Sự phân cực ánh sáng potx

Sự phân cực ánh sáng
Bầu chọn của người dùng: / 0
Nghèo nàn Tốt nhất
M?c đ?
Người viết: hiepkhachquay
Ánh sáng Mặt Trời và hầu như mọi dạng nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo khác
đều tạo ra sóng ánh sáng có vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng vuông
góc với hướng truyền sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao động trong một
mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với những chất liệu đặc biệt, thì ánh sáng được xem là
phân cực phẳng, hay phân cực thẳng đối với hướng truyền, và tất cả sóng dao động
trong một mặt phẳng được gọi là mặt phẳng song song, hay mặt phẳng phân cực.

Hình 1. Sự phân cực của sóng ánh sáng

Mắt người không có khả năng phân biệt giữa ánh sáng định hướng ngẫu nhiên và ánh
sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳng chỉ có thể phát hiện qua cường độ hoặc
hiệu ứng màu, ví dụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm. Trong thực tế, con
người không thể nào phân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao nhìn thấy trong
kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnh tương tự của cùng mẫu vật ghi bằng kĩ
thuật số (hoặc trên phim) và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sáng không phân cực. Ý
niệm cơ bản của sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 1 đối với một chùm
ánh sáng không phân cực đi tới hai bản phân cực thẳng. Vectơ điện trường vẽ trong
chùm ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao động theo mọi hướng (360 độ, mặc dù chỉ
có 6 sóng, cách nhau 60 độ được vẽ trong hình). Trong thực tế, vectơ điện trường của
ánh sáng tới dao động vuông góc với hướng truyền với sự phân bố đều trong mọi mặt
phẳng trước khi chạm phải bản phân cực thứ nhất.

Các bản phân cực minh họa trong hình 1 thực ra là những bộ lọc gồm các phân tử
polymer chuỗi 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 phẳng polymer thì truyền qua bộ lọc phân cực thứ nhất. Hướng phân cực

của bản phân cực thứ nhất là thẳng đứng nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua được
những sóng có vectơ điện trường thẳng đứng. Sóng truyền qua bản phân cực thứ nhất
sau đó bị chặn lại bởi bản phân cực thứ hai, do bản phân cực này định hướng ngang
đối với vectơ điện trường trong sóng ánh sáng. Ý tưởng sử dụng hai bản phân cực
định hướng vuông góc với nhau thường được gọi là sự phân cực chéo và là cơ sở cho ý
tưởng về kính hiển vi ánh sáng phân cực.

Manh mối đầu tiên cho sự tồn tại của ánh sáng phân cực xuất hiện vào khoảng năm
1669 khi Erasmus Bartholin phát hiện thấy tinh thể khoáng chất spar Iceland (loại
chất canxit trong suốt, không màu) tạo ra một ảnh kép khi các vật được nhìn qua tinh
thể trong ánh sáng truyền qua. Trong thí nghiệm của ông, Bartholin cũng quan sát
thấy một hiện tượng khá lạ thường. Khi tinh thể canxit quay xung quanh một trục
nhất định, một trong hai ảnh cũng chuyển động tròn xung quanh ảnh kia, mang lại
bằng chứng mạnh mẽ cho thấy tinh thể bằng cách nào đó đã tách ánh sáng thành hai
chùm tia khác nhau.


Hình 2. Sự khúc xạ kép trong tinh thể canxit

Hơn một thế kỉ sau đó, nhà vật lí người Pháp Etienne Malus đã xác định được ảnh tạo
ra với ánh sáng phản xạ qua tinh thể canxit và lưu ý rằng, dưới những điều kiện nhất
định, một trong các ảnh sẽ biến mất. Ông đã nhận định không chính xác rằng ánh
sáng ban ngày thông thường gồm hai dạng ánh sáng khác nhau truyền qua tinh thể
canxit theo các đường đi độc lập nhau. Sau đó, người ta xác định được sự khác biệt
xảy ra do sự phân cực của ánh sáng truyền qua tinh thể. Ánh sáng ban ngày gồm
những ánh sáng dao động trong mọi mặt phẳng, trong khi ánh sáng phản xạ thường
giới hạn trong một mặt phẳng song song với bề mặt mà từ đó ánh sáng bị phản xạ.

Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra từ những quá trình vật lí phổ biến làm lệch
hướng chùm tia sáng, như sự hấp thụ, khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và

quá trình gọi là lưỡng chiết (đặc điểm của sự khúc xạ kép). Ánh sáng phản xạ từ bề
mặt phẳng của một chất lưỡng cực điện (hoặc cách điện) thường bị phân cực một
phần, với vectơ điện của ánh sáng phản xạ dao động trong mặt phẳng song song vói
bề mặt của vật liệu. Ví dụ thường gặp về những bề mặt phản xạ ánh sáng phân cực là
mặt nước yên tĩnh, thủy tinh, bản plastic, và đường xa lộ. Trong những thí dụ này,
sóng ánh sáng có vectơ điện trường song song với bề mặt chất bị phản xạ ở mức độ
cao hơn so với sóng ánh sáng có những định hướng khác. Tính chất quang học của bề
mặt cách điện xác định lượng chính xác ánh sáng phản xạ bị phân cực. Những chiếc
gương không phải là bản phân cực tốt, mặc dù nhiều chất liệu trong suốt trong vai trò
bản phân cực rất tốt, nhưng chỉ khi góc ánh sáng tới nằm trong một giới hạn nhất
định nào đó. Một tính chất quan trọng của ánh sáng phân cực phản xạ là độ phân cực
phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng, với lượng phân cực tăng được quan sát thấy khi
góc tới giảm.

Khi xét sự tác động của ánh sáng không phân cực lên một bề mặt cách điện phẳng, có
một góc duy nhất mà tại đó sóng ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn vào một
mặt phẳng. Góc này thường được gọi là góc Brewster, và có thể dễ dàng tính được
bằng phương trình sau đối với chùm ánh sáng truyền qua không khí:

n = sin(θ
i
)/sin(θ
r
) = sin(θ
i
)/sin(θ
90-i
) = tan(θ
i
)

trong đó n là chiết suất của môi trường mà từ đó ánh sáng bị phản xạ, θ(i) là góc tới,
θ(r) là góc khúc xạ. Bằng việc giải phương trình, người ta có thể thấy rõ rằng chiết
suất của một chất chưa biết có thể xác định được từ góc Brewster. Đặc điểm này đặc
biệt hữu ích trong trường hợp chất mờ đục có hệ số hấp thụ cao đối với ánh sáng
truyền qua, không thể áp dụng được công thức của định luật Snew quen thuộc. Việc
xác định lượng phân cực bằng kĩ thuật phản xạ cũng làm dịu đi cuộc tìm kiếm trục
phân cực trên bản phim phân cực không được đánh dấu.



Hình 3. Góc Brewster

Nguyên lí của góc Brewster được minh họa trong hình 3 đối với một tia sáng phản xạ
từ một bề mặt phẳng của một môi trường trong suốt có chiết suất lớn hơn không khí.
Tia tới được vẽ với chỉ hai mặt phẳng dao động vectơ điện, nhưng nó dùng để miêu tả
ánh sáng có các dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với hướng truyền. Khi
chùm tia đi tới bề mặt ở góc tới hạn (góc Brewster, kí hiệu θ trong hình 3), thì độ
phân cực của tia phản xạ là 100%, với sự định hướng của các vectơ điện nằm vuông
góc với mặt phẳng tới và song song với bề mặt phản xạ. Mặt phẳng tới được định
nghĩa bởi sóng tới, sóng khúc xạ, và sóng phản xạ. Tia khúc xạ hợp một góc 90 độ với
tia phản xạ và chỉ bị phân cực một phần.

Đối với nước (chiết suất 1,333), thủy tinh (chiết suất 1,515) và kim cương (chiết suất
2,417), góc tới hạn (Brewster) tương ứng là 53, 57 và 67,5 độ. Ánh sáng phản xạ từ
bề mặt đường xa lộ ở góc Brewster thường tạo ra ánh chói khó chịu và làm người lái
xe xao lãng, có thể chứng minh một cách khá dễ dàng bằng cách quan sát phần ở xa
của xa lộ hoặc mặt nước hồ bơi vào một ngày nắng nóng. Các laser hiện đại thường
khai thác lợi thế của góc Brewster để tạo ra ánh sáng phân cực thẳng từ sự phản xạ ở
các bề mặt gương đặt ở hai đầu hộp laser.

Như đã nói ở phần trên, sự phản xạ rực rỡ xuất phát từ những bề mặt nằm ngang, ví
dụ như xa lộ hoặc nước trong hồ, bị phân cực một phần với các vectơ điện trường dao
động theo một hướng song song với mặt đất. Ánh sáng này có thể bị chặn lại bởi các
bộ lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng, như minh họa trong hình 4, với cặp kính
râm phân cực. Các thấu kính của cặp kính có những bộ lọc phân cực định theo hướng
thẳng đứng đối với cấu trúc kính. Trong hình, sóng ánh sáng màu xanh có vectơ điện
trường của chúng định theo cùng hướng như các thấu kính phân cực và, vì vậy, được
truyền qua. Trái lại, sóng ánh sáng màu đỏ định hướng dao động vuông góc với định
hướng của bộ lọc và bị chặn lại bởi thấu kính. Kính râm phân cực rất có ích khi lái xe
dưới cái nắng chói chang hoặc đi ở bờ biển khi ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ từ bề
mặt đường hoặc mặt nước, dẫn tới ánh chói có thể làm ta gần như không thấy gì 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 ánh chói và làm tăng độ tương phản ảnh toàn
thể trong hình chụp hoặc ảnh kĩ thuật số. Các bản phân cực dùng trên camera thường
được thiết kế có một vòng lắp cho phép chúng quay khi sử dụng để thu được hiệu ứng
mong đợi dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau.


Hình 4. Hoạt động của kính râm phân cực

Một trong những bộ lọc phân cực đầu tiên được chế tạo vào đầu thế kỉ 19 bởi nhà
khoa học người Pháp Francis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểu bản chất của
ánh sáng phân cực. Arago đã nghiên cứu sự phân cực của ánh sáng phát ra từ những
nguồn khác nhau trên bầu trời và nêu ra một lí thuyết tiên đoán rằng vận tốc ánh
sáng phải giảm khi nó truyền vào một môi trường đậm đặc hơn. Ông cũng làm việc
với Augustin Fresnel nghiên cứu sự giao thoa trong ánh sáng phân cực và phát hiện
thấy hai chùm ánh sáng phân cực với sự định hướng dao động của chúng vuông góc
nhau 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 tinh ép sát vào nhau.

Đa phần chất phân cực được sử dụng ngày nay có nguồn gốc từ những màng tổng
hợp do tiến sĩ Erwin H.Land phát minh ra năm 1932, sớm vượt qua tất cả các chất
khác làm môi trường được chọn dùng để tạo ra ánh sáng phân cực phẳng. Để chế tạo
những màng này, các tinh thể iodoquinine sulfate nhỏ xíu, định theo cùng một hướng,
được gắn vào một màng trùng hợp trong suốt để ngăn chặn sự di trú và định hướng
lại của tinh thể. Land đã chế tạo các bản chứa màng phân cực được thương mại hóa
dưới cái tên Polaroid (tên thương phẩm đã được đăng kí), trở thành một thuật ngữ
được chấp nhận rộng rãi đối với các bản này. Bất cứ dụng cụ nào có khả năng lọc ánh
sáng phân cực phẳng từ ánh sáng trắng tự nhiên (không phân cực) ngày nay đều
được gọi là bản phân cực, cái tên được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1948 bởi A.F.
Hallimond. Vì những bộ lọc này có khả năng truyền chọn lọc các tia sáng, phụ thuộc
vào sự định hướng của chúng đối với trục bản phân cực, nên chúng biểu hiện một
dạng lưỡng sắc, và thường được gọi là bộ lọc lưỡng sắc.

Kính hiển vi ánh sáng phân cực lần đầu tiên được nêu ra vào thế kỉ 19, nhưng thay vì
sử dụng chất phân cực truyền qua, ánh sáng được phân cực bằng sự phản xạ từ một
chồng đĩa thủy tinh đặt hợp một góc 57 độ so với mặt phẳng tới. Sau đó, những thiết
bị tiên tiến hơn dựa trên tinh thể chất khúc xạ kép (như canxit) cắt theo kiểu đặc biệt
và hàn với nhau tạo thành lăng kính. Một chùm ánh sáng trắng không phân cực đi vào
tinh thể loại này bị tách thành hai thành phần phân cực theo hướng vuông góc với
nhau (trực giao).

Một trong hai tia sáng ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết được gọi là tia thường, còn tia kia
gọi là tia bất thường. Tia thường bị khúc xạ ở mức độ cao hơn bởi lực tĩnh điện trong
tinh thể và chạm tới bề mặt hàn ở góc tới hạn của sự phản xạ nội toàn phần. Kết quả
là tia này bị phản xạ ra khỏi lăng kính và bị 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 cực thẳng
truyền thẳng tới tụ sáng hoặc mẫu vật (đặt trên bàn soi hiển vi).

Một số mẫu dụng cụ phân cực trên cơ sở lăng kính được bày bán rộng rãi và chúng
thường được đặt theo tên nhà chế tạo ra chúng. Lăng kính phân cực phổ biến nhất
(minh họa trong hình 5) đặt theo tên William Nicol, người đầu tiên chẻ và hàn hai tinh
thể spar Iceland với nhau bằng nhựa Canada vào năm 1829. Lăng kính Nicol lần đầu
tiên được sử dụng để đo góc phân cực của hỗn hợp lưỡng chiết, mang đến những phát
triển mới trong việc tìm hiểu sự tương tác giữa ánh sáng phân cực và các chất kết
tinh.


Hình 5. Lăng kính phân cực Nicol

Hình 5 minh họa cấu trúc của một lăng kính Nicol điển hình. Một tinh thể chất khúc xạ
kép (lưỡng chiết), thường là canxit, được cắt dọc theo mặt phẳng đánh dấu a-b-c-d và
hai nửa sau đó hàn lại với nhau, tạo ra hình dạng tinh thể ban đầu. Một chùm ánh
sáng trắng không phân cực đi vào tinh thể từ phía bên trái và tách thành hai thành
phần bị phân cực theo hướng vuông góc với nhau. Một trong hai chùm này (gọi là tia
thường) bị khúc xạ ở mức độ lớn hơn và chạm tới ranh giới hàn ở một góc mà kết quả
là bị phản xạ toàn bộ khỏi lăng kính qua mặt tinh thể ở trên cùng. Còn chùm kia (tia
bất thường) bị khúc xạ ở mức độ ít hơn và truyền qua lăng kính, đi ra ngoài dưới dạng
chùm ánh sáng phân cực phẳng.

Những cơ cấu lăng kính khác được đề xuất và chế tạo trong thế kỉ 19 và đầu thế kỉ
20, nhưng hiện nay chúng không còn được sử dụng để tạo ra ánh sáng phân cực
trong những ứng dụng hiện đại. Lăng kính Nicol rất đắt và kềnh càng, và có khẩu độ
rất hạn chế, nên công dụng của chúng giới hạn ở 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 dao động nhất định trong môi trường lọc (ví dụ như bản phân
cực), trong đó trục truyền của bộ lọc vuông góc với sự định hướng của polymer tuyến
tính và tinh thể có chứa chất phân cực.

Trong những bản phân cực hiện đại, các sóng ánh sáng tới có dao động vectơ điện
trường song song với trục tinh thể của bản phân cực bị hấp thụ. Nhiều sóng trong số
các sóng tới sẽ có sự định hướng vectơ xiên góc, nhưng không vuông góc với trục tinh
thể, và sẽ chỉ bị hấp thụ một phần. Mức độ hấp thụ đối với các sóng ánh sáng xiên
phụ thuộc vào góc dao động mà chúng chạm tới bản phân cực. Những tia nào có góc
đó gần song song với trục tinh thể sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so với những tia có góc
gần vuông góc. Các bộ lọc Palaroid phổ biến nhất (gọi là sêri H) truyền qua chỉ
khoảng 25% chùm ánh sáng tới, nhưng mức độ phân cực của tia truyền qua vượt trên
99%.

Một số ứng dụng, nhất là kính hiển vi ánh sáng phân cực, dựa trên các bản phân cực
vuông góc để xác định chất khúc xạ kép hoặc lưỡng chiết. Khi hai bản phân cực đặt
vuông góc nhau, trục truyền của chúng định hướng vuông góc nhau và ánh sáng
truyền qua 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 phân tích. Lượng ánh sáng hấp thụ của
bộ lọc phân cực lưỡng sắc xác định chính xác bao nhiêu ánh sáng ngẫu nhiên bị dập
tắt khi bản phân cực được dùng trong bản cặp bắt chéo, và thường được gọi là hệ số
dập tắt của bản phân cực. Về mặt định lượng, hệ số dập tắt được xác định bởi tỉ số
của ánh sáng truyền qua bởi cặp phân cực khi trục truyền của chúng định hướng song
song và lượng ánh sáng truyền qua khi đặt chúng vuông góc với nhau. Nói chung, hệ
số dập tắt từ 10.000 đến 100.000 để tạo ra nền đen thẳm và mẫu vật lưỡng chiết dễ
quan sát nhất (và tương phản) trong kính hiển vi quang học phân cực.


Hình 6. Sự truyền ánh sáng phân cực qua bản phân tích

Lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực chất lượng cao bắt chéo được xác định
bằng sự định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản phân cực
định hướng vuông góc nhau, chúng biểu hiện một mức dập tắt cực đại. Tuy nhiên, ở
những góc khác, mức độ dập tắt thay đổi như minh họa bởi biểu đồ vectơ trong hình

6. Bản phân tích được dùng để điểu chỉnh lượng ánh sáng truyền qua cặp bắt chéo, và
có thể quay trong đường đi tia sáng để cho các biên độ khác nhau của ánh sáng phân
cực truyền qua. Trong hình 6a, bản phân cực và bản phân tích có trục truyền song
song nhau và vectơ điện của ánh sáng truyền qua bản phân cực và bản phân tích có
độ lớn bằng nhau và song song với nhau.

Quay trục truyển bản phân tích đi 30 độ so với trục truyền của bản phân cực làm
giảm biên độ của sóng ánh sáng truyền qua cặp bản, như minh họa trong hình 6b.
Trong trường hợp này, ánh sáng phân cực truyền qua bản phân cực có thể phân tích
thành những thành phần nằm ngang và thẳng đứng bằng toán học vectơ để xác định
biên độ của ánh sáng phân cực có thể truyền qua bản phân tích. Biên độ của tia
truyền qua bản phân tích bằng với thành phần vectơ đứng (minh họa là mũi tên màu
vàng trong hình 6b).

Tiếp tục quay trục truyền bản phân tích đến góc 60 so với trục truyền bản phân cực,
làm giảm hơn nữa biên độ của thành phần vectơ truyền qua bản phân tích (hình 6c).
Khi bản phân tích và bản phân cực hoàn toàn chéo góc (góc 90 độ) thì thành phần
thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình 6d) và các bản phân cực thu được giá trị dập
tắt cực đại của chúng.

Lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực có thể được mô tả định lượng bằng
cách áp dụng định luật bình phương cosin Malus, là hàm của góc giữa các trục truyền
bản phân cực:

I = I (o) cos
2
θ
trong đó I là cường độ ánh sáng truyền qua bản phân tích (và toàn bộ lượng ánh sáng
truyền qua cặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cường độ ánh sáng tới trên bản phân
cực, và θ là góc giữa trục truyền của bản phân cực và bản phân tích. Bằng việc giải

phương trình, có thể xác định khi hai bản phân cực chéo góc (θ = 90 độ) thì cường độ
bằng không. Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua bởi bản phân cực bị dập tắt
hoàn toàn bởi bản phân tích. Khi các bản phân cực xiên góc 30 và 60 độ, ánh sáng
truyền qua bởi bản phân tích giảm đi tương ứng là 25% và 75%.


Sự phân cực của ánh sáng tán xạ

Các phân tử chất khí và nước trong bầu khí quyển làm tán xạ ánh sáng từ Mặt Trời
theo mọi hướng, hiệu ứng gây ra bầu trời xanh, những đám mây trắng, hoàng hôn đỏ
rực, và hiện tượng gọi là sự phân cực 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 sóng ánh sáng, như đã được chứng minh bởi huân tước Rayleigh hồi năm 1871.
Những bước sóng dài, như đỏ, cam, vàng không bị tán xạ nhiều như các bước sóng
ngắn, như tím và xanh dương.


Hình 7. Sự phân cực của ánh sáng Mặt Trời tán xạ

Sự phân cực khí quyển là kết quả trực tiếp của sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng Mặt
Trời bởi các phân tử trong khí quyển. Lúc va chạm giữa photon đến từ Mặt Trời và
phân tử chất khí, điện trường từ photon giảm dao động và rồi tái bức xạ ánh sáng
phân cực từ phân tử đó (minh họa trong hình 7). Ánh sáng phát xạ bị tán xạ theo
hướng vuông góc với hướng truyền ánh sáng Mặt Trời, và bị phân cực hoặc dọc, hoặc
ngang, phụ thuộc vào hướng tán xạ. Đa phần ánh sáng phân cực chạm đến Trái Đất
bị phân cực ngang (trên 50%), một sự thật có thể xác nhận bằng cách quan sát bầu
trời qua một bộ lọc Polaroid.

Có những bản báo cáo cho biết một số loài côn trùng và động vật nhất định có khả
năng phát hiện ánh sáng phân cực, gồm các loài kiến, ruồi, và một số loài cá, danh

sách các loài thật ra 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 định vị mục tiêu của chúng. Nhiều
người cũng tin rằng có một số cá nhân nhạy cảm với ánh sáng phân cực và có thể
quan sát thấy một đường chân trời màu vàng chồng lên nền trời xanh khi nhìn chằm
chằm theo hướng vuông góc với hướng của Mặt Trời (một hiện tượng gọi là chổi
Haidinger). Các protein sắc tố vàng, gọi là macula lutea, là những tinh thể lưỡng sắc
cư trú trong hố mắt người, được biết là cho phép người ta nhìn thấy ánh sáng phân
cực.

Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn

Trong ánh sáng phân cực thẳng, vectơ điện trường dao động theo hướng vuông góc
với hướng truyền sáng, như đã nói ở trên. Các nguồn sáng tự nhiên, như ánh sáng
Mặt Trời, và các nguồn sáng nhân tạo, gồm ánh sáng đèn nóng sáng và đèn huỳnh
quang, đều phát ra ánh sáng có vectơ điện định hướng ngẫu nhiên trong không gian
và thời gian. Ánh sáng thuộc loại này gọi là không phân cực. Ngoài ra, cũng tồn tại
một vài trạng thái ánh sáng phân cực elip nằm giữa phân cực thẳng và không phân
cực, trong đó vectơ điện trường có hình dạng elip trong mọi mặt phẳng vuông góc với
hướng truyền sóng ánh sáng.

Sự phân cực elip, không giống như ánh sáng phân cực phẳng và không phân cực, có
“cảm giác” quay theo hướng quay vectơ điện xung quanh trục truyền (tới) của chùm
tia sáng. Khi nhìn từ phía sau lại, hướng phân cực có thể là xoay sang trái hoặc xoay
sang phải, một tính chất gọi là độc khuynh của sự phân cực elip. Sự quét vectơ xoay
theo chiều kim đồng hồ được cho là phân cực phải (thuận), và sự quét vectơ xoay
ngược chiều kim đồng hồ là phân cực trái (nghịch).

Trong trường hợp mà trục chính và trục vectơ phụ của elip phân cực bằng nhau, thì
sóng ánh sáng rơi vào loại ánh sáng phân cực tròn, và có thể phân cực trái hoặc phải.
Một trường hợp nữa thường xảy ra trong đó trục chính của thành phần vectơ điện

trong ánh sáng phân cực elip tiến tới không, và ánh sáng trở nên phân cực thẳng. Mặc
dù mỗi kiểu phân cực có thể thu được trong phòng thí nghiệm với thiết bị quang học
thích hợp, chúng cũng xảy ra trong ánh sáng tự nhiên không phân cực.

Sóng ánh sáng thường và bất thường phát ra khi chùm ánh sáng truyền qua tinh thể
lưỡng chiết có vectơ điện phân cực phẳng vuông góc với nhau. Ngoài ra, do sự giao
thoa trong tương tác điện tử mà mỗi thành phần trải qua trong hành trình của nó đi
qua tinh thể, thường xuất hiện một sự lệch pha giữa hai sóng. Mặc dù sóng thường và
sóng bất thường đi theo quỹ đạo độc lập nhau và tách xa nhau trong tihn thể canxit
đã mô tả ở phần trên, nhưng đây không phải là trường hợp phổ biến đối với những
chất kết tinh có một trục quang vuông góc với mặt phẳng chiếu sáng tới.


Hình 8. Sóng ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn

Một loại chất đặc biệt, gọi là đĩa bù hoặc đĩa trễ, khá có ích trong việc tạo ra ánh sáng
phân cực elip và phân cực tròn cho một số ứng dụng, như kính hiển vi quang học
phân cực. Những chất lưỡng chiết này được chọn bởi vì, khi trục quang của chúng đặt
vuông góc với chùm tia sáng tới, thì các tia sáng thường và bất thường đi theo quỹ
đạo giống hệt nhau và biểu hiện sự lệch pha phụ thuộc vào mức độ lưỡng chiết. Vì
cặp sóng trực giao bị chồng chất, nên có thể xem là một sóng có các thành phần
vectơ điện vuông góc với nhau cách nhau bởi một sự chênh lệch nhỏ về pha. Khi các
vectơ kết hợp bằng cách cộng lại đơn giản trong không gian ba chiều, sóng thu được
trở thành bị phân cực elip.

Ý tưởng này được minh họa trong hình 8, trong đó vectơ điện tổng hợp không dao
động trong một mặt phẳng, mà quay dần xung quanh trục truyền sóng ánh sáng,
quét thành quỹ đạo elip xuất hiện dưới dạng đường xoắn ốc khi sóng được nhìn từ
một góc nào đó. Độ lớn của sự lệch pha giữa sóng thường và sóng bất thường (có
cùng biên độ) xác định vectơ quét thành elip hay đường tròn khi sóng được nhìn từ

phía sau của hướng truyền sóng. Nếu độ lệch pha là 1/4 hoặc 3/4 bước sóng, thì
vectơ tổng hợp vẽ nên xoắn ốc tròn. Tuy nhiên, độ lệch pha là 1/2 hoặc nguyên bước
sóng thì tạo ra ánh sáng phân cực thẳng, và tất cả những độ lệch pha khác quét nên
những hình dáng khác nhau của elip.

Khi sóng thường và sóng bất thường đi ra khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng dao động
trong những mặt phẳng vuông góc nhau có cường độ tổng hợp bằng tổng cường độ
thành phần của chúng. Do sóng phân cực có vectơ điện dao động trong những mặt
phẳng vuông góc, nên các sóng có khả năng chịu sự giao thoa. Thực tế này có hệ quả
là khả năng sử dụng chất lưỡng chiết tạo ra hình ảnh. Giao thoa chỉ có thể xảy ra khi
vectơ điện của hai sóng dao động trong cùng mặt phẳng trong suốt quá trình giao
nhau để tạo ra sự thay đổi biên độ của sóng tổng hợp (một yêu cầu đối với sự tạo
ảnh). Do đó, các vật trong suốt lưỡng chiết vẫn không nhìn thấy được, trừ khi chúng
được xác định giữa các bản phân cực chéo nhau, chỉ truyền qua các thành phần sóng
phân cực elip và phân cực tròn song song với bản phân cực gần người quan sát nhất.
Những thành phần này có thể tạo ra các dao động biên độ gây ra độ tương phản và ló
ra khỏi bản phân cực dưới dạng ánh sáng phân cực thẳng.


Ứng dụng của ánh sáng phân cực

Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cực là sự hiển thị
tinh thể lỏng (LCD) dùng trong hàng loạt dụng cụ như đồng hồ đeo tay, màn hình
máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tường và nhiều vật dụng khác. Các hệ hiển
thị này dựa trên sự tương tác của các phân tử kết tinh chất lỏng dạng que với điện
trường và sóng ánh sáng phân cực. Pha tinh thể lỏng tồn tại ở trạng thái cơ bản được
gọi là cholesteric, trong đó các phân tử định hướng thành lớp, và mỗi lớp 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, sóng đó bị “xoắn lại” một góc gần 90 độ so với sóng
tới. Độ lớn chính xác của góc này là hàm mũ của pha tinh thể lỏng cholesteric, nó phụ

thuộc vào thành phần hóa học của các phân tử (có thể được điều chỉnh tinh tế bằng
sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc phân tử).


Hình 9. Hiển thị tinh thể lỏng 7 đoạn (LCD)

Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản của tinh thể lỏng với các dụng cụ hiển thị có thể
tìm thấy trong sự hiển thị số tinh thể lỏng 7 đoạn (minh họa trong hình 9). Ở đây,
pha tinh thể lỏng nằm kẹp giữa hai đĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự như miêu
tả trong hình. Trong hình 9, các đĩa thủy tinh định hình với 7 điện cực màu đen có thể
tích điện riêng rẽ (những điện cực này là trong suốt đối với ánh sáng trong dụng cụ
thực). Ánh sáng truyền qua bản phân cực 1 bị phân cực theo chiều đứng và, khi
không có dòng điện áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng gây ra góc “xoắn” 90 độ
của ánh sáng cho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2 bị phân cực ngang
và định hướng vuông góc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi đó có thể tạo nên một
trong bảy đoạn trên màn hiển thị.

Khi dòng điện được áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng sắp thẳng hàng với dòng
điện và mất đi đặc trưng xoắn ốc cholesteric. Ánh sáng truyền qua một điện cực tích
điện không bị xoắn và bị chặn lại bởi bản phân cực 2. Bằng cách phối hợp điện thế
trên bảy điện cực dương và âm, màn hiển thị có khả năng biểu diễn các số từ 0 đến 9.
Trong ví 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, cho phép tạo ra số “2” trên màn hiển thị (nhìn
ngược lại trong hình 9).

Hiện tượng hoạt tính quang học trong những chất nhất định có nguyên nhân từ khả
năng của chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Thuộc loại này là nhiều
loại đường, amino acid, các sản phẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất định và một
số chất dùng làm thuốc uống. Độ quay được đo bằng cách đặt một dung dịch hóa chất
mục tiêu giữa hai bản phân cực bắt chéo trong thiết bị có tên là máy nghiệm phân

cực. Được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà vật lí người Pháp
Dominique Arago, hoạt tính quang học đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình
sinh hóa đa dạng, trong đó hình học cấu trúc của phân tử chi phối sự tương tác của
chúng. Các hóa chất làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực theo chiều
kim đồng hồ được gọi là dextrorotatory levorotatory. Hai hóa chất có cùng công thức
phân tử nhưng khác nhau về tính chất quang học được gọi là đồng phân quang học,
chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực theo những hướng khác nhau.

Các tinh thể không đối xứng có thể được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực khi áp
điện trường vào bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởng này có tên là tế
bào Pockels, có thể dùng chung với ánh sáng phân cực làm thay đổi hướng phân cực
đi 90 độ. Tế bào Pockels có thể bật và tắt rất nhanh bằng dòng điện và thường được
dùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi qua trong khoảng thời gian rất ngắn
(cỡ nano giây). Hình 10 biểu diễn sự truyền ánh sáng phân cực qua tế bào Pockels
(sóng màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh và đỏ phát ra từ vùng giữa của tế bào biểu
diễn cho ánh sáng phân cực đứng hoặc ngang. Khi tế bào tắt, ánh sáng phân cực
không ảnh hưởng gì khi nó truyền qua (sóng màu xanh), nhưng khi tế bào hoạt động
hoặc mở, vectơ điện của chùm ánh sáng lệch đi 90 độ (sóng màu đỏ). Trong trường
hợp có điện trường cực lớn, các phân tử của chất lỏng và chất khí nhất định có thể xử
sự như tinh thể dị hướng và sắp thẳng hàng theo kiểu tương tự. Tế bào Kerr, thiết kế
dùng chất lỏng và chất khí gia dụng thay cho các tinh thể, cũng hoạt động trên cơ sở
làm thay đổi góc ánh sáng phân cực.


Hình 10. Cấu trúc của tế bào Pockels

Những ứng dụng khác của ánh sáng phân cực bao gồm những chiếc kính râm Polaroid
đã nói ở trên, cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt dùng cho thấu kính
camera. Nhiều thiết bị khoa học đa dạng sử dụng ánh sáng phân cực, hoặc phát ra
bởi laser, hoặc qua sự phân cực của các nguồn nóng sáng và huỳnh quang bằng nhiều

kĩ thuật khác nhau. Các bản phân cực đôi khi được sử dụng trong phòng và chiếu
sáng sân khấu để làm giảm ánh chói và tăng độ rọi sáng, và mang kính để cảm nhận
chiều sâu với những bộ phim ba chiều. Các bản phân cực bắt chéo còn được dùng
trong bộ quần áo du hành vũ trụ để làm giảm đột ngột khả năng ánh sáng phát ra từ
Mặt Trời đi vào mắt của nhà du hành vũ trụ trong lúc ngủ.

Sự phân cực ánh sáng rất có ích trong nhiều mặt của kính hiển vi quang học. Kính
hiển vi ánh sáng phân cực được thiết kế dành cho quan sát và chụp ảnh các vật nhìn
thấy được chủ yếu do đặc trưng bất đẳng hướng về mặt quang học của chúng. Các
chất dị hướng có tính chất quang học thay đổi theo hướng truyền của ánh sáng đi qua
chúng. Để hoàn thành công việc này, kính hiển vi phải được trang bị cả bản phân cực,
đặt trong đường đi của tia sáng trước mẫu vật, và bản phân tích (bản phân cực thứ
hai), đặt trong quang trình giữa lỗ sau vật kính và ống quan sát hoặc cổng camera.

Sự tương phản ảnh tăng lên do sự tương tác của ánh sáng phân cực phẳng với chất
lưỡng chiết (hoặc khúc xạ kép), tạo ra hai thành phần sóng riêng rẽ phân cực trong
những mặt phẳng vuông góc với nhau. Vận tốc của các thành phần này khác nhau và
thay đổi theo hướng truyền ánh sáng qua vật. Sau khi ra khỏi vật, các thành phần
ánh sáng lệch pha nhau và quét nên một hình elip vuông góc với hướng truyền,
nhưng kết hợp lại qua sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu khi chúng truyền qua bản
phân tích. Kính hiển vi ánh sáng phân cực là kĩ thuật nâng cao độ tương phản cải
thiện chất lượng ảnh thu được với chất lưỡng chiết khi so với những kĩ thuật khác như
sự chiếu sáng trường tối và trường sáng, tương phản giao thoa vi sai, tương phản
pha, tương phản điều biến Hoffman, và sự huỳnh quang. Ngoài ra, việc sử dụng phân
cực cũng cho phép đo đạc những tính chất quang học của khoáng vật và các chất
tương tự và có thể giúp phân loại và nhận dạng các chất chưa biết.

Tác giả: Douglas B. Murphy, Kenneth R. Spring, Micheal W. Davidson (
)
Trong chuyên luận năm 1704 của ông về lí thuyết của các hiện tượng quang học,

Isaac Newton đã viết: “ánh sáng không bao giờ đi theo đường quanh co hoặc bẻ cong
thành bóng đổ”. Ông giải thích quan trắc này bằng việc mô tả các hạt ánh sáng luôn
luôn đi theo đường thẳng như thế nào, và các vật nằm trong đường đi của các hạt ánh
sáng tạo ra bóng đổ như thế nào do các hạt không thể trải ra phía sau vật.

Hình 1. Nhiễu xạ ánh sáng đỏ bởi cách tử

Ở quy mô lớn, giả thuyết này được củng cố bởi các cạnh có vẻ sắc nhọn của bóng đổ
gây ra bởi các tia sáng Mặt Trời. Tuy nhiên, ở quy mô nhỏ hơn nhiều, khi ánh sáng
truyền qua gần một rào chắn, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh rào chắn và
trải ra theo góc xiên. Hiện tượng này gọi là sự nhiễu xạ ánh sáng, và xảy ra khi sóng
ánh sáng truyền rất gần mép của một vật hoặc qua một lỗ nhỏ, ví dụ một khe hoặc
một lỗ nhỏ. Ánh sáng truyền qua lỗ một phần là do tương tác với các mép của vật.
Một ví dụ nhiễu xạ ánh sáng biểu thị trong hình 1 cho ánh sáng laser đỏ kết hợp
truyền qua một cách tử vạch rất nhỏ gồm một dải vạch trên mặt kính hiển vi thủy
tinh. Các vạch làm nhiễu xạ ánh sáng laser thành các chùm sáng chói cách nhau đều
đặn có thể nhìn thấy trên hình. Nhiễu xạ là hiện tượng tương tự với tán sắc, nhưng
không liên quan đến sự biến đổi bước sóng ánh sáng.

Những dải sáng thường nhìn thấy nằm trong mép của bóng hình học là kết quả của sự
nhiễu xạ. Khi sóng ánh sáng truyền từ một điểm sáng ở xa chạm phải một vật không
trong suốt, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh các mép, uốn cong cả vào vùng
bóng đổ và quay trở lại qua đường đi của ánh sáng khác xuất phát từ cùng nguồn.
Các sóng uốn cong ra phía sau vật tạo ra một vạch sáng, nơi bóng đổ thông thường
bắt đầu, nhưng sóng cũng nảy trở lại vào đường đi của sóng ánh sáng chồng chất
phát ra từ cùng nguồn, tạo ra hình ảnh giao thoa ánh sáng và dải tối xung quanh mép
của vật (xem hình 2). Nhiễu xạ thường được giải thích bằng nguyên lí Huygens, phát
biểu rằng mỗi điểm trên mặt đầu sóng có thể xem là một nguồn phát sóng mới.

Phụ thuộc vào trường hợp xảy ra hiện tượng, nhiễu xạ có thể được nhận thấy ở nhiều

kiểu khác nhau. Các nhà khoa học đã khéo léo sử dụng sự nhiễu xạ của neutron và tia
X để làm sáng tỏ sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong những tinh thể ion nhỏ, các
phân tử, và cả những cấu trúc phân tử vĩ mô lớn như thế, như protein và acid nucleic.
Nhiễu xạ electron thường được sử dụng để xác định các cấu trúc tuần tự của virus,
màng, và những cơ thể sinh vật khác, cũng như các vật liệu có sẵn trong tự nhiên và
vật liệu tổng hợp nhân tạo. Không có loại ống kính có sẵn nào sẽ hội tụ neutron và tia
X thành hình ảnh, nên các nhà nghiên cứu phải khôi phục hình ảnh phân tử và protein
từ đặc trưng nhiễu xạ bằng phép phân tích toán học phức tạp. May thay, thấu kính từ
có khả năng hội tụ electron nhiễu xạ trong kính hiển vi điện tử, và thấu kính thủy tinh
rất có ích cho việc tập trung ánh sáng nhiễu xạ tạo thành hình ảnh quang học có thể
dễ dàng nhìn thấy.

Một minh chứng rất đơn giản của sự nhiễu xạ ánh sáng có thể kiểm tra bằng cách đưa
một cánh tay ra phía trước một nguồn sáng mạnh và từ từ khép hai ngón tay lại gần
nhau trong khi quan sát ánh sáng truyền qua giữa chúng. Khi các ngón tay tiến tới
gần nhau ở rất sít nhau (gần như tiếp xúc), người ta có thể bắt đầu nhìn thấy một dải
vạch tối song song với các ngón tay. Các vạch tối song song cùng với khu vực sáng ở
giữa chúng thật ra là hình ảnh nhiễu xạ. Hiệu ứng này được chứng minh rõ ràng trong
hình 2, cho các vòng nhiễu xạ xuất hiện xung quanh các mép sắc nhọn của một lưỡi
dao cạo khi nó được chiếu sáng với nguồn ánh sáng xanh mạnh phát ra từ một nguồn
laser.


Hình 2. Sự nhiễu xạ ánh sáng bởi lưỡi dao cạo

Một ví dụ đơn giản khác, những rất phổ biến, của sự nhiễu xạ xảy ra khi ánh sáng tán
xạ hoặc bị bẻ cong bởi các hạt nhỏ có kích thước vật lí cùng bậc độ lớn với bước sóng
ánh sáng. Một ví dụ tốt là sự trải rộng ra của chùm ánh sáng đèn pha ô tô bởi sương
mù hoặc các hạt bụi mịn. Lượng tán xạ và góc mở rộng của chùm sáng phụ thuộc vào
kích thước và mật độ các hạt gây ra sự nhiễu xạ. Sự tán xạ ánh sáng, một hình thức

nhiễu xạ, cũng là nguyên nhân tạo ra màu xanh của bầu trời và cảnh bình minh và
hoàng hôn thường rực rỡ có thể thấy ở phía chân trời. Nếu như Trái Đất không có bầu
khí quyển (không có không khí, nước, bụi và các mảnh vụn) thì bầu trời sẽ có màu
đen, kể cả vào ban ngày. Khi ánh sáng từ Mặt Trời truyền qua bầu khí quyển của Trái
Đất, những khối phân tử không khí riêng biệt có mật độ biến thiên, do các dao động
nhiệt và sự có mặt của hơi nước, sẽ làm tán xạ ánh sáng. Những bước sóng ngắn nhất
(tím và xanh dương) bị tán xạ nhiều nhất, làm cho bầu trời có màu xanh thẩm. Khi có
một lượng đáng kể bụi hoặc hơi ẩm trong không khí, thì các bước sóng dài (chủ yếu là
màu đỏ) cũng bị tán xạ cùng với bước sóng xanh dương, làm cho bầu trời xanh trong
có vẻ trắng hơn.

Khi Mặt Trời ở trên cao (khoảng giữa trưa) trong bầu khí quyển khô, trong trẻo, đa số
ánh sáng khả kiến truyền qua bầu khí quyển không bị tán xạ đáng kể, và Mặt Trời có
vẻ như trắng trên nền trời xanh thẩm. Khi Mặt Trời bắt đầu lặn, sóng ánh sáng phải
truyền qua lượng nhiều hơn của bầu khí quyển, thường chứa một số lượng lớn các hạt
bụi lơ lửng và hơi ẩm. Dưới những điều kiện này, những bước sóng dài hơn của ánh
sáng trở nên bị tán xạ và những màu khác bắt đầu lấn át màu của Mặt Trời, biến đổi
từ vàng sang cam, cuối cùng chuyển sang đỏ trước khi nó lặn khuất dưới đường chân
trời.

Chúng ta có thể thường thấy những sắc thái xanh dương, hồng, tía và xanh lá ở các
đám mây, phát sinh bởi sự kết hợp của các hiệu ứng khi ánh sáng bị khúc xạ và nhiễu
xạ từ những giọt nước trong các đám mây đó. Lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào bước
sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn bị nhiễu xạ ở góc càng lớn so với bước sóng dài
(trong thực tế, ánh sáng xanh dương và tím bị nhiễu xạ ở góc lớn hơn so với ánh sáng
đỏ). Thuật ngữ nhiễu xạ và tán xạ cũng thường được dùng hoán đổi nhau và có thể
xem gần như là tương đương trong nhiều trường hợp. Sự nhiễu xạ mô tả một trường
hợp đặc biệt của sự tán xạ ánh sáng trong đó một vật có các đặc trưng lặp lại đều đặn
(ví dụ như vật tuần hoàn hoặc cách tử nhiễu xạ) tạo ra hình ảnh nhiễu xạ có trật tự.
Trong thế giới thực, đa số các vật có hình dạng rất phức tạp và phải được xem là gồm

nhiều đặc trưng nhiễu xạ riêng rẽ có thể cùng tạo ra một sự tán xạ ánh sáng ngẫu
nhiên.

Trong kính hiển vi, sự tán xạ hoặc nhiễu xạ ánh sáng có thể xảy ra tại mặt phẳng đặt
mẫu vật do tương tác của ánh sáng với các hạt hoặc đặc trưng nhỏ, và lại ở rìa của
vật kính hoặc tại mép của lỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sau vật kính. Sự nhiễu xạ,
hay sự trải rộng ánh sáng này cho phép người ta quan sát được hình ảnh phóng to
của mẫu vật trong kính hiển vi, tuy nhiên, sự nhiễu xạ cũng giới hạn kích thước của
vật thể có thể phân giải được. Nếu ánh sáng truyền qua một mẫu vật và nó không bị
hấp thụ hoặc nhiễu xạ thì mẫu vật sẽ không nhìn thấy được khi xem qua thị kính.
Cách thức ảnh được tạo ra trong kính hiển vi phụ thuộc sự nhiễu xạ ánh sáng thành
các sóng phân kì, rồi chúng tái kết hợp thành hình ảnh phóng đại qua sự giao thoa
tăng cường và triệt tiêu.

Khi chúng ta quan sát mẫu vật, trực tiếp hoặc với kính hiển vi, kính thiên văn, hay
thiết bị quang nào khác, hình ảnh chúng ta nhìn thấy gồm vô số điểm sáng chồng
chất tỏa ra từ bể mặt của mẫu vật đó. Do đó, sự xuất hiện và tính toàn vẹn của hình
ảnh từ một điểm sáng nào đó giữ một vai trò quan trọng đối với sự tạo ảnh toàn thể.
Do các tia sáng tạo ảnh bị nhiễu xạ, nên một điểm sáng thật sự chưa bao giờ được
thấy là một điểm trong kính hiển vi, mà là một hình ảnh nhiễu xạ gồm một đĩa hoặc
một đốm sáng ở giữa có đường kính hạn chế và bao quanh là các vòng nhạt dần. Hệ
quả là ảnh của mẫu vật chưa bao giờ là hiện thân chính xác của mẫu vật, và đặt ra
giới hạn dưới về những chi tiết nhỏ nhất trong mẫu vật có thể được phân giải. Năng
suất phân giải là khả năng của một thiết bị quang học tạo ra hình ảnh tách biệt nhau
rõ rệt của hai điểm ở gần kề nhau. Tính đến điểm mà ở đó sự nhiễu xạ làm cho độ
phân giải bị giới hạn, thì chất lượng của thấu kính và gương trong thiết bị, cũng như
tính chất của môi trường xung quanh (thường là không khí) xác định độ phân giải cuối
cùng.

Một vài thí nghiệm cổ điển và cơ bản nhất giúp giải thích sự nhiễu xạ ánh sáng được

nêu ra lần đầu tiên giữa cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người Italia
Francesco Grimaldi, nhà khoa học người Pháp Augustin Fresnel, nhà vật lí người Anh
Thomas Young, và một vài nhà nghiên cứu khác. Những thí nghiệm này bao hàm sự
truyền sóng ánh sáng qua một khe (lỗ) rất nhỏ, và chứng minh rằng khi ánh sáng
truyền qua khe, kích thước vật lí của khe xác định cách thức khe tương tác với ánh
sáng. Nếu bước sóng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với bề rộng lỗ hoặc khe, thì sóng
ánh sáng đơn giản là truyền tới trước theo đường thẳng sau khi đi qua như thể không
có lỗ ở đó (như biểu diễn trong hình 3). Tuy nhiên, khi bước sóng vượt quá kích thước
của khe, sự nhiễu ánh sáng xuất hiện, làm hình thành hình ảnh nhiễu xạ gồm một
phần sáng ở giữa (cực đại chính), bao quanh ở hai phía là dải cực đại thứ cấp cách
nhau bởi những vùng tối (cực tiểu, xem hình 4). Cực đại và cực tiểu được tạo ra bởi
sự giao thoa của sóng ánh sáng nhiễu xạ. Mỗi dải sáng kế tiếp trở nên kém sáng hơn
dải phía trước, tính từ cực đại trung tâm ra. Độ rộng của phần sáng trung tâm và
khoảng cách giữa các dải sáng tương ứng, phụ thuộc vào kích thước của lỗ (khe) và
bước sóng ánh sáng. Mối quan hệ này có thể mô tả bằng toán học và chứng minh độ
rộng của cực đại trung tâm giảm khi bước sóng giảm và chiễu rộng lỗ tăng, nhưng có
thể chưa bao giờ giảm đến kích thước của nguồn sáng điểm.


Hình 3. Nhiễu xạ ánh sáng qua một lỗ nhỏ

Sự phân bố cường độ ánh sáng nhiễu xạ bởi thí nghiệm khe đơn được biểu diễn trên
hình 3 và 4. Giả sử cả hai chùm ánh sáng trong hình 3 là gồm các sóng ánh sáng kết
hợp, đơn sắc phát ra từ một nguồn điểm cách khe đủ xa để các mặt đầu sóng có thể
xem là những đường thẳng song song nhau. Ánh sáng truyền qua lỗ d trong phần bên
phải của hình có bước sóng lớn hơn lỗ và bị nhiễu xạ với chùm sáng tới chủ yếu tại
điểm P và cực đại thứ cấp đầu tiên xuất hiện tại điểm Q. Như đã chỉ rõ trong phần
bên trái của hình 3, khi bước sóng nhỏ hơn nhiều so với bề rộng lỗ (d) thì sóng truyền
đơn giản qua lỗ theo đường thẳng như thể một hạt hoặc không có lỗ ở đó. Tuy nhiên,
khi bước sóng vượt quá kích thước của lỗ, nó bị nhiễu xạ, tạo ra cực đại trung tâm

chứa đa số cường độ ánh sáng, cùng với cực đại thứ cấp bậc cao và cực tiểu cường độ
chi phối theo phương trình

sin (θ) = mλ/d

trong đó θ là góc giữa hướng truyền tới trung tâm và cực tiểu đầu tiên của hình ảnh
nhiễu xạ, và m biểu thị dãy số cực đại bậc cao. Cường độ ánh sáng cực đại tại θ bằng
0 độ, và giảm đến cực tiểu (cường độ bằng 0) tại góc chi phối bởi phương trình ở trên.
Thí nghiệm tạo ra một cực đại sáng trung tâm, bao quanh ở hai phía là các cực đại
thứ cấp, với cường độ của mỗi cực đại thứ cấp giảm khi khoảng cách tính từ trung
tâm tăng lên. Hình 4 minh họa nguyên lí này với đồ thị cường độ chùm đối với bán
kính nhiễu xạ. Lưu ý rằng các cực tiểu xuất hiện giữa các cực đại thứ cấp nằm ở vị trí
bội của pi (π).



Hình 4. Sự phân bố cường độ của ánh sáng nhiễu xạ

Cả hai thí nghiệm mô tả ở trên, và chứng minh sự nhiễu xạ bằng ánh sáng truyền
giữa các ngón tay, đều sử dụng khe hẹp hoặc lỗ nhỏ để tạo ra hình ảnh nhiễu xạ. Tất
cả các thiết bị quang học, kể cả kính hiển vi, đều sử dụng các thấu kính tròn và lỗ
nhỏ, giống như cấu tạo của mắt con người vậy. Lỗ tròn tạo ra hiện tượng nhiễu xạ
tương tự, mặc dù có sự đối xứng tâm (thay vì hình học tuyến tính, như trường hợp
các khe). Vì vậy, hình ảnh nhiễu xạ của một nguồn sáng điểm, nếu phóng đại, sẽ
được thấy là gồm một đĩa sáng trung tâm bao quanh bởi dải vòng nhiễu xạ (cực đại
thứ cấp và cực tiểu). Khi một thấu kính, như vật kính của kính hiển vi, là hoàn toàn
hội tụ, thì cường độ sóng tại cực tiểu giữa các vòng sáng trong hình ảnh nhiễu xạ là
bằng không. Bất kể mức độ hoàn hảo của thấu kính, cực đại nhiễu xạ thứ cấp không
thể bị loại trừ cũng như không thể làm giảm đốm sáng trung tâm thành một điểm
sóng (trừ khi thấu kính được chế tạo có đường kính vô hạn).

Đốm hay đĩa nhiễu xạ trung tâm được gọi là đĩa Airy, đặt theo tên George Airy, người
đã mô tả nhiều khía cạnh của khái niệm nhiễu xạ trong thế kỉ 19. Hình ảnh đĩa Airy
(minh họa trong hình 5) là kết quả trực tiếp của sự nhiễu xạ, và chứng minh sự biến
đổi các điểm sáng tạo nên hình ảnh bằng thiết bị quang, như kính hiển vi chẳng hạn.
Theo cách tương tự như sự nhiễu xạ bởi một khe, kích thước của đĩa trung tâm tạo ra
bởi thấu kính tròn liên quan tới bước sóng của ánh sáng và đường kính hoặc khẩu độ
của thấu kính. Trong trường hợp camera hoặc kính viễn vọng, thấu kính nhận ánh
sáng từ một vật ở khoảng cách xa (vô hạn) nên khẩu độ phụ thuộc vào tỉ số tiêu f/D,
trong đó D là đường kính của thấu kính, và f là tiêu cự. Tỉ số tiêu thường được nhắc
tới trong nhiếp ảnh là số f của thấu kính. Khẩu độ có thể được xem là đường kính góc
của thấu kính, đo từ một điểm tham chiếu tại lỗ thấu kính đến một điểm trong mặt
phẳng ảnh đặt cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cực (f). Bán kính của đĩa nhiễu
xạ (d) cho bởi công thức sau:

d = 1,22 . λ (f/D)

Với vật kính dùng trong kính hiển vi, khái niệm khẩu độ số (NA) được dùng thay cho
khẩu độ góc. Định nghĩa khẩu độ số bao gồm chiết suất của môi trường nằm giữa
phía trước của thấu kính và bàn kính đặt mẫu vật của kính hiển vi, và nửa góc mà
thấu kính có thể thu nhận ánh sáng từ mẫu vật ở gần đặt tại khoảng cách tiêu. Sử
dụng biến n chỉ chiết suất, và θ là nửa khẩu độ góc, khẩu độ số của vật kính kính hiển
vi được định nghĩa là

NA = n . sin (θ)

Bán kính của đốm nhiễu xạ (r) đối với một điểm sáng trong mặt phẳng ảnh (xem hình
4) cho bởi

r = 1,22 . λ (2NA)

Hình ảnh đĩa Airy, cùng với các hàm rải điểm, ở ba độ phân giải giả thuyết, biểu diễn
trong hình 5. Hàm rải điểm là một biểu diễn ba chiều của hình ảnh nhiễu xạ xuất hiện
dọc theo trục quang của kính hiển vi. Khi độ phân giải tăng, kích thước đĩa Airy giảm
và hàm rải điểm tương ứng thu hẹp lại. Điều này có thể chứng minh khi quan sát hình
bằng cách so sánh đĩa Airy và hàm rải điểm ở hình (a), biểu diễn độ phân giải thấp
nhất, với hình (c), có độ phân giải cao nhất trong nhóm. Về mặt thực nghiệm, có thể
làm tăng độ phân giải bằng cách giảm bước sóng ánh sáng sử dụng để tạo ảnh mẫu
vật (ví dụ, từ ánh sáng trắng sang ánh sáng xanh dương), hoặc tăng khẩu độ số của
vật kính và sự kết hợp tụ sáng. Dưới đa số trường hợp, việc chọn một vật kính có
khẩu độ số cao để làm tăng độ phân giải ảnh tạo bởi kính hiển vi thì dễ dàng và thực
tế hơn nhiều.


Hình 5. Hình ảnh đĩa Airy và PFS từ nhiễu xạ

Cho dù ảnh được tạo bởi kính hiển vi hoặc bất cứ thiết bị quang nào khác, thì kích
thước của đốm sáng nhiễu xạ trở nên nhỏ hơn khi bước sóng giảm hoặc khẩu độ số
tăng, nhưng luôn luôn còn lại một cái đĩa lớn hơn điểm sáng phát ra từ mẫu vật (hoặc
đối tượng khác) được ghi ảnh. Trong việc đánh giá độ phân giải khả dĩ với kính hiển
vi, nếu như kích thước của từng đốm sáng là nhân tố giới hạn (chứ không phải sự
quang sai của thấu kính hay các biến khác), thì ảnh thu được được gọi là nhiễu xạ giới
hạn. Vì vậy, đối với bất kì thiết bị quang nào, khả năng tập trung ánh sáng được giữ
cố định bởi góc mở hay khẩu độ số, và độ phân giải thu được được điều khiển bởi sự
thay đổi những giá trị này và bước sóng của ánh sáng dùng cho việc ghi ảnh để thu
được kích thước đĩa nhiễu xạ nhỏ nhất có thể có với thiết bị đó. Chỉ khi nào những chi
tiết của mẫu vật nhìn trong ảnh lớn hơn kích thước đĩa giới hạn này, thì người ta mới
có thể kết luận về kích thước, hình dạng, và sự sắp xếp đặc trưng của chúng.

Tác giả: Thomas J. Fellers Michael W. Davidson ( )

hiepkhachquay dịch