Sự phân cực ánh sáng doc

Sự phân cực ánh sáng
Lượngánh sángtruyền quacặp bản phân cực chất lượngcao bắt chéo được
xác định bằng sự định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản
phân cựcđịnh hướng vuông góc nhau, chúngbiểu hiệnmột mức dập tắt cực đại.
Tuy nhiên, ở những góc khác, mức độ dập tắtthay đổi như minhhọa bởi biểu đồ
vectơ trong hình 6. Bảnphân tích được dùng để điểu chỉnh lượng ánh sángtruyền
qua cặp bắt chéo, và có thể quaytrong đường đi tia sáng để cho các biên độ khác
nhau củaánhsáng phâncực truyền qua. Trong hình6a,bản phân cực và bản phân
tích có trục truyền song songnhauvà vectơ điện củaánh sáng truyền qua bản
phân cựcvà bản phân tích cóđộ lớn bằng nhauvà songsong với nhau.
Quay trục truyển bảnphân tíchđi 30 độ so với trụctruyền củabản phân cực
làm giảm biênđộ của sóng ánh sáng truyền quacặp bản, như minh họa trong hình
6b. Trongtrườnghợpnày, ánh sáng phân cực truyền quabảnphân cựccó thể
phân tíchthành những thànhphần nằm ngangvà thẳng đứng bằng toán học vectơ
để xác định biên độ của ánh sáng phâncực có thể truyền qua bảnphân tích. Biên
độ của tia truyền qua bản phântích bằng vớithành phần vectơ đứng (minhhọa là
mũi tên màuvàng trong hình6b).
Tiếp tục quay trục truyền bảnphân tích đến góc 60 sovới trụctruyền bản
phân cực, làm giảm hơn nữa biên độ của thànhphần vectơ truyền qua bản phân
tích (hình6c). Khi bảnphân tíchvà bảnphân cựchoàntoàn chéo góc (góc 90 độ)
thì thànhphần thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình 6d) vàcác bản phân cực
thu được giátrị dậptắt cực đại của chúng.
Lượngánh sángtruyền quacặp bản phân cực có thể được mô tả định lượng
bằngcách áp dụng định luật bình phươngcosinMalus,là hàmcủa góc giữa cáctrục
truyền bản phân cực:
I = I (o) cos
2
θ
trong đó I là cường độ ánh sáng truyềnqua bảnphân tích(và toàn bộ lượng
ánh sáng truyền quacặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cườngđộ ánhsáng tới
trên bản phân cực, và qlà gócgiữa trụctruyền của bản phân cực và bản phântích.

Bằng việc giảiphươngtrình, cóthể xác định khi haibảnphân cựcchéo góc (θ = 90
độ) thì cườngđộ bằngkhông. Trongtrường hợp này, ánh sáng truyền quabởi bản
phân cựcbị dập tắt hoàn toànbởi bảnphân tích. Khi các bản phân cực xiên góc30
và 60 độ, ánhsángtruyền qua bởibản phân tích giảm đi tươngứng là25% và 75%.
Sự phân cực của ánh sáng tán xạ
Các phân tử chất khí và nước trong bầu khí quyển làmtán xạ ánh sángtừ
MặtTrời theomọi hướng, hiệu ứng gâyra bầutrời xanh,những đám mâytrắng,
hoànghôn đỏ rực, và hiện tượng gọi làsự phâncực khí quyển. Lượng ánh sáng tán
xạ (gọi là tán xạ Rayleigh) phụ thuộc vào kích thước của các phân tử (hydrogen,
oxygen, nước)và bước sóngánhsáng,như đã được chứngminh bởi huân tước
Rayleigh hồi năm 1871. Những bước sóngdài, như đỏ, cam,vàng không bị tánxạ
nhiều như các bước sóngngắn,như tím và xanhdương.
Sự phân cực khí quyển là kết quả trực tiếp của sự tán xạ Rayleigh củaánh
sáng Mặt Trời bởi cácphân tử trong khíquyển.Lúc va chạm giữaphotonđến từ
MặtTrời và phân tử chất khí, điện trường từ photon giảm dao động vàrồi tái bức
xạ ánh sáng phân cựctừ phântử đó (minhhọa trong hình 7).Ánh sáng phát xạ bị
tán xạ theo hướng vuông góc với hướng truyềnánh sáng Mặt Trời, và bị phân cực
hoặc dọc, hoặc ngang, phụ thuộc vào hướng tánxạ. Đa phần ánhsáng phân cực
chạmđến Trái Đất bị phân cực ngang (trên 50%),một sự thật cóthể xác nhận
bằngcách quansát bầu trời quamộtbộ lọc Polaroid.
Có những báo cáo cho biết một số loài côn trùngvà độngvật nhất định có
khả năng phát hiện ánh sáng phân cực, gồm các loài kiến, ruồi,và một số loài cá,
danh sách cácloài thậtra còn dài hơn nhiều. Ví dụ, một số loài côn trùng(chủ yếu
là ong mật) được cho là đã sử dụng ánh sáng phân cực để địnhvị mục tiêu của
chúng. Nhiều ngườicũng tin rằng có một số cá nhân nhạycảm với ánhsáng phân
cực và có thể quan sát thấy mộtđườngchân trời màuvàng chồng lên nềntrời xanh
khi nhìn chằm chằm theo hướngvuông góc với hướng của MặtTrời (mộthiện
tượng gọi là chổi Haidinger). Các proteinsắc tố vàng, gọi là macula lutea, là những
tinh thể lưỡng sắc cư trú trong hố mắtngười, được biếtlà chophép người ta nhìn
thấyánh sángphân cực.

Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn
Trongánh sángphân cựcthẳng, vectơ điện trườngdao độngtheo hướng
vuônggóc vớihướng truyền sáng, như đã nóiở trên. Các nguồnsáng tự nhiên, như
ánh sáng Mặt Trời, và các nguồnsáng nhân tạo,gồm ánh sáng đèn nóngsáng và
đèn huỳnh quang, đều phát ra ánh sáng có vectơ điện định hướngngẫu nhiên
trong không gianvà thời gian. Ánh sángthuộcloại này gọi là khôngphâncực.
Ngoài ra, cũngtồn tại mộtvài trạng thái ánh sáng phân cực elipnằm giữa phân cực
thẳngvà không phân cực, trong đó vectơ điện trườngcó hình dạng eliptrong mọi
mặtphẳng vuông góc với hướngtruyềnsóng ánhsáng.
Sự phân cực elip,không giống như ánh sáng phân cực phẳng và không phân
cực,có “cảmgiác” quay theohướng quayvectơ điện xung quanh trục truyền (tới)
của chùmtia sáng. Khi nhìn từ phía saulại, hướng phân cực có thể là xoaysangtrái
hoặc xoaysangphải, một tínhchất gọi làđộc khuynhcủasự phân cực elip.Sự quét
vectơ xoay theo chiềukim đồng hồ đượccho làphân cựcphải (thuận), và sự quét
vectơ xoay ngược chiều kim đồnghồ là phân cựctrái (nghịch).
Trongtrường hợpmà trục chínhvà trục vectơ phụ của elip phâncực bằng
nhau, thì sóngánh sáng rơi vào loại ánhsáng phân cực tròn, và có thể phân cực
trái hoặc phải.Một trường hợpnữa thường xảy ratrong đó trục chính củathành
phần vectơ điện trong ánhsángphân cực elip tiến tới không, và ánh sáng trở nên
phân cựcthẳng.Mặc dù mỗi kiểu phân cực có thể thu được trong phòngthí nghiệm
với thiết bị quang học thích hợp, chúng cũng xảy ra trongánh sáng tự nhiên không
phân cực.
Sóng ánh sángthường và bất thườngphát rakhi chùm ánhsáng truyền qua
tinh thể lưỡng chiết cóvectơ điện phâncực phẳng vuônggóc với nhau.Ngoài ra,
do sự giao thoa trong tương tácđiệntử màmỗithành phần trảiqua trong hành
trìnhcủa nó đi qua tinhthể, thường xuất hiện một sự lệch pha giữa haisóng. Mặc
dù sóngthườngvà sóngbất thườngđi theo quỹ đạo độc lập nhauvà tách xa nhau
trong tihn thể canxit đã mô tả ở phần trên, nhưng đây không phải là trườnghợp
phổ biến đối với nhữngchất kết tinh có một trụcquangvuông gócvới mặt phẳng
chiếusáng tới.

Một loại chất đặc biệt,gọi là đĩabù hoặcđĩa trễ, khá cóích trong việc tạo ra
ánh sáng phân cực elipvà phân cực tròn chomột số ứng dụng, như kính hiển vi
quanghọc phân cực.Những chấtlưỡng chiếtnày được chọn bởi vì, khitrục quang
của chúngđặt vuông góc với chùm tia sáng tới,thì cáctia sángthường vàbất
thường đi theoquỹ đạogiống hệt nhauvà biểu hiện sự lệch phaphụ thuộc vào
mức độ lưỡng chiết. Vì cặp sóngtrực giao bị chồng chất, nên có thể xemlàmột
sóng cócác thành phần vectơ điện vuông góc vớinhau cách nhaubởi mộtsự
chênh lệch nhỏ về pha. Khi cácvectơ kết hợp bằng cách cộnglại đơngiản trong
khônggian ba chiều, sóng thu được trở thành bị phân cựcelip.
Ý tưởng nàyđược minh họa trong hình8, trongđó vectơ điện tổng hợp
khôngdao độngtrong một mặtphẳng, mà quaydần xungquanhtrục truyền sóng
ánh sáng, quétthành quỹ đạo elipxuất hiện dướidạng đường xoắn ốc khi sóng
được nhìn từ một góc nào đó. Độ lớn của sự lệch pha giữasóng thườngvà sóngbất
thường (có cùng biên độ) xác định vectơ quét thành elip hayđường tròn khisóng
được nhìn từ phía sau của hướng truyền sóng.Nếu độ lệch pha là 1/4 hoặc 3/4
bướcsóng, thì vectơ tổng hợp vẽ nên xoắn ốc tròn. Tuy nhiên, độ lệch phalà1/2
hoặc nguyên bước sóngthì tạo raánhsáng phâncực thẳng, và tất cả những độ lệch
pha khác quétnên nhữnghìnhdáng khác nhaucủa elip.
Khi sóngthườngvà sóngbấtthường đi rakhỏitinh thể lưỡng chiết, chúng
dao độngtrong nhữngmặt phẳng vuông góc nhaucócường độ tổng hợp bằng tổng
cường độ thành phần của chúng. Dosóngphâncực có vectơ điện dao độngtrong
những mặt phẳng vuông góc, nên cácsóng có khả năngchịu sự giao thoa.Thực tế
này cóhệ quả là khả năng sử dụng chất lưỡngchiết tạora hình ảnh. Giao thoa chỉ
có thể xảy ra khivectơ điện củahai sóngdao động trongcùng mặt phẳngtrong
suốt quá trìnhgiao nhau để tạo rasự thay đổi biên độ của sóngtổng hợp (một yêu
cầu đối với sự tạo ảnh).Do đó, các vật trongsuốt lưỡngchiết vẫn không nhìn thấy
được, trừ khi chúng được xácđịnh giữacác bản phân cực chéonhau, chỉ truyền
qua các thành phần sóng phân cực elipvà phân cực tròn song songvới bản phân
cực gần người quan sát nhất. Những thành phần này cóthể tạo ra các daođộng
biên độ gây ra độ tương phản vàló ra khỏi bảnphân cựcdưới dạng ánhsáng phân

cực thẳng.
Ứng dụng của ánh sáng phân cực
Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cựclà sự
hiển thị tinh thể lỏng (LCD)dùng tronghàng loạt dụng cụ như đồng hồ đeo tay,
màn hình máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tườngvà nhiều vật dụngkhác.
Các hệ hiển thị này dựa trênsự tương tác của các phân tử kết tinh chất lỏngdạng
que với điện trườngvà sóngánhsángphân cực. Pha tinhthể lỏng tồn tại ở trạng
thái cơ bản đượcgọi là cholesteric,trong đó các phân tử định hướngthành lớp,và
mỗilớp kế tiếp thì hơi xoắn một chút để tạo ra hình dạng xoắn ốc(hình 9).Khi
sóng ánh sáng phân cực tương tác với pha tinh thể lỏng, sóngđó bị “xoắnlại” một
góc gần 90 độ so với sóngtới. Độ lớnchính xáccủa góc này làhàm mũ của phatinh
thể lỏng cholesteric,nóphụ thuộc vào thành phần hóa học của cácphân tử (có thể
được điều chỉnhtinh tế bằng sự thay đổi nhỏ trong cấu trúcphân tử).
Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản củatinh thể lỏng với các dụngcụ hiển thị
có thể tìm thấy trong sự hiển thị số tinhthể lỏng 7 đoạn (minh họa trong hình 9).Ở
đây, phatinh thể lỏngnằm kẹpgiữa haiđĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự
như miêu tả trong hình. Trong hình 9, cácđĩa thủy tinhđịnh hìnhvới 7điện cực
màu đencó thể tích điện riêng rẽ (những điện cực nàylà trong suốt đối với ánh
sáng trong dụngcụ thực). Ánh sáng truyền quabản phân cực 1 bị phâncực theo
chiềuđứng và, khikhông có dòngđiệnáp vào các điện cực, phatinh thể lỏng gây ra
góc “xoắn” 90độ của ánh sángcho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2
bị phân cực ngangvà định hướngvuônggóc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi
đó có thể tạo nên một trongbảy đoạn trên màn hiển thị.
Khi dòngđiện được áp vào các điện cực, pha tinhthể lỏng sắp thẳng hàng
với dòng điện và mấtđi đặc trưng xoắn ốc cholesteric. Ánhsáng truyềnqua một
điện cựctích điện khôngbị xoắn và bị chặn lại bởi bảnphân cực2. Bằng cách phối
hợp điện thế trên bảy điện cựcdương và âm, màn hiểnthị có khả năngbiểu diễn
các số từ 0 đến 9. Trongví dụ này, các điện cực ở phía trên bên phải và phía dưới
bên trái được tích điện và chặn ánh sáng truyền qua chúng, chophép tạora số “2”
trên màn hiển thị (nhìn ngược lại trong hình 9).

Hiện tượng hoạt tính quang họctrongnhững chất nhấtđịnh cónguyên nhân
từ khả năng của chúng làmquay mặtphẳng củaánhsáng phâncực.Thuộc loại này
là nhiều loại đường, aminoacid,các sảnphẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất
định vàmột số chất dùng làm thuốc uống.Độ quay đượcđo bằngcách đặt một
dungdịch hóachất mụctiêu giữa hai bản phân cực bắtchéo trong thiết bị có tên là
máy nghiệm phân cực.Đượcquan sátthấy lần đầu tiênvào năm1811 bởi nhà vật
lí người PhápDominiqueArago,hoạt tính quang học đóngvai trò quan trọng trong
nhiều quá trìnhsinh hóa đa dạng, trong đó hìnhhọc cấu trúc củaphân tử chi phối
sự tương tác củachúng.Các hóa chất làmquaymặt phẳngdao động của ánh sáng
phân cựctheo chiều kimđồnghồ đượcgọi là dextrorotatory levorotatory.Hai hóa
chất có cùngcông thức phân tử nhưngkhác nhau về tính chất quang học được gọi
là đồngphân quang học, chúng làm quaymặt phẳng củaánh sángphân cực theo
những hướng khác nhau.
Các tinh thể không đối xứng có thể đượcdùng để tạo raánh sáng phân cực
khi áp điện trườngvào bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởngnày có
tên làtế bào Pockels, cóthể dùng chungvới ánhsáng phân cực làm thay đổi hướng
phân cựcđi 90 độ.Tế bào Pockelscó thể bật và tắtrất nhanhbằng dòng điện và
thường đượcdùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi quatrongkhoảng
thời gian rất ngắn (cỡ nano giây). Hình 10biểu diễn sự truyền ánh sáng phân cực
qua tế bào Pockels (sóng màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh vàđỏ phát ra từ vùng
giữacủa tế bào biểu diễn cho ánh sángphân cựcđứng hoặc ngang.Khi tế bào tắt,
ánh sáng phân cực không ảnh hưởnggì khi nótruyền qua (sóng màu xanh),nhưng
khi tế bào hoạt động hoặcmở, vectơ điện của chùm ánhsáng lệch đi 90 độ (sóng
màu đỏ). Trong trường hợp cóđiện trườngcực lớn, các phân tử của chất lỏng và
chất khí nhấtđịnh có thể xử sự như tinhthể dị hướng vàsắp thẳng hàng theo kiểu
tương tự. Tế bào Kerr, thiết kế dùng chất lỏng và chất khí gia dụng thaycho các
tinh thể, cũnghoạt độngtrên cơ sở làm thay đổi góc ánhsáng phân cực.
Những ứng dụng kháccủa ánh sáng phân cực bao gồm nhữngchiếc kính râm
Polaroidđã nói ở trên,cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt dùng
cho thấu kínhcamera. Nhiều thiết bị khoa họcđa dạng sử dụng ánh sáng phân cực,

hoặc phát ra bởilaser, hoặc quasự phân cực của các nguồn nóng sáng và huỳnh
quangbằngnhiều kĩ thuật khác nhau.Các bảnphân cựcđôi khiđược sử dụng
trong phòng vàchiếu sáng sân khấu để làm giảm ánh chói và tăngđộ rọi sáng, và
mang kính để cảm nhận chiều sâu với những bộ phim bachiều. Các bảnphân cực
bắt chéo còn được dùng trong bộ quần áo du hànhvũ trụ để làmgiảm độtngộtkhả
năngánh sáng phát ratừ Mặt Trời đi vàomắt của nhàdu hành vũ trụ trong lúc ngủ.
Sự phân cực ánh sáng rất có ích trongnhiều mặt của kính hiểnvi quanghọc.
Kính hiển vi ánh sáng phân cực được thiết kế dành choquan sátvà chụp ảnh các
vật nhìnthấy được chủ yếu dođặc trưng bất đẳng hướng về mặtquang học của
chúng. Các chất dị hướng có tính chất quang họcthay đổi theo hướng truyền của
ánh sáng đi quachúng.Để hoàn thành công việcnày, kính hiểnvi phải được trang
bị cả bảnphân cực, đặt trong đường đi của tia sáng trướcmẫu vật, và bản phân
tích (bản phân cực thứ hai), đặt trongquang trìnhgiữalỗ sauvật kính và ốngquan
sát hoặc cổng camera.
Sự tương phản ảnh tănglên do sự tương táccủa ánh sáng phân cực phẳng
với chất lưỡngchiết (hoặc khúcxạ kép),tạo rahai thànhphầnsóng riêng rẽ phân
cực trong những mặtphẳng vuông góc với nhau.Vận tốccủa các thành phần này
khác nhau và thay đổitheo hướng truyền ánh sáng qua vật. Sau khirakhỏi vật,các
thành phầnánh sáng lệch pha nhauvà quét nên một hìnhelipvuông gócvới
hướngtruyền, nhưng kết hợp lại qua sự giao thoa tăng cườngvà triệt tiêu khi
chúng truyềnqua bản phân tích.Kínhhiển vi ánh sáng phân cực là kĩ thuật nâng
cao độ tương phản cải thiện chấtlượng ảnh thu được với chất lưỡngchiết khi so
với nhữngkĩ thuật khác như sự chiếu sáng trườngtối vàtrường sáng, tương phản
giao thoavi sai, tươngphản pha,tươngphản điều biến Hoffman,và sự huỳnh
quang.Ngoài ra, việc sử dụng phân cực cũng chophép đo đạc những tínhchất
quanghọc của khoáng vật vàcác chất tương tự và cóthể giúp phân loại và nhận
dạng các chấtchưa biết.