Lăng kính và bộ tách chùm tia

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một số dạng khác của lăng kính kiểu Glan có thể thu được bằng cách thay đổi định hướng trục quang calcite hoặc thạch anh so với từng nửa tinh thể (như minh họa trong hình 5).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lăng kính và bộ tách chùm tia

Lăng kính và bộ tách chùm tia Một số dạng khác của lăng kính kiểu Glan có thể thu được bằng cách thay đổi định hướng trục quang calcite hoặc thạch anh so với từng nửa tinh thể (như minh họa trong hình 5). Lăng kính Rochon (hình 5c) đặt các trục trực giao với nhau và sắp xếp sao cho ánh sáng không phân cực tới đi vào lăng kính song song với trục quang (và không bị tách ra). Khi sóng ánh sáng truyền qua lớp tiếp giáp trong lăng kính Rochon, chúng đi vào một vùng mới trong đó trục quang định hướng vuông góc với sóng. Việc này khiến ánh sáng bị tách thành các thành phần thường và bất thường, với sóng thường truyền qua không bị lệch và sóng bất thường bị khúc xạ khỏi theo hướng vuông góc. Kịch bản ngược lại có thể thu được với lăng kính Senarmont, cũng có trục của phần tinh thể thứ nhất định hướng song song với nguồn chiếu sáng tới. Tuy nhiên, khi sóng ánh sáng chạm tới ranh giới trong lăng kính Senarmont (xem hình 5d), sự định hướng của trục quang trong nửa thứ hai của tinh thể cho phép tia bất thường truyền qua không bị lệch, nhưng làm khoảng cách sóng thường. Những lăng kính này có thể sử dụng để lựa chọn các định hướng riêng biệt của ánh sáng phân cực cho những ứng dụng quang đặc biệt. Lăng kính tán sắc (lăng kính khúc xạ)
Minh chứng đầu tiên cho sự khúc xạ và tán sắc ở lăng kính tam giác được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh Isaac Newton vào cuối những năm 1600. Newton đã chỉ rõ rằng ánh sáng trắng có thể bị tách thành các màu thành phần của nó bởi một lăng kính đều có các mặt và các góc bằng nhau. Nói chung, một lăng kính khúc xạ hoặc tán sắc có hai hay nhiều bề mặt phẳng định hướng theo kiểu thích hợp sao cho nó làm khúc xạ chứ không phản xạ chùm ánh sáng tới. Khi tia sáng chạm tới bề mặt của một thấu kính tán sắc, nó bị khúc xạ khi đi vào theo định luật Snell và rồi truyền qua thủy tinh cho đến khi chạm tới bề mặt thứ hai. Một lần nữa, tia sáng lại bị khúc xạ và ló ra khỏi lăng kính theo một đường đi mới (xem hình 6). Vì lăng kính làm thay đổi hướng truyền của ánh sáng, nên các sóng truyền qua lăng kính được nói là bị lệch đi một góc nhất định, có thể được xác định rất chính xác bằng cách áp dụng định luật Snell cho hình học lăng kính. Góc lệch là nhỏ nhất khi sóng ánh sáng đi vào lăng kính với góc cho phép chùm tia truyền qua thủy tinh theo hướng song song với đế. Độ lệch của tia sáng do lăng kính mang lại là một hàm của góc tới, góc chóp (đỉnh) lăng kính, và chiết suất của chất cấu tạo nên lăng kính. Khi giá trị chiết suất lăng kính tăng, thì góc lệch của tia sáng truyền qua lăng kính cũng tăng. Chiết suất thường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn (ánh sáng xanh dương) thì bị khúc xạ ở góc càng lớn so với bước sóng dài (ánh sáng đỏ). Sự biến thiên này của góc lệch theo bước sóng được gọi là sự tán sắc, và là nguyên nhân gây ra hiện tượng mà Newton quan sát thấy cách nay đã 300 năm. Sự tán sắc có thể điều chỉnh tốt bằng cách chọn loại thủy tinh có chiết suất thích hợp đặc trưng cho một ứng dụng nhất định. Nói chung, đặc điểm tán sắc của
những loại thủy tinh khác nhau có thể so sánh qua số Abbe, được xác định bằng cách đo chiết suất của những bước sóng tham chiếu nhất định truyền qua loại thủy tinh đó. Số Abbe cho những loại thủy tinh phổ biến dùng chế tạo lăng kính được cho trong bảng 1. Như có thể thấy rõ ràng từ bảng 1, số Abbe càng nhỏ cho công suất tán sắc càng cao, tức là góc mở của các màu trong phổ ánh sáng ló ra càng lớn. Ứng dụng chủ yếu của lăng kính tán sắc là tách các bước sóng trong lĩnh vực quang phổ học, ngành vật lí tập trung nghiên cứu và phân tích quang phổ. Mặc dù lăng kính từng được chọn làm thành phần quang cho quang phổ kế và máy đo ảnh phổ, nhưng hiện nay cách tử nhiễu xạ đảm đương vai trò chính trong những thiết bị này. Cách tử tạo ra sự tán sắc vạch của ánh sáng trắng chứ không phải góc phức tạp tuân theo mối quan hệ bước sóng biểu hiện bởi lăng kính. Tuy nhiên, lăng kính thật sự có một vài tiện lợi so với cách tử, như khả năng linh động cao, không có hiện tượng nhiễu xạ bậc cao không mong muốn, và ánh sáng thất thoát ít hơn. Vật liệu và việc chế tạo lăng kính Để cho một lăng kính hoạt động ở những đặc điểm kĩ thuật theo yêu cầu, nó phải được chế tạo từ đúng loại thủy tinh và không bị kéo căng hoặc bị khiếm khuyết bên trong. Tất cả các mặt của lăng kính phải hoàn toàn phẳng và gắn với nhau ở những góc chính xác (mặc dù các góc này ở một số lăng kính thì quan trọng hơn nhiều so với những lăng kính khác) lệch không quá 5 đến 10 phút cho những công dụng nói chung, nhưng giữ đến chỉ vài giây đối với những ứng dụng quan trọng, ví dụ như lăng kính vòm. Vật liệu thừa tại các góc luôn bị cắt bỏ việc sứt mẻ và gãy vỡ và làm giảm tối thiểu trọng lượng và kích thước của lăng kính. Các mặt
bên ngoài phải được giữ sạch sẽ đến tiêu chuẩn quang chính xác nhất, có thể thực hiện bằng cách áp dụng một lớp phủ sơn mài hoặc tráng bạc bề mặt thích hợp. Trong nhiều trường hợp, người ta khắc khía lên bề mặt để loại trừ ảnh ma tạo bởi sự phản xạ nội sai lạc. Những thay đổi ở mật độ thủy tinh trong vật liệu làm lăng kính có thể tạo ra sự méo ảnh và làm thay đổi đặc trưng tán sắc của thủy tinh. Tương tự, các bọt hoặc vụn tạp chất trong thủy tinh có thể tạo ra sự nhiễu xạ và làm giảm sự truyền sáng. Thủy tinh được chọn cho chế tạo lăng kính được đặc trưng bởi chiết suất, độ tán sắc, và các tính chất truyền sáng của chúng. Bộ tách chùm tia Bộ tách chùm là một thành phần quang phổ biến cho truyền qua một phần và phản xạ một phần chùm tia sáng tới, thường với tỉ lệ không bằng nhau. Ngoài nhiệm vụ tách chùm tia, bộ tách chùm còn có thể dùng làm tái kết hợp hai chùm tia sáng hoặc ảnh phân tách vào một đường đi. Cấu hình đơn giản nhất đối với một bộ tách chùm là một bản thủy tinh phẳng không tráng (như bàn soi kính hiển vi) có năng suất phản xạ bề mặt trung bình khoảng 4%. Khi đặt ở góc 45o, bản sẽ cho truyền qua đa phần ánh sáng, nhưng phản xạ một lượng nhỏ ở góc 90o so với chùm tia tới. Đúng như tên gọi bản tách chùm, bản thủy tinh crown quang được thiết kế tráng bạc một phần nhằm tạo ra tỉ số truyền qua-phản xạ theo yêu cầu. Tỉ số này luôn biến thiên trong khoảng giữa 50:50 và 20:80, phụ thuộc vào từng ứng dụng. Nói chung, một màng kim loại hay lưỡng cực lắng lên mặt trước (đối diện với nguồn rọi sáng tới) của bản tách chùm, còn một lớp phủ chống phản xạ được tráng lên mặt sau (xem hình 7). Chất phủ chống phản xạ được chọn phù hợp với góc tới của ánh sáng nhằm làm giảm tối thiểu lượng ánh sáng phản xạ khỏi mặt sau của bản và làm giảm khả năng tạo ảnh ma. Các chất chống phản xạ tiêu biểu chỉ có hệ số phản xạ khoảng 0,5% ở góc tới 45o. Lớp phủ lưỡng cực cũng phải được xử lí tốt nhằm mang lại năng suất phản xạ, các đặc điểm phân cực, và sự phân bố bước sóng thích hợp ở góc mà bộ tách chùm được thiết kế. Vì cả chất phủ lưỡng cực và chất phủ chống phản xạ đều có sự hấp thụ không đáng kể trong vùng ánh sáng khả
kiến (điển hình là 0,5% đối với bộ tách chùm 50:50 ở góc 45o), nên bản tách chùm lí tưởng cho nhiều ứng dụng rộng rãi. Một trong hệ quả lớn nhất của việc sử dụng chất phủ lưỡng cực cho việc chế tạo bộ tách chùm là sự truyền và phản xạ không bằng nhau đối với các thành phần phân cực p và s (song song và vuông góc) của chùm tia sáng tới không phân cực. Kết quả là một số bộ tách chùm lưỡng cực chia ánh sáng không bằng nhau theo trạng thái phân cực có thể gây khó khăn trong nhiều ứng dụng. Khi sử dụng lớp phủ lưỡng cực, hiện tượng này thường có thể khắc phục bằng cách thay đổi sự định hướng vectơ phân cực của ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứng phân cực có thể làm giảm qua việc sử dụng lớp phủ lưỡng cực màng mỏng nhiều lớp phức tạp hơn, nhưng thường làm tiêu hao các mặt hiệu suất khác. Các lớp phủ bộ tách chùm không phân cực chuyên dụng được thiết kế dành cho dùng với ánh sáng laser phân cực, trong đó bức xạ tới phải duy trì hướng phân cực của nó trong cả chùm truyền qua và chùm phản xạ. Các lớp phủ có thể thực sự mang lại sự tách rõ ràng 50/50 năng lượng laser, bất kể trạng thái phân cực của chùm tia tới. Là một mặt lợi thế, ánh sáng không phân cực tới trên những lớp phủ này có cả thành phần song song lẫn vuông góc truyền qua ở tỉ lệ hầu như bằng nhau. Các bộ tách chùm dạng bản cũng có thể thiết kế để hoạt động như các bộ lọc cạnh sóng dài và sóng ngắn (khi đặt ở góc 45o) cho những ứng dụng yêu cầu việc chọn lọc bước sóng nhất định. Trong trường hợp bộ lọc sóng dài, các bước sóng dài được truyền qua và các bước sóng ngắn bị phản xạ ở góc 90o so với chùm tia
tới. Bộ lọc sóng ngắn hoạt động theo kiểu ngược lại (cho truyền qua bước sóng ngắn và phản xạ bước sóng dài). Các bộ tách chùm hoạt động như bộ lọc cạnh thường được gọi là gương lưỡng sắc. Bộ tách chùm hình lập phương được chế tạo bằng cách dán hai mặt cạnh huyền của một cặp lăng kính góc vuông với nhau, có màng phản xạ một phần lắng trên mặt của một lăng kính (hình 8a). Cả bốn mặt của bộ tách chùm hình lập phương được xử lí một lớp phủ chống phản xạ nhằm làm giảm tối thiểu ảnh ma. Trong điều kiện lí tưởng, chùm ánh sáng tới phải đi vào bộ tách chùm qua lăng kính có phủ màng phản xạ sao cho sự phản xạ xảy ra trước khi chùm tia chạm tới chỗ hàn nối khối lập phương lại với nhau. Bộ tách chùm hình lập phương chống chấn động cơ và biến dạng cơ tốt hơn bộ tách chùm dạng bản, chủ yếu do bề mặt phản xạ được bảo vệ bằng cách kẹp giữa các lăng kính thủy tinh. Bộ tách chùm dạng bản có một số thuận lợi so với bộ tách chùm hình lập phương chủ yếu do không có lớp kết dính quang học trong vùng lân cận màng lưỡng cực hoặc màng kim loại, chúng có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng và làm giảm sự truyền qua. Hệ quả là bộ tách chùm dạng bản có thể chịu được mức độ bức xạ cao hơn đáng kể mà không bị phá hủy. Bản thủy tinh cũng nhỏ hơn và nhẹ hơn so với khối lập phương lăng kính song sinh, và có thể dễ dàng lắp vào những không gian chật hẹp trong những cơ cấu quang chật ních.
Các chất phủ tiên tiến cho bộ tách chùm hình lập phương gồm có màng kim loại-lưỡng cực lai ghép kết hợp lợi thế của cả hai loại vật liệu. Kết quả là một bộ tách chùm có hiệu suất vừa phải thường có mức hấp thụ khoảng 10% với độ nhạy phân cực rất thấp. Sự hấp thụ làm thất thoát hầu như chia đều giữa chùm truyền qua và chùm phản xạ, và các thành phần phân cực nằm trong 5 đến 10% lẫn nhau. Các lớp phủ băng rộng khác có đặc trưng hấp thụ thấp hơn, nhưng lại cực nhạy với sự phân cực. Các lớp phủ không phân cực lưỡng cực được thiết kế cho hiệu suất cao ở những bước sóng nhất định, thường dùng cho những ứng dụng laser. Loại bộ tách chùm quan trọng thứ ba được chế tạo từ màng đàn hồi mạnh sức căng cao (như nitrocellulose) kéo căng giống như tấm vải bạt trên một khung kim loại phẳng sơn đen. Được gọi là bộ tách chùm màng mỏng (hình 8b), chiều dày màng thay đổi từ 2 đến 10 micromét, quá mỏng nên nó hầu như loại trừ hết ảnh ma. Ngoài ra, sự quang sai, như sắc sai, quang sai cầu, và loạn thị, đã được làm giảm tới mức tối thiểu khi so với bộ tách chùm dạng bản và hình lập phương, mở rộng bất ngờ khả năng sử dụng cả ánh sáng hội tụ lẫn phân kì. Các màng mỏng không phủ chất cho truyền qua khoảng 92% ánh sáng tới trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần, nhưng thường biểu hiện độ hấp thụ không thể chấp nhận được trong vùng tử ngoại. Trong đa số ứng dụng, màng mỏng thường được phủ thêm một lớp màng lưỡng cực mỏng lên mặt đối diện với chùm tia sáng tới. Những bộ tách chùm này thường là nạn nhân của hiện tượng giao thoa do trạng thái quá gần của các bề mặt màng, và chúng cũng là đối tượng cho các dao động âm. Các bề mặt màng mỏng phải tránh bị chạm tiếp xúc và có thể lau sạch chỉ bằng một làn gió nhẹ. Bộ tách chùm đục lỗ (thường được gọi là bộ tách chùm chấm polka, xem hình 8c) được chế tạo bằng cách tráng một chất thủy tinh quang với một lớp nhôm mỏng có những lỗ hình vuông kích thước đều đặn. Bề mặt thu được có diện mạo “chấm polka”, đúng như tên gọi. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận kích thước lỗ, tỉ số diện tích bề mặt phủ và không phủ chất trong bộ tách chùm đục lỗ có thể được điều chỉnh sao cho nó tách đều chùm tia tới thành các thành phần truyền qua và phản xạ. Sóng ánh sáng chạm tới bề mặt không phủ chất thì truyền qua (mất mát vài phần trăm do sự phản xạ từ thủy tinh), còn sóng chạm tới lớp nhôm tráng thì bị
phản xạ (thường ở góc 45o). Bộ tách chùm đục lỗ biểu hiện độ nhạy không đáng kể trong một phạm vi góc rộng, và có ích cho việc tách chùm tia sáng từ các nguồn bức xạ băng rộng, phân kì, như đèn hồ quang thủy ngân và đèn volfram-halogen. Ngoài ra, cấu trúc dạng lưới biểu hiện sự phân kì không đáng kể của chùm tia truyền qua do nhiễu xạ và không chịu sự phân cực. Những bộ lọc này cũng có ích với đèn deuterium và xenon, và tìm thấy ứng dụng trong máy đo ảnh phổ và nhiều quang hệ khác. Các lăng kính tròn có các bề mặt phẳng đặt hơi sớt qua nhau được gọi là nêm quang học, và làm lệch ánh sáng bằng sự khúc xạ chứ không phản xạ. Mặc dù các nêm về bản chất là hợp bởi lăng kính, nhưng chúng có thể được điều chỉnh để hoạt động như bộ tách chùm hoặc bộ lái chùm tia. Góc mà một nêm làm lệch ánh sáng tới phụ thuộc vào góc giữa mặt vào và mặt ra và chiết suất của thủy tinh chế tạo nên các bản đó. Góc nêm thay đổi từ 2 đến 25 độ và có khả năng chọn lọc kép tương ứng làm lệch chùm tia khúc xạ từ 2 đến 20 cm trên mỗi mét khoảng cách tính từ lăng kính. Hướng ánh sáng khúc xạ sau khi đi qua nêm có thể điều khiển bằng cách quay lăng kính tròn (xem hình 9). Trong nhiều trường hợp, hai nêm ghép đôi và đường đi ánh sáng bị thay đổi đến mức độ còn lớn hơn nữa trong
phạm vi 360 độ bằng cách quay các nêm theo hướng ngược nhau. Lăng kính hình nêm hoạt động như bộ tách chùm linh hoạt ngăn cản ảnh ma và lái chùm tia sáng qua đường đi có thể điều chỉnh trong quang hệ. Cả lăng kính và bộ tách chùm đều là những thành phần quan trọng trong ống ngắm của kính hiển vi, trong đó chúng làm nhiệm vụ làm lệch ánh sáng từ vật kính tới thị kính hoặc cổng camera. Trong những chiếc kính hiển vi hiện đại trang bị ống ngắm hai mắt nhìn, lăng kính cũng được sử dụng để làm thay đổi đường ngắm từ thẳng đứng sang góc 45o tiện lợi hơn. Gương tách chùm lưỡng sắc cũng quan trọng trong kính hiển vi huỳnh quang, mang lại sự rọi sáng kích thích cho mẫu vật và cho phép huỳnh quang thứ cấp đi vào thị kính, đồng thời chặn lại các bước sóng kích thích bị phản xạ. Những thiết bị quang khác, như kính thiên văn, kính định tâm, và dụng cụ trắc địa cũng dựa trên lăng kính và bộ tách chùm để thực hiện chức năng của chúng.