Sự phân cực ánh sáng Lượngánh sángtruyền quacặp bản phân cực chất lượngcao bắt chéo được xác định bằng sự định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản phân cựcđịnh hướng vuông góc nhau, chúngbiểu hiệnmột mức dập tắt cực đại. Tuy nhiên, ở những góc khác, mức độ dập tắtthay đổi như minhhọa bởi biểu đồ vectơ trong hình 6. Bảnphân tích được dùng để điểu chỉnh lượng ánh sángtruyền qua cặp bắt chéo, và có thể quaytrong đường đi tia sáng để cho các biên độ khác nhau củaánhsáng phâncực truyền qua. Trong hình6a,bản phân cực và bản phân tích có trục truyền song songnhauvà vectơ điện củaánh sáng truyền qua bản phân cựcvà bản phân tích cóđộ lớn bằng nhauvà songsong với nhau. Quay trục truyển bảnphân tíchđi 30 độ so với trụctruyền củabản phân cực làm giảm biênđộ của sóng ánh sáng truyền quacặp bản, như minh họa trong hình 6b. Trongtrườnghợpnày, ánh sáng phân cực truyền quabảnphân cựccó thể phân tíchthành những thànhphần nằm ngangvà thẳng đứng bằng toán học vectơ để xác định biên độ của ánh sáng phâncực có thể truyền qua bảnphân tích. Biên độ của tia truyền qua bản phântích bằng vớithành phần vectơ đứng (minhhọa là mũi tên màuvàng trong hình6b). Tiếp tục quay trục truyền bảnphân tích đến góc 60 sovới trụctruyền bản phân cực, làm giảm hơn nữa biên độ của thànhphần vectơ truyền qua bản phân tích (hình6c). Khi bảnphân tíchvà bảnphân cựchoàntoàn chéo góc (góc 90 độ) thì thànhphần thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình 6d) vàcác bản phân cực thu được giátrị dậptắt cực đại của chúng. Lượngánh sángtruyền quacặp bản phân cực có thể được mô tả định lượng bằngcách áp dụng định luật bình phươngcosinMalus,là hàmcủa góc giữa cáctrục truyền bản phân cực: I = I (o) cos 2 θ trong đó I là cường độ ánh sáng truyềnqua bảnphân tích(và toàn bộ lượng ánh sáng truyền quacặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cườngđộ ánhsáng tới trên bản phân cực, và qlà gócgiữa trụctruyền của bản phân cực và bản phântích. Bằng việc giảiphươngtrình, cóthể xác định khi haibảnphân cựcchéo góc (θ = 90 độ) thì cườngđộ bằngkhông. Trongtrường hợp này, ánh sáng truyền quabởi bản phân cựcbị dập tắt hoàn toànbởi bảnphân tích. Khi các bản phân cực xiên góc30 và 60 độ, ánhsángtruyền qua bởibản phân tích giảm đi tươngứng là25% và 75%. Sự phân cực của ánh sáng tán xạ Các phân tử chất khí và nước trong bầu khí quyển làmtán xạ ánh sángtừ MặtTrời theomọi hướng, hiệu ứng gâyra bầutrời xanh,những đám mâytrắng, hoànghôn đỏ rực, và hiện tượng gọi làsự phâncực 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 sóngánhsáng,như đã được chứngminh bởi huân tước Rayleigh hồi năm 1871. Những bước sóngdài, như đỏ, cam,vàng không bị tánxạ nhiều như các bước sóngngắn,như tím và xanhdương. Sự phân cực khí quyển là kết quả trực tiếp của sự tán xạ Rayleigh củaánh sáng Mặt Trời bởi cácphân tử trong khíquyển.Lúc va chạm giữaphotonđến từ MặtTrời và phân tử chất khí, điện trường từ photon giảm dao động vàrồi tái bức xạ ánh sáng phân cựctừ phântử đó (minhhọa trong hình 7).Ánh sáng phát xạ bị tán xạ theo hướng vuông góc với hướng truyềnánh sáng Mặt Trời, và bị phân cực hoặc dọc, hoặc ngang, phụ thuộc vào hướng tánxạ. Đa phần ánhsáng phân cực chạmđến Trái Đất bị phân cực ngang (trên 50%),một sự thật cóthể xác nhận bằngcách quansát bầu trời quamộtbộ lọc Polaroid. Có những báo cáo cho biết một số loài côn trùngvà độngvật nhất định có khả năng phát hiện ánh sáng phân cực, gồm các loài kiến, ruồi,và một số loài cá, danh sách cácloài thậtra 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 địnhvị mục tiêu của chúng. Nhiều ngườicũng tin rằng có một số cá nhân nhạycảm với ánhsáng phân cực và có thể quan sát thấy mộtđườngchân trời màuvàng chồng lên nềntrời xanh khi nhìn chằm chằm theo hướngvuông góc với hướng của MặtTrời (mộthiện tượng gọi là chổi Haidinger). Các proteinsắc tố vàng, gọi là macula lutea, là những tinh thể lưỡng sắc cư trú trong hố mắtngười, được biếtlà chophép người ta nhìn thấyánh sángphân cực. Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn Trongánh sángphân cựcthẳng, vectơ điện trườngdao độngtheo hướng vuônggóc vớihướng truyền sáng, như đã nóiở trên. Các nguồnsáng tự nhiên, như ánh sáng Mặt Trời, và các nguồnsáng nhân tạo,gồm ánh sáng đèn nóngsáng và đèn huỳnh quang, đều phát ra ánh sáng có vectơ điện định hướngngẫu nhiên trong không gianvà thời gian. Ánh sángthuộcloại này gọi là khôngphâncực. Ngoài ra, cũngtồn tại mộtvài trạng thái ánh sáng phân cực elipnằm giữa phân cực thẳngvà không phân cực, trong đó vectơ điện trườngcó hình dạng eliptrong mọi mặtphẳng vuông góc với hướngtruyềnsóng ánhsáng. Sự phân cực elip,không giống như ánh sáng phân cực phẳng và không phân cực,có “cảmgiác” quay theohướng quayvectơ điện xung quanh trục truyền (tới) của chùmtia sáng. Khi nhìn từ phía saulại, hướng phân cực có thể là xoaysangtrái hoặc xoaysangphải, một tínhchất gọi làđộc khuynhcủasự phân cực elip.Sự quét vectơ xoay theo chiềukim đồng hồ đượccho làphân cựcphải (thuận), và sự quét vectơ xoay ngược chiều kim đồnghồ là phân cựctrái (nghịch). Trongtrường hợpmà trục chínhvà trục vectơ phụ của elip phâncực bằng nhau, thì sóngánh sáng rơi vào loại ánhsáng phân cực tròn, và có thể phân cực trái hoặc phải.Một trường hợpnữa thường xảy ratrong đó trục chính củathành phần vectơ điện trong ánhsángphân cực elip tiến tới không, và ánh sáng trở nên phân cựcthẳng.Mặc dù mỗi kiểu phân cực có thể thu được trong phòngthí nghiệm với thiết bị quang học thích hợp, chúng cũng xảy ra trongánh sáng tự nhiên không phân cực. Sóng ánh sángthường và bất thườngphát rakhi chùm ánhsáng truyền qua tinh thể lưỡng chiết cóvectơ điện phâncực phẳng vuônggóc với nhau.Ngoài ra, do sự giao thoa trong tương tácđiệntử màmỗithành phần trảiqua trong hành trìnhcủa nó đi qua tinhthể, thường xuất hiện một sự lệch pha giữa haisóng. Mặc dù sóngthườngvà sóngbất thườngđi theo quỹ đạo độc lập nhauvà tách xa nhau trong tihn thể canxit đã mô tả ở phần trên, nhưng đây không phải là trườnghợp phổ biến đối với nhữngchất kết tinh có một trụcquangvuông gócvới mặt phẳng chiếusáng tới. Một loại chất đặc biệt,gọi là đĩabù hoặcđĩa trễ, khá cóích trong việc tạo ra ánh sáng phân cực elipvà phân cực tròn chomột số ứng dụng, như kính hiển vi quanghọc phân cực.Những chấtlưỡng chiếtnày được chọn bởi vì, khitrục quang của chúngđặt vuông góc với chùm tia sáng tới,thì cáctia sángthường vàbất thường đi theoquỹ đạogiống hệt nhauvà biểu hiện sự lệch phaphụ thuộc vào mức độ lưỡng chiết. Vì cặp sóngtrực giao bị chồng chất, nên có thể xemlàmột sóng cócác thành phần vectơ điện vuông góc vớinhau cách nhaubởi mộtsự chênh lệch nhỏ về pha. Khi cácvectơ kết hợp bằng cách cộnglại đơngiản trong khônggian ba chiều, sóng thu được trở thành bị phân cựcelip. Ý tưởng nàyđược minh họa trong hình8, trongđó vectơ điện tổng hợp khôngdao độngtrong một mặtphẳng, mà quaydần xungquanhtrục truyền sóng ánh sáng, quétthành quỹ đạo elipxuất hiện dướidạng đường xoắn ốc khi sóng được nhìn từ một góc nào đó. Độ lớn của sự lệch pha giữasóng thườngvà sóngbất thường (có cùng biên độ) xác định vectơ quét thành elip hayđường tròn khisóng được nhìn từ phía sau của hướng truyền sóng.Nếu độ lệch pha là 1/4 hoặc 3/4 bướcsóng, thì vectơ tổng hợp vẽ nên xoắn ốc tròn. Tuy nhiên, độ lệch phalà1/2 hoặc nguyên bước sóngthì tạo raánhsáng phâncực thẳng, và tất cả những độ lệch pha khác quétnên nhữnghìnhdáng khác nhaucủa elip. Khi sóngthườngvà sóngbấtthường đi rakhỏitinh thể lưỡng chiết, chúng dao độngtrong nhữngmặt phẳng vuông góc nhaucócường độ tổng hợp bằng tổng cường độ thành phần của chúng. Dosóngphâncực có vectơ điện dao độngtrong những mặt phẳng vuông góc, nên cácsóng có khả năngchịu sự giao thoa.Thực tế này cóhệ quả là khả năng sử dụng chất lưỡngchiết tạora hình ảnh. Giao thoa chỉ có thể xảy ra khivectơ điện củahai sóngdao động trongcùng mặt phẳngtrong suốt quá trìnhgiao nhau để tạo rasự thay đổi biên độ của sóngtổng hợp (một yêu cầu đối với sự tạo ảnh).Do đó, các vật trongsuốt lưỡngchiết vẫn không nhìn thấy được, trừ khi chúng được xácđịnh giữacác bản phân cực chéonhau, chỉ truyền qua các thành phần sóng phân cực elipvà phân cực tròn song songvới bản phân cực gần người quan sát nhất. Những thành phần này cóthể tạo ra các daođộng biên độ gây ra độ tương phản vàló ra khỏi bảnphân cựcdưới dạng ánhsáng phân cực thẳng. Ứng dụng của ánh sáng phân cực Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cựclà sự hiển thị tinh thể lỏng (LCD)dùng tronghàng loạt dụng cụ như đồng hồ đeo tay, màn hình máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tườngvà nhiều vật dụngkhác. Các hệ hiển thị này dựa trênsự tương tác của các phân tử kết tinh chất lỏngdạng que với điện trườngvà sóngánhsángphân cực. Pha tinhthể lỏng tồn tại ở trạng thái cơ bản đượcgọi là cholesteric,trong đó các phân tử định hướngthành lớp,và mỗilớp 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, sóngđó bị “xoắnlại” một góc gần 90 độ so với sóngtới. Độ lớnchính xáccủa góc này làhàm mũ của phatinh thể lỏng cholesteric,nóphụ thuộc vào thành phần hóa học của cácphân tử (có thể được điều chỉnhtinh tế bằng sự thay đổi nhỏ trong cấu trúcphân tử). Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản củatinh thể lỏng với các dụngcụ hiển thị có thể tìm thấy trong sự hiển thị số tinhthể lỏng 7 đoạn (minh họa trong hình 9).Ở đây, phatinh thể lỏngnằm kẹpgiữa haiđĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự như miêu tả trong hình. Trong hình 9, cácđĩa thủy tinhđịnh hìnhvới 7điện cực màu đencó thể tích điện riêng rẽ (những điện cực nàylà trong suốt đối với ánh sáng trong dụngcụ thực). Ánh sáng truyền quabản phân cực 1 bị phâncực theo chiềuđứng và, khikhông có dòngđiệnáp vào các điện cực, phatinh thể lỏng gây ra góc “xoắn” 90độ của ánh sángcho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2 bị phân cực ngangvà định hướngvuônggóc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi đó có thể tạo nên một trongbảy đoạn trên màn hiển thị. Khi dòngđiện được áp vào các điện cực, pha tinhthể lỏng sắp thẳng hàng với dòng điện và mấtđi đặc trưng xoắn ốc cholesteric. Ánhsáng truyềnqua một điện cựctích điện khôngbị xoắn và bị chặn lại bởi bảnphân cực2. Bằng cách phối hợp điện thế trên bảy điện cựcdương và âm, màn hiểnthị có khả năngbiểu diễn các số từ 0 đến 9. Trongví 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, chophép tạora số “2” trên màn hiển thị (nhìn ngược lại trong hình 9). Hiện tượng hoạt tính quang họctrongnhững chất nhấtđịnh cónguyên nhân từ khả năng của chúng làmquay mặtphẳng củaánhsáng phâncực.Thuộc loại này là nhiều loại đường, aminoacid,các sảnphẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất định vàmột số chất dùng làm thuốc uống.Độ quay đượcđo bằngcách đặt một dungdịch hóachất mụctiêu giữa hai bản phân cực bắtchéo trong thiết bị có tên là máy nghiệm phân cực.Đượcquan sátthấy lần đầu tiênvào năm1811 bởi nhà vật lí người PhápDominiqueArago,hoạt tính quang học đóngvai trò quan trọng trong nhiều quá trìnhsinh hóa đa dạng, trong đó hìnhhọc cấu trúc củaphân tử chi phối sự tương tác củachúng.Các hóa chất làmquaymặt phẳngdao động của ánh sáng phân cựctheo chiều kimđồnghồ đượcgọi là dextrorotatory levorotatory.Hai hóa chất có cùngcông thức phân tử nhưngkhác nhau về tính chất quang học được gọi là đồngphân quang học, chúng làm quaymặt phẳng củaánh sángphân cực theo những hướng khác nhau. Các tinh thể không đối xứng có thể đượcdùng để tạo raánh sáng phân cực khi áp điện trườngvào bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởngnày có tên làtế bào Pockels, cóthể dùng chungvới ánhsáng phân cực làm thay đổi hướng phân cựcđi 90 độ.Tế bào Pockelscó thể bật và tắtrất nhanhbằng dòng điện và thường đượcdùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi quatrongkhoảng thời gian rất ngắn (cỡ nano giây). Hình 10biểu diễn sự truyền ánh sáng phân cực qua tế bào Pockels (sóng màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh vàđỏ phát ra từ vùng giữacủa tế bào biểu diễn cho ánh sángphân cựcđứng hoặc ngang.Khi tế bào tắt, ánh sáng phân cực không ảnh hưởnggì khi nótruyền qua (sóng màu xanh),nhưng khi tế bào hoạt động hoặcmở, vectơ điện của chùm ánhsáng lệch đi 90 độ (sóng màu đỏ). Trong trường hợp cóđiện trườngcực lớn, các phân tử của chất lỏng và chất khí nhấtđịnh có thể xử sự như tinhthể dị hướng vàsắp thẳng hàng theo kiểu tương tự. Tế bào Kerr, thiết kế dùng chất lỏng và chất khí gia dụng thaycho các tinh thể, cũnghoạt độngtrên cơ sở làm thay đổi góc ánhsáng phân cực. Những ứng dụng kháccủa ánh sáng phân cực bao gồm nhữngchiếc kính râm Polaroidđã nói ở trên,cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt dùng cho thấu kínhcamera. Nhiều thiết bị khoa họcđa dạng sử dụng ánh sáng phân cực, hoặc phát ra bởilaser, hoặc quasự phân cực của các nguồn nóng sáng và huỳnh quangbằngnhiều kĩ thuật khác nhau.Các bảnphân cựcđôi khiđược sử dụng trong phòng vàchiếu sáng sân khấu để làm giảm ánh chói và tăngđộ rọi sáng, và mang kính để cảm nhận chiều sâu với những bộ phim bachiều. Các bảnphân cực bắt chéo còn được dùng trong bộ quần áo du hànhvũ trụ để làmgiảm độtngộtkhả năngánh sáng phát ratừ Mặt Trời đi vàomắt của nhàdu hành vũ trụ trong lúc ngủ. Sự phân cực ánh sáng rất có ích trongnhiều mặt của kính hiểnvi quanghọc. Kính hiển vi ánh sáng phân cực được thiết kế dành choquan sátvà chụp ảnh các vật nhìnthấy được chủ yếu dođặc trưng bất đẳng hướng về mặtquang học của chúng. Các chất dị hướng có tính chất quang họcthay đổi theo hướng truyền của ánh sáng đi quachúng.Để hoàn thành công việcnày, kính hiểnvi phải được trang bị cả bảnphân cực, đặt trong đường đi của tia sáng trướcmẫu vật, và bản phân tích (bản phân cực thứ hai), đặt trongquang trìnhgiữalỗ sauvật kính và ốngquan sát hoặc cổng camera. Sự tương phản ảnh tănglên do sự tương táccủa ánh sáng phân cực phẳng với chất lưỡngchiết (hoặc khúcxạ kép),tạo rahai thànhphầnsóng riêng rẽ phân cực trong những mặtphẳng vuông góc với nhau.Vận tốccủa các thành phần này khác nhau và thay đổitheo hướng truyền ánh sáng qua vật. Sau khirakhỏi vật,các thành phầnánh sáng lệch pha nhauvà quét nên một hìnhelipvuông gócvới hướngtruyền, nhưng kết hợp lại qua sự giao thoa tăng cườngvà triệt tiêu khi chúng truyềnqua bản phân tích.Kínhhiển vi ánh sáng phân cực là kĩ thuật nâng cao độ tương phản cải thiện chấtlượng ảnh thu được với chất lưỡngchiết khi so với nhữngkĩ thuật khác như sự chiếu sáng trườngtối vàtrường sáng, tương phản giao thoavi sai, tươngphản pha,tươngphản điều biến Hoffman,và sự huỳnh quang.Ngoài ra, việc sử dụng phân cực cũng chophép đo đạc những tínhchất quanghọc của khoáng vật vàcác chất tương tự và cóthể giúp phân loại và nhận dạng các chấtchưa biết. . nhìn thấyánh sángphân cực. Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn Trongánh sángphân cựcthẳng, vectơ điện trườngdao độngtheo hướng vuônggóc vớihướng truyền sáng, như đã nóiở trên. Các nguồnsáng tự. Sự phân cực ánh sáng Lượngánh sángtruyền quacặp bản phân cực chất lượngcao bắt chéo được xác định bằng sự định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản phân cực ịnh hướng. cường độ ánh sáng truyềnqua bảnphân tích(và toàn bộ lượng ánh sáng truyền quacặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cườngđộ ánhsáng tới trên bản phân cực, và qlà gócgiữa trụctruyền của bản phân cực và