Tài liệu: Sự phân cực ánh sáng (1)

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

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Sự phân cực ánh sáng (1)

Sự phân cực ánh sáng 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. 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 ảnhtương 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.
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 nhi ều 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(θi)/sin(θr) = sin(θi)/sin(θ90-i) = tan(θi) 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. 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.
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, nh ững 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 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.