Nghiên cứu ứng dụng của sự phân cực ánh sáng

MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Ánh sáng được coi là người bạn thân thiết, gần gũi của con người trong
mọi hoạt động hàng ngày. Đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là
một điều hiển nhiên và tự nhiên. Con người đã không ngừng tìm hiểu về nguồn
gốc của ánh sáng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế
nào? vô vàn câu hỏi và những thắc mắc mà con người đã đặt ra cho ánh sáng.
Đến thế kỷ XX con người mới thực sự có được cái nhìn đúng đắn hơn về ánh
sáng. Có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về nhiều khía cạnh của ánh sáng
như: Huyghens - cha đẻ của lý thuyết sóng ánh sáng; Newton - ánh sáng là hạt,
… Những hiện tượng liên quán đến ánh sáng bao gồm: Khúc xạ, phản xạ, giao
thoa, nhiễu xạ,…và đặc biệt là sự phân cực ánh sáng.
Sự phân cực ánh sáng được rất nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu
vì nó mang lại nhiều ứng dụng hiệu quả đối với thực tiễn cuộc sống của con
người và khoa học công nghệ. Những nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng này có
thể nói gần như là hoàn thiện và có thể tìm thấy ở bất kỳ một giáo trình Quang
học nào. Con người đã biết thế nào là ánh sáng phân cực, cách tạo ra ánh sáng
phân cực, ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, các dụng cụ phân cực ánh
sáng. Tuy nhiên những tài liệu viết về những ứng dụng của nó còn khá khiêm
tốn nhất là những ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và thực tiễn.
Có một số tác giả cũng viết về vấn đề này như: Nguyễn Thị Hảo, [3] hay
Nguyễn Ngọc Vân Tâm, [7], Nhưng họ cũng chỉ tập trung nhiều vào làm rõ sự
phân cực ánh sáng về mặt lý thuyết hay chỉ nêu ra các ứng dụng một số ứng
dụng của sự phân cực ánh sáng (kính phân cực, màn hình tinh thể lỏng LCD,…)
mà không đi sâu vào tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên lý để tạo ra các sản
phẩm đó.
1
2. Tính cấp thiết của đề tài
Sự phân cực ánh sáng là một nội dung quan trọng khi nghiên cứu về ánh
sáng. Trong các giáo trình quang học, sự phân cực ánh sáng được dành ra hẳn
một chương để bàn luận về các vấn đề thế nào là ánh sáng phân cực, cách nhận

biết đâu là ánh sáng phân cực, cách tạo ra ánh sáng phân cực, sự giao thoa của
ánh sáng phân cực, sự quay mặt phẳng phân cực,… Trên thực tế sự phân cực
ánh sáng có rất nhiều ứng dụng mà con người cũng đã được biết đến nhưng
những tài liệu mang tính hệ thống viết về những ứng dụng này chưa nhiều.
Đối với sinh viên sư phạm Vật lí nói chung và sinh viên sư phạm Vật lí ở
trường Đại học Hùng Vương nói riêng, trong quá trình học tập việc gắn những
kiến thức lí thuyết với ứng dụng thực tế của những kiến thức đó là một yêu cầu
quan trọng. Nó giúp nhóm đề tài cũng như các bạn sinh viên ghi nhớ kiến thức
tốt hơn, tạo hứng thú, yêu thích môn học hơn, khi nghiên cứu về sự phân cực
ánh sáng cũng vậy. Những thông tin chi tiết hơn nữa về ứng dụng của hiện
tượng này trong đời sống và kĩ thuật sẽ giúp chúng ta thấy được ý nghĩa to lớn
của hiện tượng và hiểu về hiện tượng một cách sâu sắc hơn.
Từ những lí do trên, với mong muốn hiểu sâu và rõ hơn những ứng dụng
của hiện tượng quang học trong thực tế, tập hợp được một tài liệu nhằm giới
thiệu được cho người đọc những thông tin chi tiết hơn về những ứng dụng của
hiện tượng phân cực ánh sáng, nhóm đề tài lựa chọn "Nghiên cứu ứng dụng
của sự phân cực ánh sáng" làm đề tài nghiên cứu.
Trên cơ sở nghiên cứu về ứng dụng của sự phân cực ánh sáng đề tài của
chúng tôi muốn đóng góp:
+ Về mặt lý luận: Cho thấy ý nghĩa của hiện tượng vật lý này trong đời
sống, khoa học và kĩ thuật thông qua những ứng dụng cụ thể.
+ Về mặt thực tiễn: Cung cấp một tài liệu tốt cho sinh viên sư phạm nói
riêng trong quá trình học tập môn Quang học, với người học được hiểu rõ hơn
về những ứng dụng trong những lĩnh vực công nghệ xung quanh mình (kính lọc
phân cực, công nghệ trình chiếu phim 3D…)
2
3. Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài
3.1. Mục tiêu của đề tài
Hệ thống được những ứng dụng của hiện tượng phân cực ánh sáng trong
đời sống và trong khoa học công nghệ và phân tích, giải thích được nguyên tắc

cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của các ứng dụng này.
3.2. Nhiệm vụ của đề tài
+ Tìm hiểu những lý thuyết về sự phân cực ánh sáng;
+ Tìm hiểu những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống, kĩ
thuật, khoa học và công nghệ;
+ Phân phân tích, giải thích được nguyên tắc cấu tạo cũng như nguyên tắc
hoạt động của các ứng dụng.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sự phân cực ánh sáng.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung vào việc tìm hiểu những ứng dụng của sự phân cực
ánh sáng trong đời sống và khoa học công nghệ.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Tập trung tìm hiểu những vấn đề tổng quan về sự phân cực
ánh sáng như: Thế nào là sự phân cực ánh sáng? Cách tạo ra ánh sáng phân cực,
ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, giao thoa của ánh sáng phân cực,…
- Nội dung 2: Tìm hiểu về những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng
trong đời sống (như: kính râm phân cực, màn hình chống chói trên điện thoại di
động,…) và trong khoa học công nghệ (như Kính hiển vi phân cực, màn hình
tinh thể lỏng,…).
Trên cơ sở nội dung nghiên cứu chúng tôi dự kiến cấu trúc của đề tài gồm
những phần như sau:
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
1.1. Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực
1.2. Sự phân cực ánh sáng
1.3. Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn
1.4. Sự giao thoa ánh sáng phân cực
1.5. Sự quay mặt phẳng phân cực

CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
2.1. Ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong khoa học
2.2. Ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích, nghiên cứu các giáo trình,
tài liệu Quang học để có kiến thức lý thuyết tổng hợp về sự phân cực ánh sáng.
Phân tích những tài liệu liên quan tới ứng dụng sự phân cực ánh sáng để
chọn lọc, sắp xếp thành những mục quan tâm.
- Phương pháp chuyên gia: Chúng tôi sẽ tiến hành gặp gỡ trao đổi, tham
khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn và giáo viên bộ môn Vật lý về những vấn đề
liên quan tới đề tài nghiên cứu.
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
1.1. Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực
Do tính chất chuyển động hỗn loạn của chuyển động bên trong các
nguyên tử nên đoàn sóng do một nguyên tử phát ra có thể dao động theo các
phương khác nhau xung quanh tia sóng.
Căn cứ vào phương dao động của vector cường độ điện trường xung
quanh tia sóng người ta phân ra thành ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực.
1.1.1. Ánh sáng tự nhiên
Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động đều đặn theo mọi
phương vuông góc với tia sáng được gọi là ánh sáng tự nhiên.
Ánh sáng tự nhiên phát ra từ
một số lớn các nguồn sáng như: Mặt
Trời, hồ quang điện, đèn
Để biểu diễn ánh sáng tự
nhiên (hình 1.1) người ta vẽ trong
mặt phẳng vuông góc với tia sáng
các vector cường độ điện trường có trị số bằng nhau phân bố đều đặn xung
quanh tia sáng.

Mặt phẳng chứa vector và tia sáng gọi là mặt phẳng dao động. Mặt
phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng
phân cực.
1.1.2. Ánh sáng phân cực
Khi ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất đẳng hướng về mặt
quang học do tác dụng của môi trường lên ánh sáng đó có thể làm cho các vector
chỉ còn dao động theo một phương xác định gọi là ánh sáng phân cực thẳng
hay ánh sáng phân cực hoàn toàn.
5
Hình 1.1. Biểu diễn ánh sáng tự nhiên
Hình 1.2. Biểu diễn ánh sáng phân cực thẳng
Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo mọi phương
vuông góc với tia sáng nhưng có phương dao động ưu tiên hơn được gọi là ánh
sáng phân cực một phần.
Biểu diễn ánh sáng phân cực một phần (hình 1.3).
Hình 1.3.Biểu diễn ánh sáng phân cực một phần
1.2. Sự phân cực ánh sáng
Sự phân cực ánh sáng là sự tách khỏi chùm ánh sáng tự nhiên những tia
phân cực trong một mặt phẳng xác định.
Thí nghiệm về sự phân cực ánh sáng: Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên,
đơn sắc, song song, hẹp, vuông góc với mặt bên của bản T
1
, tức vuông góc với
quang trục O
1
O'
1
(hình 1.4a).
Khi ta quay bản T
1

quanh phương truyền của tia sáng, cường độ của chùm
tia ló không thay đổi. Đặt tiếp một bản tuamalin T
2
giống hệt bản T
1
phía sau
bản T
1
, sao cho tia I'S' tới vuông góc với mặt bản T
2
(hình 1.4b). Khi giữ nguyên
bản T
1
và quay bản T
2
xung quanh phương truyền ánh sáng, thì cường độ sáng
sau T
2
sẽ thay đổi một cách hoàn toàn.
6
I
2
= I
1
cos
2
(1.1)
Hình 1.4a Hình 1.4b
Nguyên nhân của sự phân cực ánh sáng là do ánh sáng tương tác với môi
trường vật chất.

Độ phân cực là đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực của ánh sáng
phân cực.
(1.2)
Nếu P = 1 ánh sáng phân cực thẳng
Nếu P = 0 ánh sáng tự nhiên
Nếu 0 < P < 1 ánh sáng phân cực một phần.
Có thể tạo ra ánh sáng phân cực bằng nhiều cách. Ta khảo sát một số hiện tượng
như: Sự hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và sự khúc xạ kép.
1.2.1. Sự phân cực ánh sáng do phản xạ- khúc xạ
Hiện tượng phân cực ánh sáng xảy ra khi ánh sáng phản xạ hay khúc xạ
trên mặt phân cách giữa hai môi trường.
Thí nghiệm: Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên SI vào mặt phân cách
giữa hai môi trường (không khí và thủy tinh), một phần ánh sáng bị phản xạ,
phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai.
Để khảo sát sự phân cực của tia phản xạ và khúc xạ, ta đặt bản tuamalin
T
1
trên đường của tia phản xạ và bản T
2
trên đường truyền của tia khúc xạ
7
(hình1.5). Khi ta quay bản T
1
xung quanh tia phản xạ theo chiều mũi tên người
ta nhận thấy :
- Quang trục của bản T
1
vuông góc với mặt phẳng tới thì chùm tia ló ra
khỏi T
1

có cường độ cực đại.
- Khi quang trục của bản song song với mặt phẳng tới thì cường độ của nó
cực tiểu.
Nói chung tia phản xạ và tia khúc xạ là những tia phân cực một phần,
nghĩa là vector điện trường dao động ưu tiên theo một phương trong mặt phẳng
vuông góc với tia sáng.
Thay đổi từ từ độ nghiêng của chùm tia tới tấm thủy tinh từ 0 tới 90
0
ta sẽ
tìm được một vị trí ở đó tia phản xạ IR bị bản T
1
làm tắt hoàn toàn, khi đó tia IR
là tia phân cực thẳng, tức là tia phân cực hoàn toàn. Kết quả thực nghiệm cho
thấy độ phân cực phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng với lượng phân cực tăng
được quan sát thấy khi góc tới giảm.
Tia phản xạ sẽ là ánh sáng phân cực thẳng khi góc tới i thỏa mãn định luật
Brewster :
tgi
B
= n
21
(1.3)
trong đó : n
21
là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1, còn i
B
gọi là góc Brewster.
Tia khúc xạ luôn luôn chỉ là tia phân cực một phần, nó có cường độ cực
đại khi trục quang học của bản T
2

song song với mặt phẳng tới. Khi i = i
B
tia
khúc xạ bị phân cực mạnh nhất và vuông góc với tia phản xạ.
8
Hình 1.5. Phân cực do phản xạ và khúc xạ dưới góc tới Brewster
1.2.2. Hiện tượng tán xạ
Tán xạ ánh sáng là hiện tượng khi một chùm tia sáng truyền qua một môi
trường trong suốt, ta không những nhìn thấy ánh sáng theo phương truyền của
chùm tia, mà còn nhìn thấy ánh sáng theo các phương khác nữa.
Ta xét một số trường hợp tán xạ của ánh sáng mà sự không đồng nhất của
môi trường do những nguyên nhân khác nhau gây nên:
* Tán xạ trong môi trường vẩn đục (tán xạ Tyndall)
Môi trường vẩn đục là môi trường trong suốt, chứa những hạt nhỏ lơ lửng,
như khói là không khí có mang các hạt rắn nhỏ, sương mù là không khí mang
những hạt nước nhỏ.
Tyndall và Rayleigh đã thiết lập 3 định luật dựa trên hiện tượng tán xạ
Tyndall như sau:
1. (1.4)
trong đó b là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào nồng độ và đặc biệt là kích thước của
hạt.
9
2. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ theo phương
làm với phương truyền thẳng một góc bất kỳ bị phân cực một phần và theo
phương vuông góc với phương truyền thẳng( ) thì bị phân cực hoàn toàn.
3. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì cường độ của ánh sáng tán xạ
theo phương tạo với phương truyền thẳng góc được xác định:
(1.5)
trong đó là cường độ ánh sáng tán xạ theo phương
1.2.3. Sự phân cực do tính lưỡng chiết (khúc xạ kép)

Tinh thể là một môi trường dị hướng, nghĩa là môi trường trong đó một số
đặc trưng vật lý (vận tốc, chiết suất, ) phụ thuộc vào phương truyền sóng ánh
sáng và mặt phẳng phân cực của nó.
Lưỡng chiết tự nhiên là hiện tượng khi một tia sáng qua tinh thể bị tách
thành hai tia.

Hình 1.6. Sự khúc xạ kép trong tinh thể canxit
Để khảo sát hiện tượng lưỡng chiết người ta làm thí nghiệm với tinh thể
đá băng lan- đó là một loại canxi cacbonat, kết tinh có dạng hình hộp xiên.
10
Thí nghiệm cho thấy trong tinh thể đá băng lan có một phương đặc biệt,
khi truyền theo phương này ánh sáng không bị tách thành hai, phương đặc biệt
đó được gọi là quang trục của tinh thể (AA') và mọi đường thẳng song song với
AA' đều là quang trục của tinh thể.
Hình 1.7.Tinh thể nhỏ của băng lan
Chiếu một tia sáng tự nhiên vuông góc với mặt ABCD của tinh thể, khi
vào tinh thể tia sáng này bị tách thành hai, chúng là hai tia phân cực thẳng, phân
cực trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau và có cường độ như nhau. Một tia
truyền thẳng tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng thông thường nên gọi là tia
thường, kí hiệu bằng chữ o, tia thứ hai đi lệch khỏi phương truyền ban đầu
(không tuân theo định luật khúc xạ) gọi là tia bất thường, kí hiệu bằng chữ e. Ra
khỏi tinh thể hai tia này song song với nhau và song song với tia tới.
Mặt phẳng chứa quang trục và tia thường gọi là mặt phẳng chính của tinh
thể đối với tia thường.
Hình 1.8. Sự truyền ánh sáng qua tinh thể băng lan
11
1.2.4. Dụng cụ phân cực ánh sáng
Để biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực phẳng, người ta
thường dùng những lăng kính phân cực dựa vào tính lưỡng chiết của tinh thể và
các bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc, tức là tia thường và tia bất thường

không giống nhau.
Lăng kính phân cực thường là một tổ hợp lăng kính bằng tinh thể, được
chia làm hai loại :
+ Lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng.
+ Lăng kính cho hai tia phân cực phẳng phân cực trong hai mặt phẳng
vuông góc với nhau.
Lăng kính phân cực và các bản phân cực ánh sáng là những dụng cụ phân cực.
a. Lăng kính Nicol
Lăng kính nicol là một trong những loại kính phân cực phổ biến nhất, nó
được cắt ra từ khối đá băng lan lớn thành dạng một hình hộp lệch
ABCDA'B'C'D' có cạnh AB= AD, AC'= 3AB.
Trục quang học nằm trong mặt phẳng ACA'C' và đó là mặt phẳng chính
của tinh thể. Người ta cưa tinh thể này ra làm hai phần bằng nhau theo mặt
AFA'F' (F, F' là trung điểm của B'D và BD') rồi dán trở lại với nhau bằng lớp
nhựa Canada. Nhựa này trong suốt và đẳng hướng quang học, có chiết suất
n= 1.55, có giá trị nằm giữa n
o
và n
e
(hình 1.9)
Hình 1.9.Lăng kính nicol
Người ta đặc trưng cho lăng kính Nicol bằng mặt phẳng chính ACA'C'.
Trục quang học AA' làm với AC một góc 48
0
.

12
Chiếu tia sáng tự nhiên SI song song với cạnh AC', khi đi vào trong lăng
kính thì tia sáng tách thành tia thường và tia bất thường. Do chiết suất của tia
thường là n

o
= 1.658 > n nên khi tia thường đập vào lớp nhựa Canada với góc tới
bằng hoặc lớn hơn góc giới hạn 69
0
26' thì nó bị phản xạ toàn phần và được hấp
thụ bởi lớp sơn đen ở đáy nicol.
Tia bất thường đi qua lớp nhựa và ra khỏi nicol theo phương song song
với AC' và bị dịch chuyển ngang một ít so với tia tới (hình 1.10).
Hình 1.10.Lăng kính nicol
Để khử điều đó người ta làm lăng kính phân cực bằng đá băng lan có các
mặt ABCD và A'B'C'D' vuông góc với các cạnh AC' và A'C và trục quang học
OO' song song với AB (hình 1.11)
Hình 1.11. Tia sáng truyền qua nicol
Khẩu độ lớn nhất của chùm tia tới mà lăng kính Nicol còn cho ánh sáng
phân cực phẳng là 29
0
. Lăng kính Nicol không dùng được cho ti tử ngoại vì
nhựa Canada hấp thụ tia tử ngoại.
b. Lăng kính lưỡng chiết cho hai chùm tia
13
*Lăng kính lưỡng chiết gồm lăng kính thủy tinh và lăng kính đá băng lan
(hình1.12)
Trục quang học vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, với n
o
= 1.66, n
e
=1.486
và n
tt
= 1.49. Tia sáng tự nhiên đi từ thủy tinh qua mặt ghép vào đá băng lan bị

tách thành hai. Vì chiết suất của thủy tinh rất gần với chiết suất của đá băng lan
đối với tia bất thường nên tia bất thường hầu như không bị lệch khi đi qua mặt
ghép. Còn tia thường bị khúc xạ hai lần tại mặt giới hạn của đá băng lan và bị
lệch nhiều khi ra khỏi lăng kính. Như vậy các lăng kính phân cực ghép loại này
cho phép tạo ra hai tia phân cực thẳng tách xa nhau và phân cực trong hai mặt
phẳng vuông góc nhau.
Hình 1.12
* Lăng kính lưỡng chiết gồm hai mẫu đá băng lan có phương của trục
quang học khác nhau, dán vào nhau. Do phương của trục quang học ở hai lăng
kính khác nhau nên hai chùm tia phân cực thẳng ra khỏi lăng kính tách xa nhau
hơn. Đối với các lăng kính này khẩu độ cho phép của chùm tia tới rất bé.

Hình 1.13
14
1.2.5. Các bản phân cực dùng tính lưỡng sắc
a. Bản Tuamalin
Tuamalin là bản tinh thể lưỡng chiết có hai mặt song song, tính lưỡng sắc
rất mạnh đối với tia sáng thấy được. Cụ thể là tia thường bị hấp thụ mạnh hơn tia
bất thường rất nhiều. Vì vậy khi hai tia ra khỏi bản tuamalin có cường độ rất
khác nhau và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực một phần. Nhưng nếu
với bản tuamalin dày chừng 1 mm thì thực tế tia thường bị hấp thụ hoàn toàn và
ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực phẳng.
Hệ số hấp thụ của bản Tuamalin đối với tia bất thường phụ thuộc vào tần
số ánh sáng. Vì vậy, khi rọi vào bản tuamalin bằng ánh sáng trắng, thì ánh sáng
truyền qua có màu lục vàng. Ðây là nhược điểm lớn nhất của bản tuamalin khi
dùng nó làm dụng cụ phân cực, nhưng mặt khác khẩu độ cho phép của chùm tia
tới lại rất lớn, điều này cũng rất quan trọng.
b. Polaroid
Tính lưỡng sắc còn thể hiện mạnh hơn ở các tinh thể Herapati. Với độ dày
chừng 0.1mm chúng hấp thụ hoàn toàn tia thường. Kích thước của tinh thể

Herapatit rất bé, vì vậy. Muốn có kính phân cực với diện tích lớn ngưới ta dùng
bản xenluloit trên đó có phủ một lớp những tinh thể herapatit định hướng giống
nhau. Bản như thế được gọi là bản Polaroid. Ngày nay, ngoài tinh thể Herapatit
người ta còn dùng một số hợp chất khác để làm Polaroid.
Các bản lưỡng sắc thường kém trong suốt hơn so với lăng kính đá băng
lan. Hơn nữa lại có tính hấp thụ chọn lọc nghĩa là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào
tần số làm cho ánh sáng tím và ánh sáng đỏ ra khỏi bản chỉ là ánh sáng phân cực
một phần. Mặc dù có những nhược điểm nói trên, trong thực tế bản polaroid vẫn
được sử dụng rộng rãi vì nó là loại máy phân cực rẻ tiền có khẩu độ lớn và diện
tích lớn.
1.3. Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn
Ánh sáng trong đó tại mỗi điểm trên phương truyền của tia, phương của
vector cường độ điện trường thay đổi và mút của nó vạch thành một đường elip
15
gọi là ánh sáng phân cực elip. Trường hợp đặc biệt elip biến thành đường tròn ta
có ánh sáng phân cực tròn.
1.3.1. Cách tạo ra ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn
Chùm tia sáng tự nhiên và đơn sắc hẹp SI đi qua nicol N, qua đó ta có tia
phân cực thẳng JI. Cho tia JI đập vuông góc với bản tinh thể K, có trục quang
học song song với mặt phân cách AB và có chiều dày d.
Hình 1.14.Sơ đồ cách tạo ra ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn
Giả sử mặt phẳng dao động của tia tới làm với mặt phẳng chính của tinh
thể một góc α, khi đập vào tinh thể vector sẽ phân làm hai thành phần ứng với
tia thường và tia bất thường : (1.6)
Tại một điểm M trên mặt sau của bản, hiệu quang trình của hai tia là :
∆ = L
o
- L
e
= ( n

o
- n
e
)d (1.7)
và hiệu số pha tương ứng là: (1.8)
Vậy dao động của các sóng thường và bất thường ở mặt trước của bản tinh thể
có biểu thức : (1.9)
Ngay sau khi ra khỏi bản K hai tia truyền đi với cùng một vận tốc và
vector cường độ điện trường của dao động sóng tổng hợp là :
16
Để tìm quỹ đạo của đầu mút vector của dao động tổng hợp ta khử t trong
các phương trình (1.9) kết quả thu được :
(1.10)
với và
Đây là phương trình của elip định hướng bất kỳ với trục OO' và AA (AA'
vuông góc với OO')
Như vậy nếu ánh sáng rọi vào bản tinh thể K là ánh sáng phân cực thẳng
thì nói chung khi ra khỏi bản K ta được ánh sáng phân cực elip.
1.3.2. Một số trường hợp đặc biệt của ánh sáng phân cực elip
a. Bản phần tư bước sóng
Bản có bề dày d sao cho hiệu quang trình của hai tia khi ra khỏi bản thỏa mãn
điều kiện: (1.11)
với k = 0,1,2 được gọi là bản phần tư bước sóng.
Khi đó hiệu số pha : (1.12)
và phương trình của elip dạng : (1.13)
Hình 1.15. Minh họa vector trong ánh sáng phân cực elip
Nếu α = 45
0
, ta có E
o1

= E
e1
= R và phương trình (1.13) trở thành : x
2
+ y
2
= R
17
Khi đó elip biến thành đường tròn và ta có ánh sáng phân cực tròn.
Hình 1.16.Minh họa vector trong ánh sáng phân cực tròn
b. Bản nửa bước sóng
Khi bản thỏa mãn điều kiện: (1.14)
được gọi là bản nửa sóng và hiệu số pha giữa hai tia bằng:
(1.15)
Phương trình (1.10) trở thành: (1.16)
Nghĩa là elip suy biến thành đường thẳng PP( hình 1.17)
Hình 1.17
c. Bản bước sóng
18
Bản có độ dày d sao cho hiệu quang trình của hai tia khi ra khỏi bản thỏa mãn
điều kiện: (1.17)
được gọi là bản bước sóng.
Khi đó hiệu số pha giữa hai tia: (1.18)
và phương trình (1.10) trở thành: (1.19)
nghĩa là elip biến thành đường thẳng MM (hình 1.17). Do đó bản bước sóng cho
ánh sáng phân cực phẳng truyền qua mà không làm thay đổi phương dao động
của nó.
1.4. Sự giao thoa ánh sáng phân cực
Thí nghiệm: Giữa hai nicol N
1

và N
2
ta đặt một bản tinh thể đơn trục K
được cắt song song với trục quang học OO'. Một chùm tia song song của ánh
sáng tự nhiên, được chiếu vào nicol N
1
. Ánh sáng phân cực phẳng từ N
1
đập
vuông góc vào bản K. Do hiện tượng lưỡng chiết trong bản K xuất hiện tia
thường và tia bất thường, truyền cùng phương với tia tới và với vận tốc khác
nhau. Chúng là những sóng kết hợp có vector dao động vuông góc với nhau.
Nicol N
2
chỉ cho những thành phần dao động nào song song với mặt phẳng
chính của nó đi qua mà thôi. Vì vậy các vector điện trong sóng thường và sóng
bất thường ra khỏi N
2
thực hiện dao động cùng phương. Chúng lại là những dao
động kết hợp nên sẽ giao thoa với nhau. Nếu đặt mắt sau N
2
nhìn đón ánh sáng
hay chiếu lên màn ta sẽ trông thấy vân giao thoa. Nếu bản K có độ dày thay đổi
và quan sát với ánh sáng đơn sắc ta sẽ trông thấy một hệ gồm những vân sáng và
tối xen kẽ nhau. Nếu quan sát với ánh sáng trắng ta sẽ trông thấy những dải màu
khác nhau.
19
Hình 1.18. Thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng phân cực
1.5. Sự quay mặt phẳng phân cực
- Bố trí thí nghiệm gồm: 2 nicol bắt chéo N

1
và N
2
, giữa hai nicol ta đặt
kính lọc sắc F (để tạo ánh sáng đơn sắc) và bản tinh thể thạch anh hai mặt song
song K, có trục quang học vuông góc với mặt bản và trùng với phương của
chùm tia sáng.
- Tiến hành: Nếu chiếu một chùm tia sáng tự nhiên vào hệ hai nicol bắt
chéo N
1
và N
2
thì không có tia ló qua nicol N
2
. Sau khi đặt bản thạch anh vào
giữa 2 nicol, quan sát thấy xuất hiện tia ló sau N
2
. Quay nicol N
2
một góc nào đó
tia ló lại biến mất. Điều đó chứng tỏ rằng ánh sáng ra khỏi bản tinh thể K không
phải là phân cực elip, mà là phân cực thẳng.
Hình 1.19. Thí nghiệm về sự quay ánh sáng phân cực
- Kết quả: Mặt phẳng phân cực của ánh sáng đã quay đi một góc nào đó
bằng góc quay nicol N
2
. Ta nói bản thạch anh đã làm quay mặt phẳng phân cực
của ánh sáng tới nó và gọi đó là hiện tượng quay mặt phẳng phân cực của ánh
sáng.
20

* Góc quay của mặt phẳng phân cực trong tinh thể đơn trục được xác định
như sau: (1.20)
Trong đó: d là độ dày của bản;
được gọi là năng suất quay cực của tinh thể (độ/mm) - là hệ số
phụ thuộc vào bản chất của bản tinh thể, vào bước sóng và nhiệt độ.
* Không chỉ tinh thể mà dung dịch cũng có khả năng làm quay mặt phẳng
phân cực. Góc quay của mặt phẳng phân cực trong các dung dịch được xác định:
(1.21)
Trong đó: là năng suất quay cực riêng của dung dịch, là hệ số tỉ lệ không phụ
thuộc vào nồng độ và đặc trưng cho bản chất của dung dịch quang hoạt;
C là tỉ số giữa khối lượng chất quang hoạt và thể tích dung dịch
Người ta có thể ứng dụng hiện tượng quay của mặt phẳng phân cực để xác
định nồng độ C trong một dụng cụ gọi là đường kế, dụng cụ này cho phép xác
định tỷ lệ phần trăm của đường nguyên chất có trong đường được sản xuất ra.
21
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
Phân cực là hiện tượng xảy ra khá phổ biến và có nhiều ứng dụng quan
trọng trong đời sống hàng ngày và trong nghiên cứu khoa học. Ví dụ đơn giản
nhất đó là những chiếc kính râm, màn hình chống chói điện thoại, kính hiển vi
hay những bộ phim 3D, Đó là những thứ rất gần gũi với chúng ta và nguyên
lý hoạt động của chúng một phần dựa trên ứng dụng của hiện tượng phân cực
ánh sáng.
2.1. Ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong khoa học
Ước vọng nhìn thấy những vật nhỏ li ti mà mắt thường không nhìn thấy
được đã có từ lâu. Với niềm đam mê đó con người đã không ngừng tìm kiếm các
phương pháp tiếp cận quan sát thế giới vi mô, thành công rực rỡ đầu tiên của họ
đó là sự ra đời của kính hiển vi quang học. Bằng cách ghép hai thấu kính lại với
nhau kính hiển vi đã tạo nên bước đột phá lớn, vi khuẩn đã được nhìn thấy. Con
người đã từng bước khám phá sự kỳ diệu của thế giới vi mô. Không dừng lại ở
đó, trước sự giới hạn của kính hiển vi, con người vẫn tiếp tục tìm kiếm những

phương pháp khác tinh vi hơn nữa để thấy rõ thế giới vi mô giúp chúng ta thỏa
mãn ước vọng nhìn thấy được những viên gạch nhỏ bé thế giới tự nhiên. Trong
quá trình đó họ đã đạt được những thành tựu rực rỡ.
2.1.1. Kính hiển vi
Kính hiển là vi một thiết bị dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ
bé mà mắt thường không thể quan sát được bằng cách tạo ra các hình ảnh phóng
đại của vật thể đó. Hình ảnh hiển vi của vật thể được phóng đại thông qua
1 hoặc nhiều thấu kính, hình ảnh này nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục
của thấu kính. Khả năng quan sát của thấu kính hiển vi được quyết định bởi độ
phân giải.
22
Hình 2.1. Cấu tạo kính hiển vi
2.1.2. Kính hiển vi phân cực
Nhằm khắc phục những yếu điểm của kính hiển vi, khoa học đã không
ngừng phát triển cùng với sự ra đời của kính hiển vi phân cực. Ngày nay con
người không chỉ quan sát được các vật nhỏ li ti mà còn nghiên cứu đặc điểm
định tính, định lượng để xác định chính xác tên khoáng vật,
* Cấu tạo
Kính hiển vi phân cực thường là một kính hiển vi hỗn hợp được biến đổi
thêm, kính hiển vi soi nổi cũng có thể thay đổi để quan sát phân cực.
Cấu tạo kính hiển vi phân cực:
+ Nguồn sáng (sợi đốt, halogen…)
+Tụ quang
+ Bộ phân cực ánh sáng (thường được lắp cố định phía dưới tụ quang)
+ Giá đỡ mẫu có khả năng xoay vòng
+ Mâm vật kính
+ Bộ phân tích (có khả năng xoay vòng với góc đọc nhỏ)
23
+ Vật kính: Là một ống hình trụ có một hay nhiều thấu kính, để thu ánh
sáng đi xuyên qua mẫu. Vật kính có các độ phóng đại điển hình khác nhau như

4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 50x, 60x và 100x có thể được lắp đặt trên cùng một mâm
vật kính.
+ Thị kính: Là một ống hình trụ có hai hay nhiều thấu kính, giúp hội tụ
hình ảnh của mẫu vật lên võng mạc của mắt. Độ phóng đại điển hình của thị
kính là 2x, 5x, 10x.
+ Núm chỉnh độ hội tụ (chỉnh thô, chỉnh tinh)
+ Bệ đỡ kính
+ Ống nối với camera (nếu có)
Hình 2.2. Cấu tạo kính hiển vi phân cực
* Mẫu vật sử dụng cho quan sát
Không phải tất cả các mẫu đều thích hợp để quan sát bằng kính hiển vi
phân cực, chỉ mẫu vật bất đẳng hướng mới cho ra hình ảnh hữu dụng. Vật liệu
bất đẳng hướng là vật liệu không có sự phân bố đồng đều về tính chất. Điều này
có nghĩa là nếu ánh sáng được truyền qua vật liệu theo hướng không điển hình
ánh sáng sẽ được chia thành hai tia riêng biệt hoặc dạng sóng. Ðây là phản ứng
24
thường thấy trong thạch anh hoặc tinh thể Tuamalin, đó là lý do các nhà địa chất
và khoáng học sử dụng kính hiển vi phân cực.
* Nguyên lý hoạt động
Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động kính hiển vi phân cực
Để quan sát các mẫu lưỡng chiết (có hai chỉ số khúc xạ khác nhau), kính
hiển vi phải được trang bị hai bộ phân cực, một bộ đặt trên đường đi của chùm
ánh sáng tới trước mẫu, bộ phân tích (bộ phân cực thứ hai) được đặt ở trục
quang học giữa vật kính, sau khẩu độ và các ống quan sát hoặc camera. Độ
tương phản của ảnh tạo ra nhờ tương tác giữa ánh sáng phân cực phẳng với mẫu
lưỡng chiết để tạo ra hai thành phần sóng riêng biệt (tia bình thường và bất
thường) phân cực trong các mặt phẳng vuông góc thay đổi lẫn nhau. Tốc độ của
các thành phần này khác nhau và thay đổi hướng truyền khi đi qua mẫu. Sau khi
đi qua mẫu, các thành phần ánh sáng truyền lệch pha nhau nhưng tái kết hợp lại
sau quá trình giao thoa khi đi qua bộ phân tích.

* Hình ảnh từ kính hiển vi phân cực
Các hình ảnh được tạo ra bởi kính hiển vi phân cực có thể xuất hiện rất
khác nhau, các hình ảnh này có thể có nhiều hơn hoặc ít hơn màu đen và trắng.
Giấy bóng kính, vò nát và kéo dài mỏng cũng như cát là đối tượng đầy
màu sắc hấp dẫn. Các thành phần khác nhau trong một số mẫu thực vật và côn
trùng hiển thị đẹp trong ánh sáng phân cực. Vảy cá là một ví dụ tốt.
25