CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực 1.1.1 Ánh sáng tự nhiên Ta đã biết rằng nguyên tử phát ra ánh sáng dưới dạng những đoàn sóng nối tiếp nhau. Trong mỗi đoàn sóng này vector điện trường    luôn dao động theo một phương xác định, vuông góc với tia sáng (H. 1-1) Nhưng do tính chất hỗn loạn của các vận động bên trong nguyên tử, vector    trong các đoàn sóng do một nguyên tử phát ra có thể dao động theo những phương khác nhau xung quanh tia sáng. Mặt khác nguồn sáng mà chúng ta đang xét dù có kích thước khá nhỏ cũng bao gồm rất nhiều nguyên tử, phương dao động của vector    trong các đoàn sóng do các nguyên tử phát ra cũng thay đổi một cách hỗn loạn xung quanh tia sáng. Như vậy ánh sáng từ một nguồn phát ra (Mặt Trời, dây tóc nung đỏ ) có vector cường độ điện trường dao động theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng. 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. Tia sáng Hình 1-1. Dao động của vector cường độ điện trường trong một đoàn sóng Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên 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 đầu mút của chúng nằm trên một đường tròn có tâm trên tia sáng. (H. 1-2) 1.1.2 . Ánh sáng phân cực Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi cho một ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất dẳng hướng về mặt quang học, ví dụ các tinh thể, thì trong những điều kiện nhất định nào đó, tác dụng của môi trường lên ánh sáng tự nhiên có thể làm cho vector cường độ điện trường chỉ còn dao động theo một phương nhất định. Ánh sáng có vector cường độ điện trường chỉ dao động theo một phương xác định được gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần. 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. Ý niệm cơ Tia sáng Hình 1-2. Biểu diễn ánh sáng tự nhiên Hình 1-3. Mô tả hiện tượng phân cực ánh sáng bản của sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 1-3 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 0 , mặc dù chỉ có 6 sóng, cách nhau 60 0 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 (H. 1-3) 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. Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động của vector    được gọi là mặt phẳng dao động ; còn mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động được gọi là mặt phẳng phân cực (H. 1-4). Hình 1-5a là sơ dồ biểu diễn ánh sáng phân cực toàn phần. Trong một số trường hợp người ta thấy rằng tác dụng của môi trường lên ánh sáng tự nhiên làm cho cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu. Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng, nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu, được gọi là ánh sáng phân cực một phần. Hình (1-4b) là sơ đồ biểu diễn ánh sáng phân cực một phần. Với định nghĩa ánh sáng phân cực toàn phần ở trên, thì mỗi đoàn sóng do nguyên tử phát ra là một ánh sáng phân cực toàn phần. Như vậy, ánh sáng tự nhiên có thể coi là tập hợp vô số ánh sáng phân cực toàn phần dao động đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng. Ta có thể nói ánh sáng tự nhiên có tính chất đối xứng xung quanh phương truyền. 1.2. Sự phân cực ánh sáng do truyền qua bản Tuamalin dày. Định luật Maluyt Trong những điều kiện nào đó, các tinh thể có thể biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực. Tuamalin (hợp chất Alumini Silicôbôrat) là một trong những tinh thể như vậy. Tuamalin dày khoảng 1mm trở lên chỉ cho những ánh sáng nào có vector cường độ điện trường nằm trong một mặt phẳng xác Tia sáng Mặt phẳng phân cực Mặt phẳng dao động Hình 1-4. Mặt phẳng dao động và mặt phẳng phân cực a) b) Hình 1-5. Sơ đồ biểu diễn ánh sáng phân cực toàn phần (a) ; một phần (b) Hình 1-6. Bản tuamalin a ) C B D A  định, đó là mặt phẳng chứa một phương đăc biệt (gọi là quang trục của tinh thể) và tia sáng. Còn các ánh sáng có vector    vuông góc với mặt phẳng trên sẽ không đi qua bản. Trong trường hợp bản Tuamalin có có quang trục song song với cạnh AB, còn tia sáng chiếu vào vuông góc với mặt ABCD của bản, thì vì ánh sáng là sóng ngang, nên tia sáng sau bản Tuamalin có vector    song song với quang trục của bản (H.1-6) Vì tính đối xứng của ánh sáng tự nhiên xung quanh phương truyền, nên nếu ta quay bản tuamalin xung quanh tia sáng thì ở vị trí nào của bản cũng có ánh sáng truyền qua. Ánh sáng đó là ánh sáng phân cực toàn phần. Lấy một bản tuamalin T 2 (bản T 2 đặt sau bản T 1 ). Gọi  là góc giữa hai quang trục (H.1-7a). Do tính chất của bản tuamalin, biên độ dao động sáng sau bản T 2 là:  cos 12 aa  (1.1) Cường độ sáng sau bản T 2 sẽ là :  2 1 2 21 cosIaI  (1.2) Trong đó I 1 = a 1 2 là cường độ sáng sau bản T 1 . Như vậy, nếu giữ cố định bản T 1 và quay bản T 2 xung quanh tia sáng thì I 2 sẽ thay đổi. Lúc hai quang trục song song với nhau (=0) thì I 2 = I 2max = I 1 ( H.1-7b). còn lúc hai quang trục vuông góc với nhau (=  2 ) thì I 2 = I 2min = 0 (H.1-7c) ; T 1 được gọi là kính phân cực, T 2 được gọi là kính phân tích.  1  2 Hai quang trục  1 và  2 song song với nhau T 1 T 2 b)  1  2  1  2 a) Công thức (1.2) biểu diễn một định luật gọi là định luật Maluyt : Khi cho một chùm tia sáng tự nhiên rọi qua hai bản tuamalin có quang trục hợp với nhau một góc  thì cường độ sáng nhận được tỉ lệ với cos 2  Dùng một bản tuamalin ta có thể phân biệt được một chùm sáng là ánh sáng tự nhiên hay ánh sáng phân cực. Đặt một bản tuamalin trên đường đi của tia sáng. Nếu tia sáng là ánh sáng tự nhiên thì khi quay bản tuamalin, cường độ ánh sáng ban đầu không thay đổi, còn nếu ta dùng tia sáng là ánh sáng phân cực thì khi quay bản tuamalin cường độ ánh sáng sau bản sẽ thay đổi. 1.3. Phân cực do phản xạ. Định luật Brewster Như vậy ta có thể tăng hay giảm cường độ ánh sáng khi nhìn ánh sáng Mặt Trời từ mặt nước chẳng hạn khi quay tròn một bản phân cực (như một kính râm phân cực) xung quanh phương quan sát. Ta có thể làm được điều đó bởi vì ánh sáng phân cực bị phân cực toàn phần hay một phần do quá trình phản xạ từ mặt phẳng. H. 1-8 cho thấy một tia sáng tới không phân cực đập trên một mặt thủy tinh. Các vector cường độ điện trường của ánh sáng có thể phân tích thành những thành phần vuông góc (vuông góc với mặt phẳng tới) và những thành phần song song (nằm trong mặt phẳng tới). Đối với ánh sáng tự nhiên hai thành phần này có độ lớn bằng nhau. Hình 1-7. Sự truyền ánh sáng qua hai bản tuamalin  1  2 Hai quang trục  1 và  2 vuông góc với nhau c) Với một góc đặc biệt gọi là góc Brewster  B thành phần song song của tia tới bị khúc xạ hoàn toàn. Kết quả là ánh sáng phản xạ không chứa thành phần song song và do vậy được phân cực hoàn toàn vuông góc với mặt phẳng tới ( ở đây là mặt phẳng của trang giấy ). Tia khúc xạ bị phân cực một phần nó bao gồm một thành phần song song khá mạnh và một thành phần vuông góc yếu. Đối với thủy tinh hay những vật liệu diện môi khác có một góc tới đặc biệt, gọi là góc Brewster  B , mà thành phần song song không phản xạ. Điều đó chứng tỏ rằng ánh sáng phản xạ từ thủy tinh dưới góc tới Brewster sẽ phân cực hoàn toàn với mặt phẳng dao động thẳng góc với mặt phẳng tới ( mặt phẳng của hình vẽ ). Do thành phần song song của tia tới dưới góc Brewster không thể phản xạ nên chúng sẽ khúc xạ hoàn toàn. Đối với những góc tới khác, ánh sáng phản xạ bị phân cực một phần vì rằng thay vì không có phản xạ thì nay lại có sự phản xạ một ít thành phần song song. Hình 1-8. Góc brewster 1.3.2. Định luật Brewster Một tia sáng tự nhiên đến đập lên mặt phân cách giữa hai môi trường dưới góc tới Brewster  B , thực nghiệm cho thấy các tia phản xạ và khúc xạ vuông góc với nhau. Do tia phản xạ trong hình vẽ phản xạ dưới góc Brewster còn tia kia khúc xạ dưới góc  r nên chúng ta có: 0 90 rB  (1.3) Hai góc này cùng liên hệ với nhau theo phương trình 2211 sinsin  nn  ( khúc xạ ) (1.4) Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới. Tùy ý chọn chỉ số 1 trong phương trình (1.4) cho vật liệu chứa tia tới và tia phản xạ, chúng ta có được các phương trình rB nn  sinsin 21  (1.5) Phối hợp các phương trình trên sẽ dẫn đến BBB nnn  cos)90sin(sin 2 0 21  )(tan 1 2 1 n n B    (góc Brewster ) (1.6) ( 2 1 ) là chiết suất tỉ đối của môi trường hai đối với môi trường một Nếu các tia tới và phản xạ truyền trong không khí, chúng ta có thể lấy n 1 =1 và thay n 2 = n, phương trình (1.6) viết lại )(tan 1 n B    (Định luật Brewster) (1.7) Đó là dạng đơn giản của phương trình (1.6) và được biết như là định luật Brewster định luật và góc  B mang tên ông David Brewster người đã tìm thấy bằng thực nghiệm năm 1812. 1.4. Sự phân cực do 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. 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 H. 1-9). 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 Hình 1-9. Sự phân cực của ánh sáng Mặt Trời tán xạ 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 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. 1.4. Phân cực do môi trường lưỡng chiết 1.4.1. Hiện tượng lưỡng chiết Năm 1670 Bactoolin lần đầu tiên nhận thấy rằng, khi một tia sáng truyền qua tinh thể đá băng lan (một dạng CaCO3), nó bị tách thành hai tia. Đó là hiện tượng lưỡng chiết. Tinh thể đá băng lan trong tự nhiên thường có dạng hình hộp lệch mà sáu mặt là những hình thoi bằng nhau có các góc xác định 101 0 52’ và 78 0 08’. Thí nghiệm cho thấy rằng hai tia sáng ra khỏi tinh thể song song với nhau và song song với tia tới (Hình 1-11).Chúng là hai tia phân cực phẳng, phân cực trong mặt phẳng vuông góc với nhau và có cường dộ như nhau. Một trong hai tia tuân Hình 1-10 Tinh thể nhỏ của băng lan [...]... thụ phụ thuộc vào tần số, làm cho ánh sáng tím và ánh sáng đỏ ra khỏi bản chỉ là phân cực một phần Mặc dù có những nhược điểm nói trên, nhưng trong thực tế bản pôlarôit vẫn được sử dụng rộng rãi, vì nó là loại máy phân cực rẻ tiền, có khẩu đọ lớn (gần 1800) và có diện tích lớn (vài dm2) 1.6 Ánh sáng phân cực elip và ánh sáng phân cực tròn 1.6.1 Cách tạo ra ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn Ở trên... kính phân cực được chia ra làm hai loại: a) Lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng b) 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 ( máy phân cực) Dưới đây ta sẽ khảo sát vài dạng dụng cụ phân cực khác nhau thuộc các loại nói trên 1.5.2 Lăng kính Nicol Hình 1-19 Lăng kính phân cực nicol... chiếu vào tinh thể ánh sáng tự nhiên cũng như ánh sáng phân cực khi chiếu vào tinh thể ánh sáng tự nhiên R1 cũng như ánh sáng phân cực Tuy nhiên R2 e e khi chiếu bằng ánh sáng tự nhiên thì o cường độ của tia thường và tia bất R e Hình 1-12 o thường bằng nhau, còn nếu ánh sáng rọi vào là ánh sáng phân cực phẳng, nói chung cường độ của hai tia không bằng nhau, mà phụ thuộc vào góc  giữa mặt phẳng tới và. .. tròn) được gọi là ánh sáng phân cực elip (hay phân cực tròn) Hình 1-24 Sóng ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn Ta xét cách tạo ra ánh sáng phân cực elip hay phân cực tròn Một bản tinh thể T có bề dày d và có quang trục như hình 1-25 Rọi vuông góc với mặt trước của bản  một tia sáng phân cực toàn phần có vector cường độ điện trường E hợp với quang trục một góc A Khi vào bản, tia sáng tách thành... biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực phẳng Chẳng hạn khi cho ánh sáng tự nhiên phản xạ từ mặt phân cách giữa hai chất điện môi thỏa mãn điều kiện Brewster (H 1-8), thì ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực phẳng Nếu ta dặt liên tiếp nhiều bản điện môi thì chùm tia khúc xạ cũng trở thành chùm tia phân cực phẳng Tuy nhiên ánh sáng phân cực thu được ở đây sẽ rất yếu vì chỉ có một phần nhỏ ánh sáng. .. 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 1mm, 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 tuamalin đối với tia bất thường phụ thuộc vào tần số ánh sáng Vì vậy khi rọi bản tuamalin bằng ánh sáng trắng, thì ánh sáng truyền qua có màu lục – vàng Đây là nhược điểm... tư thứ nhất và thứ ba (H 1-28) Đường thẳng đó hợp với quang trục một góc 𝛼 Vậy trong trường hợp này, ánh sáng sau khi ra khỏi bản giống với ánh sáng trước khi vào bản Bản có bề dày thỏa mãn điều kiện (1.27) gọi là bản một bước sóng Hình 1-28 Tác dụng của bản nửa bước sóng CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 2.1 Ứng dụng trong đời sống thường ngày Kính phân cực chống chói Ánh sáng phản... kính lọc phân cực thứ nhất, trở thành ánh sáng phân cực phẳng chỉ có 1 phương Hình 2-4 Ánh sáng phân cực phẳng này được tiếp tục cho truyền qua 2 lớp điện cực trong suốt 1 xẻ rãnh ngang - 1 xẻ rãnh dọc kẹp lớp tinh thể lỏng ở giữa Sau đó, ánh sánh sẽ bị đổi góc phân cực tuỳ thuộc vào điện thế giữa 2 lưới điện cực (bố trí thành ma trận) tiếp tục đi tới kính lọc phân cực thứ hai có phương phân cực vuông... Ánh sáng dao động tự do đến lớp phân cực tuyến tính, sau đó ánh sáng được phân cực theo chiều dọc Ban đầu, sóng ánh sáng dao động theo nhiều hướng trong không gian 2 Sau đó, ánh sáng đến "lớp làm chậm đi một phần tư" Tại đây, ánh sáng được phân cực một lần nữa theo góc phần tư của hệ tọa độ dao động xy, ánh sáng sẽ dao động theo hình xoắn ốc, quay bên phải 3 Đến mặt phản chiếu, cũng là màn hình, ánh. .. 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