Sự giao thoa ánh sáng potx

Sự giao thoa ánh sáng
Isaac Newton, nhà toánhọc và nhà vật líhọc người Anhnổi tiếng của thế kỉ
19, làmột trongnhững nhà khoahọc đầu tiênnghiên cứu hiện tượnggiao thoa.
Ông bị hiếu kì trước sự hiển thị màu sắc sặc sỡ trên bề mặt của bongbóng xà
phòng,đặc biệt làkhi xem các bong bóng được tạothành từ dungmôi xà phòng
khôngmàu. Newton đã suy luận chính xác rằng màu sắc có thể là dosự quá gần
nhau củabề mặt bên trongvà bênngoài của bong bóng,và nghĩ ra một phương
pháp thực nghiệmtiến hànhđể nhại lại hình ảnh màu sắc quan sátđược. Trongthí
nghiệmvòng Newtonnổi tiếngcủa ông (xemhình 6),Newton đặt mộtthấu kínhlồi
có bán kính cong lớn trên mộtđĩa thủy tinh phẳngvà thiếtđặt áp lựcthôngqua bộ
khung bằng đồngđể giữ thấu kính vàđĩa với nhau, nhưngvẫn cách nhau một
khoảng trốngrất mỏng chứa đầy không khí và có cùng định hướng như ánh sáng
nhìn thấy. Khi ông quansát đĩa bằng ánhsáng phản xạ, ôngnhìn thấy một dảiđồng
tâmcả các vùng màu sángvà tối.
Sự phát triểncó trật tự của các vòngkhiếnNewton ngạc nhiên. Gần tâm của
điểm tiếp xúc, các vòng rộng hơn và hìnhảnh màu sắc có trật tự bắtđầu với màu
đen, rồi phát triển yếu dần sangxanh dương, trắng,cam, đỏ, hồng,xanhdương,
xanh lá cây vàvàng. Dảivân có cường độ lớn hơn và dày hơn ở vùng tâm, chúng
mỏnghơn khi phát triểnra phía ngoài, và cuối cùng thì trải theo rìa củakhung
bằngđồng. Newtoncũng nhận thấy nếu như ông rọi sáng thủy tinhbằngánh sáng
đỏ, thì màu sắc sẽ thay đổi để tạo ra cácvạch đỏ và đen xen kẽ. Một cách tươngtự,
ánh sáng xanh dương tạo ra các vòng xanhdươngvà đen, còn ánh sáng xanh lá cây
tạo ra các vòngxanh lá câyvà đen.Ngoài ra, Newton cũngnhận thấy khoảng cách
giữacác vòng phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng. Cácvòng màu xanh dươngở gần
nhau hơn so vớicác vòng màu xanhlá cây, các vòng màu xanhlá câylại gần nhau
hơnso với cácvòng màu đỏ (kết quả quan sát giống hệt như khoảngcáchvân giao
thoa trong thí nghiệm kheđôi nếu sử dụng các bộ lọc màu khác nhau).
Newton nhận thấy các vòng biểu hiện sự có mặt củamột số mức độ tuần
hoàn, nhưng vẫn không hiểu nổikết quả thí nghiệm.Thật vậy, cơ sở vật lí cho sự
hình thành cácvòng đã trở thành mộtbí ẩntồntại trên75 năm sau khi Newton
qua đời. Mãi cho đến khiYoung đưa ra thí nghiệm kheđôi thì các nhàkhoa học

mớinhận ra rằng ánh sáng phảnxạ từ mặt bên trên và mặt bên dưới củathủy tinh
trở nên chồng chất, hoặc kết hợp lại, và tạo ra hìnhảnh giao thoa xuấthiện dưới
dạng các vòng màu.Ngày nay, nguyên lícơ bản này đượcngười ta áp dụng trong
các xưởngchế tạo kính để kiểm tramức độ đồng đều của cácbề mặt bóng lánglớn.
Sự phân bố vângiao thoa (như trong thí nghiệm kheđôi củaYoung hoặc
dụngcụ thí nghiệm vòngNewton) có cườngđộ biến đổi khi chúnghiện ra trên một
nền không đổi. Độ khả kiến của cườngđộ (V) được địnhnghĩa bởiAlbert
Michelson, nhàvật lí đầu thế kỉ 19,là độ chênh lệch giữa cường độ cực đại vàcực
tiểu củamột vân chia cho tổng củachúng:
Độ khả kiến (V) = (I(max) – I(min))/(I(max) + I(min))
trong đó I(max)là cường độ cực đại đođược và I(min) làcường độ cực tiểu
tương ứng. Trong phương trình này, cường độ vân lí tưởng hóa luôn nằm giữa
zero và1, nhưng trong thựctế cường độ vân phụ thuộc vào thiếtkế hìnhhọc của
thí nghiệm và vùng phổ đượcsử dụng.
Bộ lọc giao thoa
Sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật hiển vi huỳnh quang, sử dụng cácquan
sát tầmnhìn rộng quenthuộchoặc dùng kếthợp với kĩ thuật laser quét đồng tiêu
và nhân quang, đã đưa tới sự phát triển nhanhchóng của côngnghệ lọc mới cho
phép các nhà hiển vi họckích thíchcó chọn lọc các chấtfluorophorevà quan sát sự
huỳnh quang thứ cấp với sự nhiễu nền nhỏ nhất. Vì những ứngdụng này màcác bộ
lọc có nhiều lớpphủ mỏng chất lưỡng cựcđiện, thường đượcgọi là bộ lọc giao
thoa, trở thành cơ cấuđược chọn cho việc chọnlọc bướcsóng.
Nói chung, cácbộ lọc giao thoa cấu tạo từ bảnthủy tinh quang học phủ vật
liệu lưỡng cựcđiện thànhlớp dày hoặc một phần haihoặc mộtphần tư bước sóng,
chúng đóng vaitrò ngăncản và/hoặctăng cườngcó chọn lọc sự truyền các dải
bướcsóng đặc biệt qua sự kết hợp củagiao thoa tăngcường vàtriệt tiêu (minh
họa trong hình 7).Các bộ lọc đượcthiết kế để cho truyềnqua một phạm vi cógiới
hạn bướcsóng được tăng thêm sức mạnh bởi sự giaothoa tăng cườnggiữa sóng
ánh sáng truyền quavà sóng ánhsáng phản xạ. Các bước sóng không đượcchọn
bởi bộ lọc khôngtăng cườnglẫn nhau,và bị loại bỏ bởi sự giao thoa triệt tiêu hoặc

bị phản xạ ra xa bộ lọc.
Vật liệu lưỡng cực điện thườngdùng trongcác bộ lọc giao thoa là các muối
kim loạikhôngdẫn điện vàkim loại nguyên chất có giá trị chiết suất nhất định. Các
muốinhư kẽm sunfit, natri nhôm florit,và magiê florit, cũngnhư các kim loại,ví dụ
như nhôm, vàmột vài vật liệu chọn lọc khác được sử dụng choviệc thiếtkế vàchế
tạo những bộ lọc thuộc loại này.Các bộ lọc giao thoa, rất giốngvới cấu trúckitin
mỏngtrong côn trùng lónglánh ngũ sắc hoặcmàng xàphòng mỏng đã nói ở phần
trên,dựa vào nhữngđặc tínhvật lí tồn tại ở mặt phân giới giữa hailớp vật liệu
lưỡng cực điện rất mỏng có chiết suất khác nhau để phảnxạ, cho truyền qua,và
xúc tiếnsự giaothoa giữa các sóngánh sángtới. Việc chọn lọcbước sóngphụ
thuộcvào chiều dày lớp lưỡng cực điệnvà chiết suấtcủa lớp mỏng phủ bên ngoài
dùngchế tạo nên bộ lọc.
Các lớp phủ ngoài bộ lọc giaothoa được chế tạo theotừng đơnvị gọi là
khoang, mỗi khoang chứa bốn hoặc nămlớp muối lưỡng cực xen kẽ, các khoang
phân cách nhaubởi lớpphân cách. Số lượng khoangxác định độ chính xác toànthể
của việcchọn lọcbước sóng. Hiệu suất lọc vàchọn lọc bước sóng có thể làm tăng
đột ngộtbằngcách tăng số lượng khoang,ví dụ như bộ lọc hiệu suất cao hiện nay
có tới 10-15 khoang vàcó thể tạora dải thôngcủa một bước sóng.Nhữngbộ lọc có
tính chọnlọc cao này đã kích thích nghiên cứu truytìm những loại thuộc thuốc
nhuộm fluorophoremới,và đột ngột đẩy mạnhviệc tìmkiếm các biến thể đột biến
của proteinhoạttính sinh họcphổ biến huỳnh quangmàu xanhlá cây (GFP).
Tạo ảnh nổi ba chiều bằng sự giao thoa
Nguyên lí vàlí thuyết tạo ảnh ảo ba chiều (hologram)bằng phương pháp
giao thoađã được phácthảo bởi DennisGabor từ nhữngnăm 1940, nhưngông đã
khôngcó trongtay các nguồnlaser kết hợp tinh vi để tạo ra những hình ảnh ảo ba
chiềunày. Laser rađời vàonăm 1960 và hai năm sauđó, hai chàngsinh viên tốt
nghiệp trườngđại học Michiganlà JurisUpatnieksvà EmmetLeith đã thànhcông
trong việc tạora hologramđầu tiên. Hologramvề cơ bản là các bảnghi ảnh được
chế tạo với hai bộ sóng ánh sáng kết hợp. Một bộ sóng phản xạ lên phimảnh bởi
vật thể được ghi hình(tương tự như cơ chế chụphình thôngthường),còn bộ sóng

kia đi tớiphimmà không phản xạ, hoặc truyềnqua, vật thể. Khi hai bộ sóng laser
cuối cùng gặpnhau trênmặt phẳngphim, chúngtạo rahình ảnh giao thoa (vân)
được ghilại dưới dạng ảnh bachiều.
Trongkĩ thuật hologram phản xạ, cả chùm laserrọi vật thể và chùm laser
thamchiếu (thường là laserheli-neon)đều phản xạ trên mộtmàng mỏngtừ các
phía ngược nhau.Những chùm giao thoa với trường ánh sáng vàcác vùng tốinày
tương tác nhau tạo ramột hình ảnhba chiều. Kĩ thuật hologram phản xạ tìm thấy
ngày càng nhiều ứng dụngnhư làm vật nhận dạng bằng lái xe,thẻ tín dụng, dấu
hiệu nhận dạng,và chống giả mạo.Thường thì chúng hiển thị hình màu củalogo,
số nhậndạng, hoặchìnhảnhnhất địnhtạo ra bằngánh sánglasercó bamàu sơ cấp.
Mỗilaser tạo ra mộthình ảnhgiao thoađộc nhất vô nhị, và các ảnhsẽ chồng gộp
lên nhautạo nên ảnh cuối cùng. Dochúng hầu như không thể nàosao chép được
nên hologram phản xạ là dụng cụ bảo mậtcó giá trị cao.
Kĩ thuật hologramtruyền qua sử dụngcả chùm laser thamchiếu và laser rọi
vật thể ở cùngphía của màng để tạo ra hiệu ứng tương tự như hologramphản xạ
(hình 8).Một bộ sónglaser dùng rọi sáng vật thể được ghi hình, nó phản xạ sóng
và tán xạ chúng theo cách tương tự như việc rọi sáng thông thường.Ngoàira, một
chùmlaser tham chiếu phân cực đượcáp vào theo hướng songsong với mặt phẳng
phim hologram.Sóng ánh sáng tán xạ (phản xạ) chạm tới phim nhũ tương đồng
thời với sóng thamchiếu,tại đó chúnggiao thoa nhautạo nên hình ảnh vân giao
thoa. Hologramtruyền quacó một số ứng dụng, nhưngmột trongnhững ứng dụng
thú vị nhất là bản hiểnthị trước mắtngười phi công. Trongbuồng lái máy bay
thông thường,người phi công phải lỉên tục thay đổi sự chú ý của anh ta giữa cửa sổ
và bảnđiều khiển. Với kĩ thuật hiểnthị hologram, một hình ảnh nổi ba chiều của
bản điều khiểnmáy bayphản xạ trên mộtcái đĩa đặt gần mắt củaphi công,nên
người phi công có thể đồngthờiquan sát bản điều khiển và chân trời.
Kết luận
Ngoài các bongbóng xàphòng, nhữngcon côntrùng lóng lánh ngũ sắc tuyệt
đẹp, vànhiều thí dụ khácđã nói tới ở trên, hiện tượng giaothoaánh sángkhả kiến
xảy ra khá thường xuyên trong tự nhiên và thườngđượcdùng trong nhiều ứng

dụngđa dạng của con người. Ví dụ, phổ màu sắc giốngnhư cầu vồngquan sát thấy
bên trong vỏ bào ngư (hình9) phát sinh bởi những những lớpkhoáng cứng rất
mỏnggọi là xà cừ hay mẹ của ngọc trai. Ánhsáng phản xạ từ cáclớp liên tiếp chịu
sự giao thoa, tạo ra sự hiển thị màu sắc theokiểu tươngtự với hiện tượngquan sát
thấytừ nhiều lớp kitin trên bộ xương ngoài của mộtvài loài côn trùng cánh cứng.
Tương tự như vậy, lớp vảy óng ánh như bạc trên một số loài cá tạo ra hìnhảnh
giao thoanhiều màu sắc do nhiềulớp có bề dày khácnhau.
Con mắt óng ánhcủa lông con công là mộtví dụ khác chohiện tượng giao
thoa (hình 9). Cấu trúchình que nhỏ xíu cấutạo nên proteinsắc tố melanin sắp
xếp theo kiểu trật tự tạo ramàu sắc giao thoa kì lạ khiquan sát từ nhữnggóc độ
khác nhau. Trongthế giới khoángvật, ngọc mắtmèo ngũ sắc cấu tạo từ những quả
cầu silicatvi mô sắp xếp thành từng lớp đều đặn. Mỗi quả cầu phản xạ ánh sángtới
chồng chập với ánh sángphản xạ từ những quả cầu lân cận tạo radải màu cực đẹp
thayđổi mỗi khi người ta xoayhònngọc.
Ứng dụng đángkể vàrất hữu dụngcủa hiệu ứng giao thoa làđo đạc những
khoảng cách lớn với thiết bị laser chính xác.Các hệ lasercó thể đượcsử dụng để
đo nhữngkhoảngcách rất nhỏ trong phạm vinhiều dặm, một công việc được hoàn
thành bằng cách táchchùm tia laservà phản xạ nó trở lại từ nhữngbề mặt liền kề
rất gần nhau. Trên cơ sở kếthợp lại các chùm laser phân tách, việc phân tích các
vân giaothoa thu được sẽ manglại một tính toán chính xác đặcbiệt về khoảng
cách giữa hai bề mặt. Kĩ thuật này cũngđượcsử dụng phổ biến trongcác hệ chỉ
dẫn laserđược thiết kế cho việc điều khiển đườngbay của máy bay có ngườilái và
khôngcó người lái, của tên lửa vàbom.
Sự giao thoa cũng xuất hiệntrong những lĩnh vực khácnhư sóngâm (trong
khôngkhí) và cácgợn sóng lăn tăn trên mặt hồ phẳng lặng. Một thí nghiệm giao
thoa rất gọnvà dễ thựchiện cóthể tiếnhành ở nhà bằng chậu đựngđầy nước và
hai hòn bi. Trướctiên, hãy để mặt nước trở nên phẳng lặng, rồi đồngthời thả hai
hònbivào nước (cáchnhau chừng10-14 inch)từ độ cao khoảng 1 foot.Giống hệt
như sóng ánh sáng,hai hòn bisẽ sinh ramột loạtsóng trong nướctruyền đi theo
mọihướng. Các sóngnằm trong khuvực giữahai điểm nơi haihònbi rơi vào nước

sẽ vachạm với nhau. Nơi chúngva chạm đồngbộ, chúng sẽ tăng cườngcộng gộp
với nhautạo ra sónglớn hơn, và nơi chúngva chạm không đồng bộ với nhau,
chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau.
Giao thoa xuấthiện ở nhiều dạng ảnh hưởng tới những điều chúngta nhìn
thấytrong cuộc sốnghàng ngày. Sự tương tác giữa cácsóng ánh sáng rất gần nhau
xảy ra khá thường xuyên nên hiện tượng thường khôngđược để ý tới và đượcmặc
nhiênchấp nhận. Tuynhiên,từ những đóng góp cơ bản của nócho lí thuyếtvật lí
tạo ảnhvà vô số loài côn trùngbiếnhình kì lạ, chođến màu sắc tuyệt diệu của các
vầng và hào quangtrong bầu khíquyển, sự giao thoa củasóng ánh sáng đã giúp
mang tới sự đa dạngvề màu sắc cho thế giới xung quanh chúng ta.