Phần trước đã giới thiệu các khái niệm ánh sáng phân cực và bản phân cực. Phần này sẽ trình bày những ý tưởng này quan trọng như thế nào đối với tinh thể lỏng.
Tinh thể lỏng được tìm thấy có tính lưỡng chiết, do bản chất dị hướng của chúng. Nghĩa là, chúng biểu hiện sự khúc xạ kép (có hai chiết suất). Ánh sáng phân cực song song với đường chuẩn có một chiết suất khác (còn nói là nó truyền đi ở tốc độ khác) với ánh sáng phân cực vuông góc với đường chuẩn. Trong hình dưới đây, các đường màu xanh thể hiện trường đường chuẩn và các mũi tên thể hiện vector phân cực.
© hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 27
Như vậy, khi ánh sáng đi vào một chất lưỡng chiết, như mẫu tinh thể lỏng nematic, quá trình được hình dung là ánh sáng bị tách thành các thành phần nhanh (gọi là tia thường) và chậm (gọi là tia dị thường). Do hai thành phần truyền đi ở vận tốc khác nhau, nên các sóng lệch pha nhau. Khi các tia kết hợp trở lại lúc chúng đi ra khỏi chất lưỡng chiết, trạng thái phân cực đã thay đổi do độ lệch pha này.
Ánh sáng truyền qua một môi trường lưỡng chiết sẽ nhận một trong hai đường đi tùy thuộc vào sự phân cực của nó.
Sự lưỡng chiết của một chất được đặc trưng bởi độ chênh lệch, n, chiết suất đối với tia thường và tia dị thường. Định lượng hơn một chút, vì chiết suất của một chất được định nghĩa là tỉ số của tốc độ ánh sáng trong chân không với tốc độ ánh sáng trong chất đó, chúng ta có trong trường hợp này, ne = c/V| | và no = c/Vcho vận tốc của một sóng truyền đi vuông góc với đường chuẩn và bị phân cực song song và vuông góc với đường chuẩn, nên giá trị cực đại cho độ lưỡng chiết, n = ne – no. Chúng ta không xét ở đây trường hợp tổng quát của một sóng truyền đi theo một hướng tùy ý tương đối so với đường chuẩn trong một mẫu tinh thể lỏng, trừ phải lưu ý rằng n biến thiên từ 0 đến giá trị cực đại, tùy thuộc vào hướng truyền. Điều kiện ne > no mô tả một chất liệu một trục dương, cho nên tinh thể lỏng nematic thuộc loại này. Đối với các tinh thể lỏng nematic điển hình, no xấp xỉ 1,5 và độ lệch chiết suất cực đại,
n, có thể biến thiên trong ngưỡng 0,05 đến 0,5.
Chiều dài của mẫu chất cũng là một thông số quan trọng khác vì độ lệch pha tích góp càng lớn khi ánh sáng truyền càng xa trong chất lưỡng chiết. Có thể tạo ra bất kì trạng thái phân cực nào với sự kết hợp thích hợp của các thông số lưỡng chiết và chiều dài này.
Thật tiện lợi ở đây là đưa ra khái niệm quang trình trong môi trường vì đối với hai thành phần sóng ở trên truyền đi với tốc độ khác nhau trong một chất lưỡng chiết, nên hiệu quang trình sẽ đưa đến sự thay đổi trạng thái phân cực của sóng khi nó tiến triển trong môi trường. Chúng ta định nghĩa quang trình cho một sóng truyền đi một khoảng cách L trong một
28 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay
tinh thể là nL, nên hiệu quang trình đối với hai thành phần sóng đề cập ở trên sẽ là L (ne – no) = Ln. Độ lệch pha thu được giữa hai thành phần (lượng mà thành phần chậm, dị thường trễ hơn thành phần nhanh, bình thường) đúng bằng 2 Ln/v, trong đó v là bước sóng đó trong chân không.
Ứng dụng để nghiên cứu ánh sáng phân cực của tinh thể lỏng
Xét trường hợp trong đó một mẫu chất tinh thể lỏng đặt giữa hai bản phân cực trực giao có trục truyền sắp lệch góc giữa hướng nhanh và chậm của chất. Do bản chất lưỡng chiết của mẫu vật, nên ánh sáng phân cực thẳng đi vào trở thành phân cực elip. Khi tia này đi tới bản phân cực thứ hai, lúc này có một thành phần có thể đi qua, và vùng đó trở nên sáng. Đối với ánh sáng đơn sắc (đơn tần số), độ lớn của độ lệch pha được xác định bởi chiều dài và độ lưỡng chiết của chất. Nếu mẫu vật rất mỏng, thì các thành phần thường và dị thường không lệch pha nhau nhiều lắm. Tương tự, nếu mẫu vật dày, thì độ lệch pha có thể lớn. Nếu độ lệch pha bằng 360 độ, thì sóng trở lại trạng thái phân cực ban đầu của nso và bị bản phân cực thứ hai chặn lại. Cỡ của độ lệch pha xác định cường độ của ánh sáng truyền qua.
Nếu trục truyền của bản phân cực thứ nhất song song với hoặc hướng thường hoặc hướng dị thường, thì ánh sáng không bị tách thành các thành phần, và không có sự thay đổi về trạng thái phân cực xảy ra hết. Trong trường hợp này, không có một thành phần truyền qua và vùng đó trở nên tối.
Trong một tinh thể lỏng tiêu biểu, độ lưỡng chiết và chiều dài không phải không đổi trong toàn bộ mẫu chất. Điều này nghĩa là một số vùng biểu hiện sáng và một số vùng khác biểu hiện tối, như thể hiện trong ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử sau đây cảu một tinh thể lỏng nematic, đặt giữa các bản phân cực trực giao. Các vùng sáng và tối là các vùng biểu hiện của sự định hướng đường chuẩn, độ lưỡng chiết, và chiều dài, khác nhau.
Kiểu Schlieren, như tên người ta gọi sự sắp xếp đặc biệt này, là đặc trưng của pha nematic. Các vùng tối thể hiện sự sắp thẳng hàng song song hoặc vuông góc với đường chuẩn gọi là chổi quét. Phần tiếp theo sẽ mô ta các kiểu tinh thể lỏng một cách chi tiết hơn, nhưng trước khi tìm hiểu hãy xem sự lượng chiết có thể đưa đến các ảnh đa màu như thế nào trong việc kiểm tra tinh thể lỏng dưới ánh sáng trắng phân cực.
Nghiên cứu màu sắc phát sinh từ ánh sáng phân cực
Cho đến đây, chúng ta chỉ mới làm việc với ánh sáng đơn sắc khi xem xét các tính chất quang học của các chất. Trong việc tìm hiểu nguồn gốc của màu sắc quan sát thấy trong các nghiên cứu tinh thể lỏng đặt giữa các bản phân cực thẳng trực giao, thật có ích là hãy quay trở lại ví dụ các bản làm chậm pha đã trình bày trong phần lưỡng chiết. Chúng được thiết kế cho một bước sóng đặc biệt và do đó sẽ tạo ra các kết quả mong muốn trong một dải tương đối hẹp của các bước sóng xung quanh giá trị đặc biệt đó. Nếu, thí dụ, nếu một bản toàn-sóng
© hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 29
được thiết kế cho bước sóng được đặt giữa các bản phân cực trực giao ở sự định hướng có phần tùy ý và kết hợp đó được rọi bởi ánh sáng trắng, thì bước sóng sẽ không bị ảnh hưởng bởi bộ hãm pha và vì vậy sẽ bị dập tắt (bị hấp thụ) bởi bản phân tích. Tuy nhiên, toàn bộ những bước sóng khác sẽ chịu một phần trễ pha và ló ra khỏi bản toàn-sóng trong các trạng thái phân cực đa dạng. Các thành phần của ánh sáng này đi qua bản phân tích sau đó sẽ hình thành nên màu sắc bù cho .
Các mẫu màu sắc quan sát thấy trong kính hiển vi phân cực, cùng với sự dập tắt với hiện tượng lưỡng chiết rất có ích trong nghiên cứu tinh thể lỏng trong nhiều tình huống, trong đó có việc nhận dạng các kết cấu, các pha tinh thể lỏng và quan sát sự biến đổi pha.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của lưỡng chiết
Nhắc lại rằng sự lưỡng chiết của một chất là do tính dị hướng của nó và tính dị hướng của các tinh thể lỏng thể hiện một sự phụ thuộc nhiệt độ mạnh mẽ, biến mất ở sự chuyển tiếp pha nematic sang đẳng hướng. Vì thế, sự lưỡng chiết biểu hiện một sự phụ thuộc nhiệt độ đáng kể.