Anh sáng là sóng điện từ, có độ dai sóng ngắn. Các sóng điện từ phát ra
bởi các máy phát sóng có vectơ điện trường £, véctơ từ trường #7, véctơ vận
tốc v. Đối với mắt, chỉ có thành phần của £ tác động lên tế bao thần kính thị giác nên ta chỉ xét vectơ cường độ điện trường và gọi là vectơ chắn động sáng.
(E,,v) lập thành một tam điện thuận. Ánh sáng là sóng ngang.
Mặt phẳng ( E, v) gọi là mặt phăng dao động.
y—x
H
b‹ bey}
Hình 1.4: Cae thành phan E,H,v của sóng điện từ lập thành tam điện thuận.
1.3.1.Phân cực thang
Sóng ánh sáng có veetơ chân động sáng E chỉ phân bé theo một phương
xác định được gọi là ánh sáng phân cực hoàn toàn hay phân cực thăng.
Nếu quan sát sóng ánh sáng tại một điểm cố định trên phương truyền sóng (ví dụ trục Z), ta có thé quan sát thay đầu mũi tên vecto dao động lên xuống dọc theo một đường thăng.
tị
Hình 1.5: Ảnh sáng phân cực thăng.
1.3.2.Phần cực tròn
Anh sáng trong đó đầu mút vectơ E chuyên động trên một đường tròn
gọi là ánh sáng phân cực tròn.
Nếu quan sát trên man đặt tại một vị trí xác định theo hướng nhìn về nguôn sáng (sóng truyền đến người quan sát). ta thấy đầu vectơ quay theo chiều kim đồng hồ thì ánh sáng được gọi là phân cực tròn phải. Ngược lại thì
gọi là phân cực tròn trái.
Hình 1.6 : Anh sáng phân cực tron.
1.3.3.Phân cực clip
Anh sáng trong đó đầu mút vectơ £ chuyên động trên một đường clip gọi
là ánh sáng phân cực clip.
Hình 1.7: Anh sáng phân cực elip.
1.3.4.Anh sáng tự nhiên
Anh sáng tự nhiên là anh sáng có vectơ điện E hướng theo tat cả mọi phương thẳng góc với phương truyền của tia sáng, không có một phương dao
động nao được ưu tiên hơn phương dao động khác (vì trong qua trình phát sóng, các hạt độc lập với nhau).
Tắt cả các nguôn sáng trong tự nhiên (trừ nguồn Laser phát ánh sáng phân cực thăng) đều phát ra ánh sáng tự nhiên.
Hình 1.8: Ảnh sáng tự nhiên.
1.4.Định luật Malus
1.4.1.Hiện tượng phân cực ánh sáng khi truyền qua bản Tuamalin
+ Thí nghiêm:
Lay từ tinh thé Tuamalin (còn gọi là đá nhiệt điện, một loại tinh thẻ thiên
nhiên) một bản T; có hai mặt song song với một trong hai phương ưu tiên của
tỉnh thé, gọi là trục quang học.
- Cho chùm tia sáng song song hẹp qua bản, theo phương vuông góc với mặt
bản và đặt mắt đón chùm tia ló. Quay ban T, theo chiều mũi tên quanh phương truyền SA của chùm sáng, ta không nhận thấy một sự thay đổi nào
của tia ló.
— je. vớ
ty I;
Hình 1.9: Thí nghiệm phan cực ánh sáng qua các ban Tuamalin.
- Cô định Tị, cho tia 16 qua tiếp một bản Tuamalin T; hoan toàn giống bản T;, Khi xoay bản T; xung quanh phương truyền của tia sáng, cường độ tia ló thay đôi tuần hoàn. Khi trục chính của hai bản Tuamalin này song song với
nhau (T; // T›) thì cường độ tia 16 là cực dai. Khi trục chính của chúng vuông
góc với nhau (T; L T;) thì cường độ tia 16 băng không.
4 Nhân xét:
Trước khi qua bản T;, ánh sáng có tính đối xứng tròn xoay quanh phương truyền của nó. Sau ban T; tính đối xứng tròn xoay đã bị mát, chính do bản T;
gây ra. Ánh sáng sau bản T, đã bị phân cực. Ta gọi chùm tia sáng ra khỏi ban T; là chùm phân cực. Bản T; gây ra sự phân cực ấy gọi là kính phân cực, bản T; dùng dé nhận biết chim sáng phân cực gọi là kính phân tích. Hai bản T, và
T; hoàn toàn giống nhau, nên nếu chiếu ánh sáng theo chiều ngược lại thi bản
T> trở thành kính phan cực, bản T, trở thành kính phân tích.
4 Giải thích:
Anh sáng tới la sóng ngang có phương dao động vuông góc với phương truyền. Anh sáng phát ra từ nguồn là ánh sáng tự nhiên, không có phương dao
động nào ưu tiên.
Ban Tourmaline chỉ truyền qua những chan động sáng có phương dao động song song với trục quang học của tinh thé. Anh sáng truyền qua bản T;
có phương dao động xác định, đó là ánh sang phân cực. Khi bản T; đặt sao cho trục quang học của nó vuông góc với phương dao động ưu tiên này thì sẽ
không còn quan sát thay ánh sáng sau bản T; nữa.
1.4.2.Định luật Malus
Hình 1.10: Hình ảnh thể hién định luật Malus về phân cực anh sáng,
Chiều chim anh sáng tự nhiên đến kinh phân cực P, chùm ánh sang ló la phân cực thăng có véctơ chan động sáng OP trùng mặt phang chính của kính phân cực P. Hứng chim tia sáng qua kính phân tích A, mặt phăng chính của A
hợp với OP một góc 8.
Nếu E là đao động sáng sau khi qua kính phân cực P thì chỉ có thành
phần Ecos@ song song với quang trục A mới truyền được qua kinh phân tích tới đầu đo quang, còn thành phần vuông góc với quang trục A sẽ bị cản lại.
Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ véctơ sóng ánh
sáng nên cường độ sáng sau khi qua A là:
18) =1, cos’ ỉ
Trong đó: Ip: cường độ ánh sáng tới.
6 : góc hợp bởi mặt phang dao động của anh sáng tới trên kinh phân tích và mặt phang chính của kính lọc nay.
1: cường độ anh sáng ứng với góc 8.
& Nhan xét:
Khi quay kính phân tích A:
- Nếu 0 = 0° thi cos @ = 1: cường độ sáng sau bảng kính phân tích đạt cực
đại Lnax = lu.
- Nếu 0 = 90° thi cos ỉ = 1: cường độ sỏng sau bảng kớnh phõn tớch đạt cực tiêu I, = 0.
1.5.Hiện tượng phân cực do phan xạ
Khi ánh sáng phản xạ trên các môi trường điện môi nói chung đều bị phân cực một phan. Người đầu tiên phát hiện hiệu ứng này là E’tienne Malus (1808) khi quan sát hiện tượng khúc xạ kép của tinh thé calcite bằng ánh sáng
phản xạ trên cửa kính.
1.5.1.Thi nghiệm Malus
- — Nguồn sang.
- Man anh E.
+ Thinghiém:
Chiếu một chùm tia sáng tự nhiên hẹp lên một tam thuỷ tỉnh M dưới góc tới i= 57°. Mặt sau của gương được bôi đen đẻ loại trừ tia phản chiếu ở mặt sau của gương. Ánh sáng khi tới mặt trước của gương M sẽ phản chiếu. Hứng chùm tia phản chiều lên một gương M giống hệt gương M va cũng với góc i
= 57”. Tia phản chiếu cuối cùng trên M' được hứng trên một màn ảnh E.
Quan sát cường độ tia phản xạ TR trên màn E khi quay gương (M ) quanh tia tới II.
4 Kết quả:
- Khi quay gương M xung quanh tia tới SI và vẫn giữ góc tới i = 57“
— cường độ sáng của tia phản xạ I [khong thay đồi.
- Dộ yờn gương M và quay gương M' xung quanh tia tới I ẽ và vẫn giữ góc tới i = 57” — cường độ chùm tia phản chiếu IR trải qua những cực đại và những cực tiều triệt tiêu.
+ Khi hai mặt phẳng tới (SIL') va (II. R) song song: cường độ tia phan chiếu IR cực đại, vệt sáng trên màn E sáng nhất ở hai vị trí Ay. và
LÊN
+ Khi hai mặt phăng tới này thăng góc với nhau: cường độ chùm tia IR triệt tiêu, ứng với hai vị trí Az và Ay.
- Nếu góc tới khác 57° thì tại các vị trí A> và Ag, cường độ của tia IR chi cực tiêu (tai Ay va Ay là tối nhat) chứ không triệt tiêu.
#4 Giải thích:
- Chùm tỉa tới SI là ánh sáng tự nhiên. Khi quay gương M thì sự quay
nay không lam thay đồi cường độ của chùm tia phản xạ IL.
- Sau khi phản xạ trên gương M, chùm tia II không còn tính đối xứng của vectơ £ như chùm tia tới SI, mà lúc này là ánh sáng phân cực thăng. Nên khi quay gương M sẽ ảnh hưởng tới cường độ của chùm tia IR, có những vị trí dé
tia phản xạ cực đại và những vị trí khác làm ánh sáng phản xạ triệt tiêu.
- Nếu góc tới i # 57°, chùm tia II là ánh sáng phân cực một phan. Khi quay gương M, có phương làm cường độ TR cực tiêu nhưng không triệt tiêu.
& Kết luận:
- Hiện tượng tia sáng phân cực sau khi phản xạ tại mặt phân cách hai
môi trường gọi là sự phân cực ánh sáng do phản xạ.
- Gương M biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực: kính phân
cực.
- Gương M cho biết ánh sáng tới là ánh sáng phân cực: kính phân tích.
1.5.2.Định luật Brewster
Bằng thực nghiệm, nhà vật lý David Brewster (1781-1868) đã phát biêu
định luật mang tên ông:
Khi có sự phản xạ từ môi trường chiết suất nạ trên môi trường chiết suất nạ. Để tỉa phản xạ là ánh sáng phân cực thăng thì góc tới phải thỏa
mãn điều kiện:
tgỉn =—=Hy
B ny
Hình 1.12: Hình ảnh thể hiện định luật Brewster về phân cực ảnh sáng.
& Hệ quả:
Theo định luật khúc xạ anh sang:
n, Si, =H; SINS,
3S : ,—N
Mà n, sini, =n, Cosi, (do (giz ==*)
ny Suy ra cosi, = Sin ry
Hay i, =——'ơ:
Trong trường hợp nay tia phản xa và tia khúc xạ vuông góc với nhau.
4 Đối với thí nghiệm Malus:
“Ta có không khí nụ = 1, thủy tinh nạ = 1.5
Nén f&i„ = T” 1.5. LS
Suy ra ip = 57°
Lúc này ánh sáng phan xa phân cực thăng.
1.6.Các phương trình Fresnel
Khi cho ánh sáng chiếu vào bé mặt kính phăng, nó sẽ bị phản xạ ở góc
lớn hay bé là phụ thuộc vào góc tới. Công thức Fresnel có thê nhận được nếu ta cho rằng ánh sáng là sóng điện từ và áp dụng được các phương trình
Maxwell,
Xét sóng điện từ phân cực thăng tới một mat phăng phân cách 2 môi trường có chiết suất nạ và nạ (giả sử nạ > nj).
Gọi £ vane’ va lần lượt là hằng số điện môi va độ từ thâm của môi
trường | vả môi trường 2.
1.6.1.Véctơ cường độ điện trường E nằm trong mặt phẳng tới
Gọi Ej,H!,E/,H?,E},H` lần lượt là các trị số cực đại của điện trường
va từ trường ứng với sóng tới, sóng phản xạ và sóng khúc xạ.
Ei, i
Hình 1.13: Anh sảng tới có vectơ cường độ điện trường nam trong
mặt pháng tới.
Điều kiện biên;
E}, cosi— Ef cosi = ES cosr (6.1) H' +H! =H’ (6.2)
Theo lý thuyết về sóng điện từ;
H! Ej,
HY E},
“
- l2.
V4
= lật
La
Thế vào (6.2):
& for n |2:
— (Ei, +E; ) = —E,
ren My