Sự phân cực ánh sáng pps

Sự phân cực ánh sáng
Ánh sángMặt Trờivà hầu như mọi dạng nguồn chiếusáng tự nhiên và nhân
tạo khác đều tạora sóng ánhsáng có vectơ điện trường dao động trong mọimặt
phẳng vuông góc với hướngtruyền sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao
độngtrong một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với nhữngchất liệu đặcbiệt, thì ánh
sáng đượcxem là phân cực phẳng,hay phân cực thẳng đối với hướngtruyền, và tất
cả sóng daođộng trongmột mặt phẳngđược gọi làmặt phẳngsong song, haymặt
phẳng phân cực.
Mắtngười không có khả năng phânbiệt giữaánhsángđịnhhướng ngẫu
nhiênvà ánh sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳngchỉ có thể phát hiện qua
cường độ hoặc hiệu ứng màu, vídụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm.Trong
thực tế, con người không thể nàophân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao
nhìn thấy trong kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnhtương tự của cùng mẫu
vật ghi bằng kĩ thuật số (hoặc trên phim)và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sáng
khôngphân cực.Ý niệmcơ bản của sự phân cực ánhsáng đượcminh họatrên hình
1 đốivới một chùm ánh sáng không phâncực đi tới hai bản phâncực thẳng. Vectơ
điện trường vẽ trongchùm ánh sáng tới dưới dạng sóngsin dao độngtheomọi
hướng(360 độ, mặc dù chỉ có6 sóng,cách nhau60 độ được vẽ trong hình). Trong
thực tế, vectơ điện trườngcủa ánh sángtới dao động vuông gócvới hướng truyền
với sự phân bố đều trong mọi mặt phẳng trướckhichạm phải bản phân cựcthứ
nhất.
Các bảnphân cựcminh họa trong hình 1 thực ra là nhữngbộ lọc gồm các
phân tử polymerchuỗi dài định theo một hướng.Chỉ có ánh sáng tới dao động
trong cùng mặt phẳng với các phân tử polymer định hướng bị hấp thụ, còn ánh
sáng dao động vuông góc với mặt phẳngpolymer thì truyền qua bộ lọcphân cực
thứ nhất. Hướng phân cực của bảnphân cực thứ nhất là thẳngđứng nên chùm tia
tới sẽ chỉ truyền qua đượcnhững sóngcó vectơ điện trườngthẳng đứng.Sóng
truyền quabảnphân cực thứ nhất sau đó bị chặn lại bởi bản phân cựcthứ hai, do
bản phân cực này định hướng ngang đốivới vectơ điện trường trong sóng ánh
sáng.Ý tưởng sử dụng hai bảnphân cực địnhhướngvuông góc vớinhau thường
được gọi là sự phân cựcchéo vàlà cơ sở cho ý tưởng về kính hiển vi ánh sáng phân

cực.
Manhmối đầu tiêncho sự tồn tại củaánh sáng phân cực xuất hiện vào
khoảng năm 1669khiErasmusBartholin phát hiện thấy tinh thể khoáng chấtspar
Iceland (loại chấtcanxit trongsuốt, không màu) tạora một ảnh kép khi các vật
được nhìn qua tinhthể trong ánh sángtruyền qua. Trong thí nghiệm của ông,
Bartholin cũng quansát thấymột hiện tượng khá lạ thường. Khi tinh thể canxit
quay xungquanhmột trục nhất định, mộttrong haiảnh cũngchuyểnđộng tròn
xungquanh ảnh kia, mang lại bằng chứngmạnh mẽ cho thấy tinh thể bằng cách
nào đó đã tách ánh sángthành hai chùmtia khác nhau.
Hơn một thế kỉ sau đó, nhà vật lí người Pháp Etienne Malusđã xác định được
ảnh tạora với ánh sáng phản xạ qua tinh thể canxitvà lưu ý rằng, dưới những điều
kiệnnhất định, mộttrong các ảnh sẽ biến mất.Ôngđã nhận định không chínhxác
rằng ánhsáng banngày thông thường gồm haidạng ánh sáng khác nhau truyền
qua tinhthể canxit theocác đường đi độc lập nhau.Sau đó, ngườita xácđịnh được
sự khác biệt xảy ra do sự phân cực của ánh sáng truyền qua tinh thể. Ánhsáng ban
ngày gồm nhữngánhsáng daođộng trong mọi mặtphẳng, trong khiánh sáng phản
xạ thường giới hạn trongmột mặtphẳng song songvới bề mặt mà từ đó ánh sáng
bị phản xạ.
Ánh sángphân cựccó thể được tạo ra từ những quá trình vật lí phổ biến làm
lệch hướngchùm tiasáng, như sự hấp thụ, khúcxạ, phản xạ, nhiễu xạ (hoặc tánxạ)
và quá trình gọi làlưỡng chiết (đặc điểm củasự khúc xạ kép).Ánh sángphản xạ từ
bề mặt phẳng của một chất lưỡng cực điện (hoặc cáchđiện) thường bị phân cực
một phần,với vectơ điện củaánh sángphản xạ dao động trong mặtphẳng song
song vói bề mặt của vật liệu. Ví dụ thường gặp về những bề mặt phản xạ ánh sáng
phân cựclà mặt nước yên tĩnh, thủy tinh,bản plastic, vàđườngxa lộ. Trongnhững
thí dụ này, sóng ánhsáng có vectơ điện trường song songvới bề mặt chất bị phản
xạ ở mứcđộ cao hơn so với sóng ánh sáng có nhữngđịnh hướngkhác. Tínhchất
quanghọc của bề mặtcách điện xác định lượng chính xácánhsángphản xạ bị
phân cực. Nhữngchiếc gương không phải là bản phâncực tốt, mặc dù nhiều chất
liệu trongsuốttrong vai trò bản phân cực rất tốt, nhưngchỉ khi góc ánhsáng tới

nằm trongmột giới hạnnhất địnhnào đó. Mộttính chất quan trọng của ánhsáng
phân cựcphản xạ là độ phân cựcphụ thuộc vào góctới của ánhsáng, với lượng
phân cựctăng đượcquan sát thấy khi góctới giảm.
Khi xét sự tác động của ánh sáng khôngphân cực lênmột bề mặtcáchđiện
phẳng, có một gócduy nhất mà tại đó sóngánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn
toànvào một mặt phẳng. Góc này thườngđược gọi là góc Brewster, và cóthể dễ
dàng tínhđược bằng phương trình sauđối với chùm ánh sáng truyền quakhông
khí:
n = sin(θ
i
)/sin(θ
r
) = sin(θ
i
)/sin(θ
90-i
) = tan(θ
i
)
trong đó n là chiếtsuất củamôi trường mà từ đó ánh sáng bị phản xạ, θ(i)là
góc tới,θ(r) là góckhúcxạ. Bằng việc giải phương trình, người ta có thể thấy rõ
rằng chiết suất củamột chấtchưa biết có thể xác định đượctừ gócBrewster.Đặc
điểm nàyđặc biệthữuích trong trường hợp chất mờ đục có hệ số hấp thụ cao đối
với ánh sáng truyền qua, không thể áp dụng đượccông thứccủa định luật Snew
quen thuộc. Việc xác định lượng phân cực bằngkĩ thuật phản xạ cũng làm dịu đi
cuộc tìmkiếm trục phân cực trên bản phimphân cực khôngđược đánhdấu.
Nguyên lí của gócBrewster được minhhọa tronghình 3 đối với một tia sáng
phản xạ từ một bề mặt phẳng của một môi trường trongsuốt có chiếtsuất lớnhơn
khôngkhí.Tia tới đượcvẽ với chỉ haimặt phẳngdao động vectơ điện, nhưngnó
dùngđể miêu tả ánhsáng có các dao độngtrong mọi mặt phẳngvuông góc với

hướngtruyền. Khichùm tia đi tới bề mặt ở góc tớihạn (góc Brewster,kíhiệu θ
trong hình3), thì độ phân cựccủa tia phản xạ là 100%,với sự định hướngcủa các
vectơ điện nằmvuônggóc với mặt phẳng tới và songsong với bề mặt phản xạ.Mặt
phẳng tới được định nghĩa bởisóng tới, sóng khúc xạ, và sóngphản xạ. Tia khúc xạ
hợp một góc 90 độ với tia phảnxạ vàchỉ bị phân cực một phần.
Đối với nước (chiếtsuất 1,333),thủy tinh (chiết suất 1,515)và kim cương
(chiết suất 2,417), góc tới hạn (Brewster) tươngứng là 53,57 và 67,5độ. Ánhsáng
phản xạ từ bề mặt đườngxa lộ ở góc Brewsterthường tạo ra ánhchóikhó chịuvà
làm người lái xe xaolãng, cóthể chứngminh một cách khá dễ dàngbằng cáchquan
sát phần ở xacủa xa lộ hoặcmặt nước hồ bơi vào một ngày nắngnóng.
Các laserhiện đạithường khai thác lợi thế của góc Brewster để tạo ra ánhsáng
phân cựcthẳng từ sự phản xạ ở các bề mặt gươngđặt ở haiđầu hộp laser.
Như đã nói ở phầntrên, sự phản xạ rực rỡ xuất pháttừ những bề mặt nằm
ngang,ví dụ như xalộ hoặc nướctrong hồ,bị phân cực một phần với cácvectơ
điện trường dao động theo một hướng song song với mặtđất. Ánh sángnày có thể
bị chặn lại bởi các bộ lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng, như minh họa
trong hình4, với cặp kính râm phân cực. Các thấu kính của cặp kính cónhững bộ
lọc phâncực địnhtheo hướngthẳng đứng đốivới cấu trúc kính. Trong hình, sóng
ánh sáng màu xanhcó vectơ điện trường của chúng định theocùng hướngnhư các
thấu kínhphân cực và, vì vậy, được truyềnqua. Trái lại, sóng ánh sáng màu đỏ
định hướng dao động vuông góc với định hướng của bộ lọcvà bị chặn lại bởi thấu
kính. Kínhrâm phân cực rất cóích khi láixe dưới cái nắngchói chang hoặc đi ở bờ
biển khiánh sángMặt Trời bị phản xạ từ bề mặt đườnghoặc mặt nước, dẫn tới ánh
chói cóthể làm ta gần như không thấygì nữa. Các bộ lọc phân cực cũng khá có ích
trong nhiếp ảnh, chúng có thể được gắn ở phía trước thấu kính camera để làm
giảm ánhchói vàlàm tăng độ tương phảnảnh toàn thể trong hìnhchụp hoặc ảnh kĩ
thuậtsố. Cácbản phân cực dùng trên camerathườngđược thiếtkế có một vòng
lắp cho phépchúng quaykhi sử dụng để thu đượchiệu ứng mongđợi dướinhững
điều kiện chiếu sáng khácnhau.
Một trong những bộ lọc phân cực đầu tiênđượcchế tạo vào đầu thế kỉ 19

bởi nhà khoa họcngười PhápFrancis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểubản
chất của ánh sáng phân cực.Aragođã nghiên cứu sự phân cực của ánhsáng phát ra
từ những nguồn khác nhau trên bầu trời và nêu ra một líthuyết tiên đoán rằng vận
tốc ánh sáng phải giảm khi nó truyền vàomộtmôi trường đậmđặc hơn.Ông cũng
làm việc với AugustinFresnel nghiên cứu sự giao thoa trong ánh sáng phân cựcvà
pháthiện thấy hai chùm ánh sángphân cựcvới sự định hướngdaođộng củachúng
vuônggócnhau sẽ không chịu sự giao thoa.Các bộ lọc phân cực của Arago,được
thiết kế và chế tạo trong năm 1812, chế tạo từ nhiều bản thủy tinhép sát vàonhau.
Đa phần chất phân cực được sử dụng ngày nay có nguồn gốc từ những màng
tổng hợp do tiến sĩ ErwinH.Land phátminh ra năm 1932, sớmvượt quatất cả các
chất khác làm môi trường đượcchọn dùngđể tạo ra ánh sángphân cựcphẳng. Để
chế tạo nhữngmàng này, các tinh thể iodoquininesulfate nhỏ xíu,định theocùng
một hướng, được gắn vào mộtmàng trùnghợp trong suốt để ngăn chặn sự ditrú
và địnhhướng lại của tinh thể. Land đã chế tạocácbản chứa màng phân cực được
thương mại hóa dưới cái tênPolaroid (tên thương phẩm đã được đăng kí), trở
thành một thuật ngữ đượcchấp nhận rộng rãi đối với các bản này. Bấtcứ dụngcụ
nào có khả nănglọc ánh sáng phân cực phẳng từ ánh sáng trắngtự nhiên (không
phân cực) ngày nayđều đượcgọi là bảnphân cực, cái tên được đưara lần đầutiên
vào năm 1948 bởi A.F.Hallimond. Vì nhữngbộ lọcnày có khả năng truyền chọn lọc
các tia sáng, phụ thuộc vào sự định hướng của chúng đối vớitrục bảnphân cực,
nên chúng biểu hiện một dạnglưỡng sắc,và thường đượcgọilà bộ lọc lưỡng sắc.
Kínhhiển vi ánh sáng phân cực lần đầu tiên được nêura vào thế kỉ 19,
nhưng thay vì sử dụng chất phân cực truyền qua,ánh sáng được phâncực bằng sự
phản xạ từ một chồng đĩa thủy tinhđặt hợp mộtgóc 57 độ so với mặtphẳng tới.
Sauđó, nhữngthiếtbị tiêntiếnhơn dựatrêntinh thể chất khúc xạ kép(như canxit)
cắt theo kiểu đặcbiệt và hànvới nhau tạothành lăng kính. Mộtchùmánh sáng
trắngkhông phân cực đi vào tinh thể loại này bị tách thành hai thànhphần phân
cực theo hướngvuông góc với nhau (trực giao).
Một trong hai tia sáng ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết được gọi là tiathường,
còn tia kiagọi là tiabất thường.Tia thườngbị khúc xạ ở mức độ cao hơnbởi lực

tĩnh điệntrong tinh thể và chạm tới bề mặt hàn ở góc tới hạn của sự phản xạ nội
toànphần. Kết quả là tia này bị phản xạ ra khỏi lăng kính vàbị loại trừ bởi sự hấp
thụ ở mép thiết bị. Tia bất thường truyền qua lăng kính và ló ra dưới dạng chùm
ánh sáng phân cựcthẳng truyền thẳng tới tụ sáng hoặc mẫu vật (đặt trên bàn soi
hiển vi).
Một số mẫu dụngcụ phân cực trên cơ sở lăng kínhđược bày bán rộng rãivà
chúng thường đượcđặt theotên nhà chế tạo ra chúng.Lăng kínhphân cực phổ
biến nhất (minh họa trong hình 5) đặttheo tênWilliam Nicol,người đầutiên chẻ
và hànhai tinh thể spar Iceland với nhau bằngnhựa Canadavào năm 1829. Lăng
kính Nicollần đầu tiên được sử dụng để đo góc phân cựccủa hỗnhợp lưỡng chiết,
mang đến nhữngphát triển mới trong việc tìm hiểu sự tương tácgiữaánh sáng
phân cựcvà cácchất kết tinh.
Hình 5 minh họa cấu trúc của một lăng kínhNicol điểnhình. Mộttinh thể
chất khúc xạ kép (lưỡng chiết), thườnglà canxit, đượccắt dọc theomặt phẳng
đánh dấu a-b-c-d và hai nửa sau đó hàn lại với nhau, tạo rahình dạng tinh thể ban
đầu. Mộtchùmánh sáng trắng không phân cực đi vào tinh thể từ phía bên trái và
tách thành haithành phần bị phân cực theohướng vuông góc với nhau. Một trong
hai chùm này (gọi là tia thường) bị khúc xạ ở mức độ lớn hơn vàchạm tới ranh
giới hàn ở mộtgóc mà kết quả là bị phản xạ toàn bộ khỏi lăngkính qua mặt tinh
thể ở trêncùng.Còn chùmkia (tia bất thường) bị khúc xạ ở mức độ íthơn và
truyền qualăng kính,đi ra ngoài dưới dạng chùmánh sáng phân cựcphẳng.
Những cơ cấu lăngkínhkhácđược đề xuất và chế tạo trongthế kỉ 19và đầu
thế kỉ 20, nhưnghiện nay chúngkhôngcòn được sử dụng để tạo ra ánhsáng phân
cực trong những ứng dụng hiệnđại. Lăng kínhNicol rất đắtvà kềnh càng, và có
khẩu độ rất hạn chế, nên công dụng của chúng giới hạnở những sự phóng đại cao.
Thay vì vậy, ngày nay ánh sáng phân cực được tạo ra phổ biến nhất bằng sự hấp
thụ ánh sáng có tập hợp hướng daođộng nhất định trong môi trường lọc (ví dụ
như bản phân cực),trong đó trục truyền củabộ lọc vuông góc với sự địnhhướng
của polymer tuyến tính và tinhthể có chứa chất phân cực.
Trongnhữngbản phân cực hiện đại, các sóng ánh sáng tớicó daođộng vectơ

điện trường song songvới trục tinhthể của bản phâncực bị hấp thụ. Nhiều sóng
trong số các sóng tới sẽ có sự địnhhướng vectơ xiên góc, nhưngkhông vuônggóc
với trụctinh thể,và sẽ chỉ bị hấpthụ một phần. Mức độ hấp thụ đối vớicác sóng
ánh sáng xiên phụ thuộc vào góc dao độngmà chúng chạm tới bản phân cực.
Những tianào có góc đó gần songsong với trụctinh thể sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so
vớinhữngtiacó góc gần vuông góc. Cácbộ lọc Palaroidphổ biến nhất(gọi là sêri H)
truyền quachỉ khoảng 25%chùm ánh sáng tới, nhưng mức độ phân cực của tia
truyền quavượt trên 99%.
Một số ứngdụng, nhất là kính hiển vi ánh sáng phân cực,dựa trên các bản
phân cựcvuông góc để xác định chất khúcxạ kép hoặc lưỡng chiết.Khi haibản
phân cựcđặt vuông góc nhau,trục truyền của chúng địnhhướng vuông góc nhau
và ánhsáng truyềnqua bản phân cực thứ nhất hoàn toàn bị dập tắt,hoặc bị hấp
thụ, bởi bản phân cực thứ hai, bản này thường được gọi là bản phântích. Lượng
ánh sáng hấp thụ của bộ lọcphâncực lưỡngsắc xácđịnh chínhxác bao nhiêu ánh
sáng ngẫu nhiênbị dập tắt khibản phân cực được dùng trong bản cặp bắtchéo, và
thường được gọi làhệ số dập tắt của bản phâncực. Về mặt định lượng, hệ số dập
tắt đượcxác định bởi tỉ số của ánh sáng truyền qua bởi cặp phâncực khi trục
truyền của chúng định hướngsong song và lượng ánh sáng truyềnqua khi đặt
chúng vuông góc với nhau. Nói chung, hệ số dậptắt từ 10.000 đến100.000 để tạo
ra nền đen thẳm và mẫu vật lưỡng chiết dễ quan sátnhất (và tươngphản) trong
kính hiển vi quanghọc phân cực.