Nghiên cứu ứng dụng của sự phân cực ánh sáng

MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Ánh sáng được coi là người bạn thân thiết, gần gũi của con người trong mọi hoạt động hàng ngày. Đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều hiển nhiên và tự nhiên. Con người đã không ngừng tìm hiểu về nguồn gốc của ánh sáng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế nào? vô vàn câu hỏi và những thắc mắc mà con người đã đặt ra cho ánh sáng. Đến thế kỷ XX con người mới thực sự có được cái nhìn đúng đắn hơn về ánh sáng. Có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về nhiều khía cạnh của ánh sáng như: Huyghens - cha đẻ của lý thuyết sóng ánh sáng; Newton - ánh sáng là hạt, … Những hiện tượng liên quán đến ánh sáng bao gồm: Khúc xạ, phản xạ, giao thoa, nhiễu xạ,…và đặc biệt là sự phân cực ánh sáng. Sự phân cực ánh sáng được rất nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu vì nó mang lại nhiều ứng dụng hiệu quả đối với thực tiễn cuộc sống của con người và khoa học công nghệ. Những nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng này có thể nói gần như là hoàn thiện và có thể tìm thấy ở bất kỳ một giáo trình Quang học nào. Con người đã biết thế nào là ánh sáng phân cực, cách tạo ra ánh sáng phân cực, ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, các dụng cụ phân cực ánh sáng. Tuy nhiên những tài liệu viết về những ứng dụng của nó còn khá khiêm tốn nhất là những ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và thực tiễn. Có một số tác giả cũng viết về vấn đề này như: Nguyễn Thị Hảo, [3] hay Nguyễn Ngọc Vân Tâm, [7], Nhưng họ cũng chỉ tập trung nhiều vào làm rõ sự phân cực ánh sáng về mặt lý thuyết hay chỉ nêu ra các ứng dụng một số ứng dụng của sự phân cực ánh sáng (kính phân cực, màn hình tinh thể lỏng LCD,…) mà không đi sâu vào tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên lý để tạo ra các sản phẩm đó. 1 2. Tính cấp thiết của đề tài Sự phân cực ánh sáng là một nội dung quan trọng khi nghiên cứu về ánh sáng. Trong các giáo trình quang học, sự phân cực ánh sáng được dành ra hẳn một chương để bàn luận về các vấn đề thế nào là ánh sáng phân cực, cách nhận biết đâu là ánh sáng phân cực, cách tạo ra ánh sáng phân cực, sự giao thoa của ánh sáng phân cực, sự quay mặt phẳng phân cực,… Trên thực tế sự phân cực ánh sáng có rất nhiều ứng dụng mà con người cũng đã được biết đến nhưng những tài liệu mang tính hệ thống viết về những ứng dụng này chưa nhiều. Đối với sinh viên sư phạm Vật lí nói chung và sinh viên sư phạm Vật lí ở trường Đại học Hùng Vương nói riêng, trong quá trình học tập việc gắn những kiến thức lí thuyết với ứng dụng thực tế của những kiến thức đó là một yêu cầu quan trọng. Nó giúp nhóm đề tài cũng như các bạn sinh viên ghi nhớ kiến thức tốt hơn, tạo hứng thú, yêu thích môn học hơn, khi nghiên cứu về sự phân cực ánh sáng cũng vậy. Những thông tin chi tiết hơn nữa về ứng dụng của hiện tượng này trong đời sống và kĩ thuật sẽ giúp chúng ta thấy được ý nghĩa to lớn của hiện tượng và hiểu về hiện tượng một cách sâu sắc hơn. Từ những lí do trên, với mong muốn hiểu sâu và rõ hơn những ứng dụng của hiện tượng quang học trong thực tế, tập hợp được một tài liệu nhằm giới thiệu được cho người đọc những thông tin chi tiết hơn về những ứng dụng của hiện tượng phân cực ánh sáng, nhóm đề tài lựa chọn "Nghiên cứu ứng dụng của sự phân cực ánh sáng" làm đề tài nghiên cứu. Trên cơ sở nghiên cứu về ứng dụng của sự phân cực ánh sáng đề tài của chúng tôi muốn đóng góp: + Về mặt lý luận: Cho thấy ý nghĩa của hiện tượng vật lý này trong đời sống, khoa học và kĩ thuật thông qua những ứng dụng cụ thể. + Về mặt thực tiễn: Cung cấp một tài liệu tốt cho sinh viên sư phạm nói riêng trong quá trình học tập môn Quang học, với người học được hiểu rõ hơn về những ứng dụng trong những lĩnh vực công nghệ xung quanh mình (kính lọc phân cực, công nghệ trình chiếu phim 3D…) 2 3. Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài 3.1. Mục tiêu của đề tài Hệ thống được những ứng dụng của hiện tượng phân cực ánh sáng trong đời sống và trong khoa học công nghệ và phân tích, giải thích được nguyên tắc cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của các ứng dụng này. 3.2. Nhiệm vụ của đề tài + Tìm hiểu những lý thuyết về sự phân cực ánh sáng; + Tìm hiểu những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống, kĩ thuật, khoa học và công nghệ; + Phân phân tích, giải thích được nguyên tắc cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của các ứng dụng. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sự phân cực ánh sáng. 4.2. Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ tập trung vào việc tìm hiểu những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống và khoa học công nghệ. 5. Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: Tập trung tìm hiểu những vấn đề tổng quan về sự phân cực ánh sáng như: Thế nào là sự phân cực ánh sáng? Cách tạo ra ánh sáng phân cực, ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, giao thoa của ánh sáng phân cực,… - Nội dung 2: Tìm hiểu về những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống (như: kính râm phân cực, màn hình chống chói trên điện thoại di động,…) và trong khoa học công nghệ (như Kính hiển vi phân cực, màn hình tinh thể lỏng,…). Trên cơ sở nội dung nghiên cứu chúng tôi dự kiến cấu trúc của đề tài gồm những phần như sau: 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1.1. Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực 1.2. Sự phân cực ánh sáng 1.3. Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn 1.4. Sự giao thoa ánh sáng phân cực 1.5. Sự quay mặt phẳng phân cực CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 2.1. Ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong khoa học 2.2. Ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích, nghiên cứu các giáo trình, tài liệu Quang học để có kiến thức lý thuyết tổng hợp về sự phân cực ánh sáng. Phân tích những tài liệu liên quan tới ứng dụng sự phân cực ánh sáng để chọn lọc, sắp xếp thành những mục quan tâm. - Phương pháp chuyên gia: Chúng tôi sẽ tiến hành gặp gỡ trao đổi, tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn và giáo viên bộ môn Vật lý về những vấn đề liên quan tới đề tài nghiên cứu. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1.1. Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực Do tính chất chuyển động hỗn loạn của chuyển động bên trong các nguyên tử nên đoàn sóng do một nguyên tử phát ra có thể dao động theo các phương khác nhau xung quanh tia sóng. Căn cứ vào phương dao động của vector cường độ điện trường xung quanh tia sóng người ta phân ra thành ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực. 1.1.1. Ánh sáng tự nhiên 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. Ánh sáng tự nhiên phát ra từ một số lớn các nguồn sáng như: Mặt Trời, hồ quang điện, đèn Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên (hình 1.1) 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. Mặt phẳng chứa vector và tia sáng gọi là mặt phẳng dao động. Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực. 1.1.2. Ánh sáng phân cực Khi ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất đẳng hướng về mặt quang học do tác dụng của môi trường lên ánh sáng đó có thể làm cho các vector chỉ còn dao động theo một phương xác định gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực hoàn toàn. 5 Hình 1.1. Biểu diễn ánh sáng tự nhiên Hình 1.2. Biểu diễn ánh sáng phân cực thẳng Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng nhưng có phương dao động ưu tiên hơn được gọi là ánh sáng phân cực một phần. Biểu diễn ánh sáng phân cực một phần (hình 1.3). Hình 1.3.Biểu diễn ánh sáng phân cực một phần 1.2. Sự phân cực ánh sáng Sự phân cực ánh sáng là sự tách khỏi chùm ánh sáng tự nhiên những tia phân cực trong một mặt phẳng xác định. Thí nghiệm về sự phân cực ánh sáng: Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên, đơn sắc, song song, hẹp, vuông góc với mặt bên của bản T 1 , tức vuông góc với quang trục O 1 O' 1 (hình 1.4a). Khi ta quay bản T 1 quanh phương truyền của tia sáng, cường độ của chùm tia ló không thay đổi. Đặt tiếp một bản tuamalin T 2 giống hệt bản T 1 phía sau bản T 1 , sao cho tia I'S' tới vuông góc với mặt bản T 2 (hình 1.4b). Khi giữ nguyên bản T 1 và quay bản T 2 xung quanh phương truyền ánh sáng, thì cường độ sáng sau T 2 sẽ thay đổi một cách hoàn toàn. 6 I 2 = I 1 cos 2 (1.1) Hình 1.4a Hình 1.4b Nguyên nhân của sự phân cực ánh sáng là do ánh sáng tương tác với môi trường vật chất. Độ phân cực là đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực của ánh sáng phân cực. (1.2) Nếu P = 1 ánh sáng phân cực thẳng Nếu P = 0 ánh sáng tự nhiên Nếu 0 < P < 1 ánh sáng phân cực một phần. Có thể tạo ra ánh sáng phân cực bằng nhiều cách. Ta khảo sát một số hiện tượng như: Sự hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và sự khúc xạ kép. 1.2.1. Sự phân cực ánh sáng do phản xạ- khúc xạ Hiện tượng phân cực ánh sáng xảy ra khi ánh sáng phản xạ hay khúc xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường. Thí nghiệm: Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên SI vào mặt phân cách giữa hai môi trường (không khí và thủy tinh), một phần ánh sáng bị phản xạ, phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai. Để khảo sát sự phân cực của tia phản xạ và khúc xạ, ta đặt bản tuamalin T 1 trên đường của tia phản xạ và bản T 2 trên đường truyền của tia khúc xạ 7 (hình1.5). Khi ta quay bản T 1 xung quanh tia phản xạ theo chiều mũi tên người ta nhận thấy : - Quang trục của bản T 1 vuông góc với mặt phẳng tới thì chùm tia ló ra khỏi T 1 có cường độ cực đại. - Khi quang trục của bản song song với mặt phẳng tới thì cường độ của nó cực tiểu. Nói chung tia phản xạ và tia khúc xạ là những tia phân cực một phần, nghĩa là vector điện trường dao động ưu tiên theo một phương trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng. Thay đổi từ từ độ nghiêng của chùm tia tới tấm thủy tinh từ 0 tới 90 0 ta sẽ tìm được một vị trí ở đó tia phản xạ IR bị bản T 1 làm tắt hoàn toàn, khi đó tia IR là tia phân cực thẳng, tức là tia phân cực hoàn toàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ phân cực phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng với lượng phân cực tăng được quan sát thấy khi góc tới giảm. Tia phản xạ sẽ là ánh sáng phân cực thẳng khi góc tới i thỏa mãn định luật Brewster : tgi B = n 21 (1.3) trong đó : n 21 là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1, còn i B gọi là góc Brewster. Tia khúc xạ luôn luôn chỉ là tia phân cực một phần, nó có cường độ cực đại khi trục quang học của bản T 2 song song với mặt phẳng tới. Khi i = i B tia khúc xạ bị phân cực mạnh nhất và vuông góc với tia phản xạ. 8 Hình 1.5. Phân cực do phản xạ và khúc xạ dưới góc tới Brewster 1.2.2. Hiện tượng tán xạ Tán xạ ánh sáng là hiện tượng khi một chùm tia sáng truyền qua một môi trường trong suốt, ta không những nhìn thấy ánh sáng theo phương truyền của chùm tia, mà còn nhìn thấy ánh sáng theo các phương khác nữa. Ta xét một số trường hợp tán xạ của ánh sáng mà sự không đồng nhất của môi trường do những nguyên nhân khác nhau gây nên: * Tán xạ trong môi trường vẩn đục (tán xạ Tyndall) Môi trường vẩn đục là môi trường trong suốt, chứa những hạt nhỏ lơ lửng, như khói là không khí có mang các hạt rắn nhỏ, sương mù là không khí mang những hạt nước nhỏ. Tyndall và Rayleigh đã thiết lập 3 định luật dựa trên hiện tượng tán xạ Tyndall như sau: 1. (1.4) trong đó b là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào nồng độ và đặc biệt là kích thước của hạt. 9 2. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ theo phương làm với phương truyền thẳng một góc bất kỳ bị phân cực một phần và theo phương vuông góc với phương truyền thẳng( ) thì bị phân cực hoàn toàn. 3. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì cường độ của ánh sáng tán xạ theo phương tạo với phương truyền thẳng góc được xác định: (1.5) trong đó là cường độ ánh sáng tán xạ theo phương 1.2.3. Sự phân cực do tính lưỡng chiết (khúc xạ kép) Tinh thể là một môi trường dị hướng, nghĩa là môi trường trong đó một số đặc trưng vật lý (vận tốc, chiết suất, ) phụ thuộc vào phương truyền sóng ánh sáng và mặt phẳng phân cực của nó. Lưỡng chiết tự nhiên là hiện tượng khi một tia sáng qua tinh thể bị tách thành hai tia. Hình 1.6. Sự khúc xạ kép trong tinh thể canxit Để khảo sát hiện tượng lưỡng chiết người ta làm thí nghiệm với tinh thể đá băng lan- đó là một loại canxi cacbonat, kết tinh có dạng hình hộp xiên. 10 [...]... chứng tỏ rằng ánh sáng ra khỏi bản tinh thể K không phải là phân cực elip, mà là phân cực thẳng Hình 1.19 Thí nghiệm về sự quay ánh sáng phân cực - Kết quả: Mặt phẳng phân cực của ánh sáng đã quay đi một góc nào đó bằng góc quay nicol N2 Ta nói bản thạch anh đã làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng tới nó và gọi đó là hiện tượng quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng 20 * Góc quay của mặt phẳng phân. .. nguồn sáng tự cấp: Ánh sáng được phát ra từ một đèn nền, có vô số phương phân cực như các ánh sáng tự nhiên Ánh sáng này được cho lọt qua lớp kính lọc phân cực thứ nhất, trở thành ánh sáng phân cực phẳng chỉ có phương thẳng ứng Ánh sáng 30 phân cực phẳng này được tiếp tục cho truyền qua tấm thủy tinh và lớp điện cực trong suốt để đến lớp tinh thể lỏng Sau đó, chúng tiếp tục đi tới kính lọc phân cực. .. thấy những khác biệt của ánh sáng phân cực, tức là loại ánh sáng phản ánh sự khác biệt giữa các mô bao gồm tế bào ung thư hay lành mạnh Ánh sáng phân cực cũng có thể được sử dụng để nhìn thấy những gì mà mắt người không thể nhìn thấy, như là các tế bào ung thư, các tế bào ung thư dễ 27 được nhìn thấy dưới ánh sáng phân cực do cấu trúc hỗn độn và xâm lấn của chúng làm phân tán ánh sáng theo một cách khác... làm cho ánh sáng tím và ánh sáng đỏ ra khỏi bản chỉ là ánh sáng phân cực một phần Mặc dù có những nhược điểm nói trên, trong thực tế bản polaroid vẫn được sử dụng rộng rãi vì nó là loại máy phân cực rẻ tiền có khẩu độ lớn và diện tích lớn 1.3 Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn Ánh sáng trong đó tại mỗi điểm trên phương truyền của tia, phương của vector cường độ điện trường thay đổi và mút của nó... là ánh sáng phân cực elip Trường hợp đặc biệt elip biến thành đường tròn ta có ánh sáng phân cực tròn 1.3.1 Cách tạo ra ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn Chùm tia sáng tự nhiên và đơn sắc hẹp SI đi qua nicol N, qua đó ta có tia phân cực thẳng JI Cho tia JI đập vuông góc với bản tinh thể K, có trục quang học song song với mặt phân cách AB và có chiều dày d Hình 1.14.Sơ đồ cách tạo ra ánh sáng phân. .. trong một số mẫu thực vật và côn trùng hiển thị đẹp trong ánh sáng phân cực Vảy cá là một ví dụ tốt 25 * Ứng dụng của kính hiển vi phân cực Kính hiển vi phân cực là loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng phân cực để quan sát, nghiên cứu định tính và định lượng những mẫu có đặc tính lưỡng chiết (có hai chỉ số khúc xạ) Kính hiển vi phân cực có thể được sử dụng để kiểm tra vật liệu trong một số ngành công nghiệp... 2 ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Phân cực là hiện tượng xảy ra khá phổ biến và có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống hàng ngày và trong nghiên cứu khoa học Ví dụ đơn giản nhất đó là những chiếc kính râm, màn hình chống chói điện thoại, kính hiển vi hay những bộ phim 3D, Đó là những thứ rất gần gũi với chúng ta và nguyên lý hoạt động của chúng một phần dựa trên ứng dụng của hiện tượng phân cực. .. 11 1.2.4 Dụng cụ phân cực ánh sáng Để biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực phẳng, người ta thường dùng những lăng kính phân cực dựa vào tính lưỡng chiết của tinh thể và các bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc, tức là tia thường và tia bất thường không giống nhau Lăng kính phân cực thường là một tổ hợp lăng kính bằng tinh thể, được chia làm hai loại : + Lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng... chặn những tia sáng phân cực nằm ngang phản chiếu từ mặt phẳng như hồ nước, mặt biển, xa lộ Những tia sáng phân cực nằm ngang này nếu không được ngăn chặn, khi vào mắt sẽ gây khó chịu cho mắt và hình ảnh sẻ bị nhoè Ta đã biết ánh sáng tự nhiên khi qua kính phân cực trở thành ánh sáng phân cực và cường độ ánh sáng giảm Trong mặt phẳng của kính có một phương đặc trưng gọi là phương phân cực Kính chỉ cho... tia thường bị hấp thụ hoàn toàn và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực phẳng Hệ số hấp thụ của bản Tuamalin đối với tia bất thường phụ thuộc vào tần số ánh sáng Vì vậy, khi rọi vào bản tuamalin bằng ánh sáng trắng, thì ánh sáng truyền qua có màu lục vàng Ðây là nhược điểm lớn nhất của bản tuamalin khi dùng nó làm dụng cụ phân cực, nhưng mặt khác khẩu độ cho phép của chùm tia tới lại rất lớn, điều . Nicol N 2 chỉ cho những th nh phần dao động n o song song với mặt phẳng chính của nó đi qua mà th i. Vì vậy các vector điện trong sóng th ờng và sóng bất th ờng ra khỏi N 2 th c hiện dao động. cực Th nghiệm: Giữa hai nicol N 1 và N 2 ta đặt một bản tinh th đơn trục K được cắt song song với trục quang học OO'. Một chùm tia song song của ánh sáng tự nhiên, được chiếu v o nicol. giới hạn 69 0 26' th nó bị phản xạ toàn phần và được hấp th bởi lớp sơn đen ở đáy nicol. Tia bất th ờng đi qua lớp nhựa và ra khỏi nicol theo phương song song với AC' và bị dịch chuyển