệu. Kết quả là một bộ tách chùm có hiệu suất vừa phải thường có mức hấpthụ khoảng 10%với độ nhạy phân cựcrất thấp. Sự hấp thụ làm thất thoáthầu như chia đều giữa chùmtruyền qua và chùm phản xạ, và các thành phầnphân cựcnằm trong 5 đến10% lẫn nhau. Các lớp phủ băng rộng khác có đặc trưnghấp thụ thấp hơn, nhưnglạicực nhạyvới sự phâncực. Các lớp phủ không phân cực lưỡng cực được thiết kế cho hiệu suất cao ở những bước sóng nhất định, thường dùng chonhững ứng dụnglaser. Loại bộ tách chùm quan trọng thứ ba đượcchế tạo từ màng đàn hồi mạnh sức căng cao (như nitrocellulose)kéocăng giốngnhư tấm vải bạt trên một khung kim loạiphẳng sơn đen. Được gọi là bộ tách chùm màng mỏng (hình8b), chiều dày màng thay đổi từ 2 đến10 micromét, quá mỏng nên nó hầu như loại trừ hết ảnh ma. Ngoài ra, sự quang sai,như sắc sai,quang saicầu, và loạnthị, đã được làm giảm tới mức tối thiểu khi sovới bộ tách chùm dạng bảnvà hình lập phương, mở rộng bất ngờ khả năng sử dụng cả ánhsáng hội tụ lẫn phân kì. Các màngmỏng khôngphủ chất cho truyền qua khoảng 92%ánhsángtới trong vùng phổ khả kiến và hồngngoại gần, nhưng thường biểu hiện độ hấp thụ khôngthể chấp nhận được trong vùng tử ngoại. Trongđa số ứngdụng, màng mỏng thườngđược phủ thêm một lớp màng lưỡng cực mỏng lênmặt đối diện với chùm tia sáng tới. Những bộ tách chùm này thường là nạn nhân của hiệntượng giao thoa do trạng thái quá gần của cácbề mặt màng,và chúng cũng là đối tượng cho các dao động âm.Các bề mặt màngmỏngphải tránhbị chạm tiếp xúc và có thể lau sạch chỉ bằng một làngió nhẹ. Bộ tách chùm đục lỗ (thường được gọi làbộ tách chùmchấmpolka,xem hình 8c)được chế tạobằng cáchtrángmột chất thủy tinhquangvới mộtlớp nhôm mỏngcó nhữnglỗ hình vuôngkích thước đều đặn. Bề mặt thuđược có diện mạo “chấmpolka”, đúng như tên gọi. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận kích thướclỗ, tỉ số diện tíchbề mặt phủ và không phủ chất trong bộ tách chùm đục lỗ có thể được điều chỉnh sao cho nó tách đều chùmtia tới thành các thành phần truyền quavà phản xạ. Sóng ánh sáng chạm tới bề mặt không phủ chất thì truyền qua (mất mát vài phần trăm do sự phản xạ từ thủy tinh),cònsóng chạmtới lớpnhômtráng thì bị phản xạ (thườngở góc 45 o ). Bộ tách chùm đụclỗ biểu hiện độ nhạy không đáng kể trong một phạmvi góc rộng, và cóích cho việc táchchùmtia sáng từ các nguồn bức xạ băng rộng, phânkì, như đènhồ quang thủyngân và đèn volfram-halogen. Ngoài ra, cấu trúc dạng lướibiểu hiện sự phân kì không đángkể của chùmtia truyền quadonhiễu xạ và khôngchịu sự phâncực. Những bộ lọc này cũng có ích với đèndeuteriumvà xenon, vàtìm thấy ứng dụng trong máy đoảnh phổ và nhiều quanghệ khác. Các lăng kính tròn có các bề mặt phẳngđặt hơi sớt qua nhauđượcgọi lànêm quanghọc,và làm lệch ánh sáng bằngsự khúc xạ chứ không phản xạ. Mặc dù các nêm về bản chấtlà hợp bởi lăngkính, nhưng chúng có thể được điều chỉnhđể hoạt độngnhư bộ tách chùmhoặc bộ lái chùm tia. Gócmà mộtnêm làm lệch ánhsáng tới phụ thuộc vào góc giữamặt vào và mặt ra vàchiết suất của thủytinh chế tạo nên các bản đó. Góc nêmthay đổi từ 2 đến 25 độ và có khả năng chọn lọc kép tương ứng làmlệchchùm tia khúc xạ từ 2đến20 cm trên mỗi mét khoảngcách tính từ lăng kính. Hướng ánh sáng khúc xạ sau khiđi qua nêm có thể điều khiển bằngcách quay lăng kính tròn(xem hình9). Trongnhiều trườnghợp, hainêm ghépđôi và đường đi ánhsángbị thay đổi đến mức độ còn lớn hơn nữa trong phạm vi360độ bằng cách quay các nêm theohướng ngược nhau.Lăngkính hình nêm hoạt động như bộ tách chùm linhhoạt ngăn cản ảnh mavà láichùm tiasáng qua đường đi có thể điều chỉnh trong quang hệ. Cả lăngkính và bộ tách chùm đềulà nhữngthành phần quan trọngtrong ống ngắm của kínhhiển vi,trongđó chúng làm nhiệm vụ làm lệchánh sángtừ vật kính tới thị kính hoặc cổng camera.Trong những chiếc kính hiểnvi hiệnđại trangbị ống ngắm hai mắt nhìn, lăng kínhcũng được sử dụng để làm thay đổi đườngngắm từ thẳng đứngsang góc 45 o tiện lợi hơn. Gương tách chùm lưỡng sắc cũngquan trọng trong kính hiển vi huỳnh quang,manglại sự rọi sángkích thích cho mẫu vật và cho phép huỳnh quangthứ cấp đi vào thị kính, đồngthời chặn lại các bước sóng kíchthích bị phản xạ. Những thiết bị quang khác, như kínhthiên văn, kínhđịnh tâm,và dụng cụ trắc địa cũngdựa trên lăng kính và bộ tách chùm để thực hiện chức năng của chúng. . theohướng ngược nhau.Lăngkính hình nêm hoạt động như bộ tách chùm linhhoạt ngăn cản ảnh mavà láichùm tiasáng qua đường đi có thể điều chỉnh trong quang hệ. Cả lăngkính và bộ tách chùm đềulà nhữngthành. phản xạ một phần chùmtia sáng tới, thường vớitỉ lệ không bằng nhau.Ngoài nhiệmvụ tách chùmtia, bộ tách chùm còn cóthể dùnglàm tái kết hợp hai chùm tia sáng hoặc ảnh phân tách vào một đường đi chóp (đỉnh )lăng kính, và chiết suấtcủa chất cấu tạo nên lăng kính. Khi giá trị chiết suất lăngkính tăng, thì góclệch của tia sángtruyền qua lăng kính cũng tăng. Chiết suất thường phụ thuộc vào bước