Sự giao thoa ánh sáng Isaac Newton, nhà toánhọc và nhà vật líhọc người Anhnổi tiếng của thế kỉ 19, làmột trongnhững nhà khoahọc đầu tiênnghiên cứu hiện tượnggiao thoa. Ông bị hiếu kì trước sự hiển thị màu sắc sặc sỡ trên bề mặt của bongbóng xà phòng,đặc biệt làkhi xem các bong bóng được tạothành từ dungmôi xà phòng khôngmàu. Newton đã suy luận chính xác rằng màu sắc có thể là dosự quá gần nhau củabề mặt bên trongvà bênngoài của bong bóng,và nghĩ ra một phương pháp thực nghiệmtiến hànhđể nhại lại hình ảnh màu sắc quan sátđược. Trongthí nghiệmvòng Newtonnổi tiếngcủa ông (xemhình 6),Newton đặt mộtthấu kínhlồi có bán kính cong lớn trên mộtđĩa thủy tinh phẳngvà thiếtđặt áp lựcthôngqua bộ khung bằng đồngđể giữ thấu kính vàđĩa với nhau, nhưngvẫn cách nhau một khoảng trốngrất mỏng chứa đầy không khí và có cùng định hướng như ánh sáng nhìn thấy. Khi ông quansát đĩa bằng ánhsáng phản xạ, ôngnhìn thấy một dảiđồng tâmcả các vùng màu sángvà tối. Sự phát triểncó trật tự của các vòngkhiếnNewton ngạc nhiên. Gần tâm của điểm tiếp xúc, các vòng rộng hơn và hìnhảnh màu sắc có trật tự bắtđầu với màu đen, rồi phát triển yếu dần sangxanh dương, trắng,cam, đỏ, hồng,xanhdương, xanh lá cây vàvàng. Dảivân có cường độ lớn hơn và dày hơn ở vùng tâm, chúng mỏnghơn khi phát triểnra phía ngoài, và cuối cùng thì trải theo rìa củakhung bằngđồng. Newtoncũng nhận thấy nếu như ông rọi sáng thủy tinhbằngánh sáng đỏ, thì màu sắc sẽ thay đổi để tạo ra cácvạch đỏ và đen xen kẽ. Một cách tươngtự, ánh sáng xanh dương tạo ra các vòng xanhdươngvà đen, còn ánh sáng xanh lá cây tạo ra các vòngxanh lá câyvà đen.Ngoài ra, Newton cũngnhận thấy khoảng cách giữacác vòng phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng. Cácvòng màu xanh dươngở gần nhau hơn so vớicác vòng màu xanhlá cây, các vòng màu xanhlá câylại gần nhau hơnso với cácvòng màu đỏ (kết quả quan sát giống hệt như khoảngcáchvân giao thoa trong thí nghiệm kheđôi nếu sử dụng các bộ lọc màu khác nhau). Newton nhận thấy các vòng biểu hiện sự có mặt củamột số mức độ tuần hoàn, nhưng vẫn không hiểu nổikết quả thí nghiệm.Thật vậy, cơ sở vật lí cho sự hình thành cácvòng đã trở thành mộtbí ẩntồntại trên75 năm sau khi Newton qua đời. Mãi cho đến khiYoung đưa ra thí nghiệm kheđôi thì các nhàkhoa học mớinhận ra rằng ánh sáng phảnxạ từ mặt bên trên và mặt bên dưới củathủy tinh trở nên chồng chất, hoặc kết hợp lại, và tạo ra hìnhảnh giao thoa xuấthiện dưới dạng các vòng màu.Ngày nay, nguyên lícơ bản này đượcngười ta áp dụng trong các xưởngchế tạo kính để kiểm tramức độ đồng đều của cácbề mặt bóng lánglớn. Sự phân bố vângiao thoa (như trong thí nghiệm kheđôi củaYoung hoặc dụngcụ thí nghiệm vòngNewton) có cườngđộ biến đổi khi chúnghiện ra trên một nền không đổi. Độ khả kiến của cườngđộ (V) được địnhnghĩa bởiAlbert Michelson, nhàvật lí đầu thế kỉ 19,là độ chênh lệch giữa cường độ cực đại vàcực tiểu củamột vân chia cho tổng củachúng: Độ khả kiến (V) = (I(max) – I(min))/(I(max) + I(min)) trong đó I(max)là cường độ cực đại đođược và I(min) làcường độ cực tiểu tương ứng. Trong phương trình này, cường độ vân lí tưởng hóa luôn nằm giữa zero và1, nhưng trong thựctế cường độ vân phụ thuộc vào thiếtkế hìnhhọc của thí nghiệm và vùng phổ đượcsử dụng. Bộ lọc giao thoa Sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật hiển vi huỳnh quang, sử dụng cácquan sát tầmnhìn rộng quenthuộchoặc dùng kếthợp với kĩ thuật laser quét đồng tiêu và nhân quang, đã đưa tới sự phát triển nhanhchóng của côngnghệ lọc mới cho phép các nhà hiển vi họckích thíchcó chọn lọc các chấtfluorophorevà quan sát sự huỳnh quang thứ cấp với sự nhiễu nền nhỏ nhất. Vì những ứngdụng này màcác bộ lọc có nhiều lớpphủ mỏng chất lưỡng cựcđiện, thường đượcgọi là bộ lọc giao thoa, trở thành cơ cấuđược chọn cho việc chọnlọc bướcsóng. Nói chung, cácbộ lọc giao thoa cấu tạo từ bảnthủy tinh quang học phủ vật liệu lưỡng cựcđiện thànhlớp dày hoặc một phần haihoặc mộtphần tư bước sóng, chúng đóng vaitrò ngăncản và/hoặctăng cườngcó chọn lọc sự truyền các dải bướcsóng đặc biệt qua sự kết hợp củagiao thoa tăngcường vàtriệt tiêu (minh họa trong hình 7).Các bộ lọc đượcthiết kế để cho truyềnqua một phạm vi cógiới hạn bướcsóng được tăng thêm sức mạnh bởi sự giaothoa tăng cườnggiữa sóng ánh sáng truyền quavà sóng ánhsáng phản xạ. Các bước sóng không đượcchọn bởi bộ lọc khôngtăng cườnglẫn nhau,và bị loại bỏ bởi sự giao thoa triệt tiêu hoặc bị phản xạ ra xa bộ lọc. Vật liệu lưỡng cực điện thườngdùng trongcác bộ lọc giao thoa là các muối kim loạikhôngdẫn điện vàkim loại nguyên chất có giá trị chiết suất nhất định. Các muốinhư kẽm sunfit, natri nhôm florit,và magiê florit, cũngnhư các kim loại,ví dụ như nhôm, vàmột vài vật liệu chọn lọc khác được sử dụng choviệc thiếtkế vàchế tạo những bộ lọc thuộc loại này.Các bộ lọc giao thoa, rất giốngvới cấu trúckitin mỏngtrong côn trùng lónglánh ngũ sắc hoặcmàng xàphòng mỏng đã nói ở phần trên,dựa vào nhữngđặc tínhvật lí tồn tại ở mặt phân giới giữa hailớp vật liệu lưỡng cực điện rất mỏng có chiết suất khác nhau để phảnxạ, cho truyền qua,và xúc tiếnsự giaothoa giữa các sóngánh sángtới. Việc chọn lọcbước sóngphụ thuộcvào chiều dày lớp lưỡng cực điệnvà chiết suấtcủa lớp mỏng phủ bên ngoài dùngchế tạo nên bộ lọc. Các lớp phủ ngoài bộ lọc giaothoa được chế tạo theotừng đơnvị gọi là khoang, mỗi khoang chứa bốn hoặc nămlớp muối lưỡng cực xen kẽ, các khoang phân cách nhaubởi lớpphân cách. Số lượng khoangxác định độ chính xác toànthể của việcchọn lọcbước sóng. Hiệu suất lọc vàchọn lọc bước sóng có thể làm tăng đột ngộtbằngcách tăng số lượng khoang,ví dụ như bộ lọc hiệu suất cao hiện nay có tới 10-15 khoang vàcó thể tạora dải thôngcủa một bước sóng.Nhữngbộ lọc có tính chọnlọc cao này đã kích thích nghiên cứu truytìm những loại thuộc thuốc nhuộm fluorophoremới,và đột ngột đẩy mạnhviệc tìmkiếm các biến thể đột biến của proteinhoạttính sinh họcphổ biến huỳnh quangmàu xanhlá cây (GFP). Tạo ảnh nổi ba chiều bằng sự giao thoa Nguyên lí vàlí thuyết tạo ảnh ảo ba chiều (hologram)bằng phương pháp giao thoađã được phácthảo bởi DennisGabor từ nhữngnăm 1940, nhưngông đã khôngcó trongtay các nguồnlaser kết hợp tinh vi để tạo ra những hình ảnh ảo ba chiềunày. Laser rađời vàonăm 1960 và hai năm sauđó, hai chàngsinh viên tốt nghiệp trườngđại học Michiganlà JurisUpatnieksvà EmmetLeith đã thànhcông trong việc tạora hologramđầu tiên. Hologramvề cơ bản là các bảnghi ảnh được chế tạo với hai bộ sóng ánh sáng kết hợp. Một bộ sóng phản xạ lên phimảnh bởi vật thể được ghi hình(tương tự như cơ chế chụphình thôngthường),còn bộ sóng kia đi tớiphimmà không phản xạ, hoặc truyềnqua, vật thể. Khi hai bộ sóng laser cuối cùng gặpnhau trênmặt phẳngphim, chúngtạo rahình ảnh giao thoa (vân) được ghilại dưới dạng ảnh bachiều. Trongkĩ thuật hologram phản xạ, cả chùm laserrọi vật thể và chùm laser thamchiếu (thường là laserheli-neon)đều phản xạ trên mộtmàng mỏngtừ các phía ngược nhau.Những chùm giao thoa với trường ánh sáng vàcác vùng tốinày tương tác nhau tạo ramột hình ảnhba chiều. Kĩ thuật hologram phản xạ tìm thấy ngày càng nhiều ứng dụngnhư làm vật nhận dạng bằng lái xe,thẻ tín dụng, dấu hiệu nhận dạng,và chống giả mạo.Thường thì chúng hiển thị hình màu củalogo, số nhậndạng, hoặchìnhảnhnhất địnhtạo ra bằngánh sánglasercó bamàu sơ cấp. Mỗilaser tạo ra mộthình ảnhgiao thoađộc nhất vô nhị, và các ảnhsẽ chồng gộp lên nhautạo nên ảnh cuối cùng. Dochúng hầu như không thể nàosao chép được nên hologram phản xạ là dụng cụ bảo mậtcó giá trị cao. Kĩ thuật hologramtruyền qua sử dụngcả chùm laser thamchiếu và laser rọi vật thể ở cùngphía của màng để tạo ra hiệu ứng tương tự như hologramphản xạ (hình 8).Một bộ sónglaser dùng rọi sáng vật thể được ghi hình, nó phản xạ sóng và tán xạ chúng theo cách tương tự như việc rọi sáng thông thường.Ngoàira, một chùmlaser tham chiếu phân cực đượcáp vào theo hướng songsong với mặt phẳng phim hologram.Sóng ánh sáng tán xạ (phản xạ) chạm tới phim nhũ tương đồng thời với sóng thamchiếu,tại đó chúnggiao thoa nhautạo nên hình ảnh vân giao thoa. Hologramtruyền quacó một số ứng dụng, nhưngmột trongnhững ứng dụng thú vị nhất là bản hiểnthị trước mắtngười phi công. Trongbuồng lái máy bay thông thường,người phi công phải lỉên tục thay đổi sự chú ý của anh ta giữa cửa sổ và bảnđiều khiển. Với kĩ thuật hiểnthị hologram, một hình ảnh nổi ba chiều của bản điều khiểnmáy bayphản xạ trên mộtcái đĩa đặt gần mắt củaphi công,nên người phi công có thể đồngthờiquan sát bản điều khiển và chân trời. Kết luận Ngoài các bongbóng xàphòng, nhữngcon côntrùng lóng lánh ngũ sắc tuyệt đẹp, vànhiều thí dụ khácđã nói tới ở trên, hiện tượng giaothoaánh sángkhả kiến xảy ra khá thường xuyên trong tự nhiên và thườngđượcdùng trong nhiều ứng dụngđa dạng của con người. Ví dụ, phổ màu sắc giốngnhư cầu vồngquan sát thấy bên trong vỏ bào ngư (hình9) phát sinh bởi những những lớpkhoáng cứng rất mỏnggọi là xà cừ hay mẹ của ngọc trai. Ánhsáng phản xạ từ cáclớp liên tiếp chịu sự giao thoa, tạo ra sự hiển thị màu sắc theokiểu tươngtự với hiện tượngquan sát thấytừ nhiều lớp kitin trên bộ xương ngoài của mộtvài loài côn trùng cánh cứng. Tương tự như vậy, lớp vảy óng ánh như bạc trên một số loài cá tạo ra hìnhảnh giao thoanhiều màu sắc do nhiềulớp có bề dày khácnhau. Con mắt óng ánhcủa lông con công là mộtví dụ khác chohiện tượng giao thoa (hình 9). Cấu trúchình que nhỏ xíu cấutạo nên proteinsắc tố melanin sắp xếp theo kiểu trật tự tạo ramàu sắc giao thoa kì lạ khiquan sát từ nhữnggóc độ khác nhau. Trongthế giới khoángvật, ngọc mắtmèo ngũ sắc cấu tạo từ những quả cầu silicatvi mô sắp xếp thành từng lớp đều đặn. Mỗi quả cầu phản xạ ánh sángtới chồng chập với ánh sángphản xạ từ những quả cầu lân cận tạo radải màu cực đẹp thayđổi mỗi khi người ta xoayhònngọc. Ứng dụng đángkể vàrất hữu dụngcủa hiệu ứng giao thoa làđo đạc những khoảng cách lớn với thiết bị laser chính xác.Các hệ lasercó thể đượcsử dụng để đo nhữngkhoảngcách rất nhỏ trong phạm vinhiều dặm, một công việc được hoàn thành bằng cách táchchùm tia laservà phản xạ nó trở lại từ nhữngbề mặt liền kề rất gần nhau. Trên cơ sở kếthợp lại các chùm laser phân tách, việc phân tích các vân giaothoa thu được sẽ manglại một tính toán chính xác đặcbiệt về khoảng cách giữa hai bề mặt. Kĩ thuật này cũngđượcsử dụng phổ biến trongcác hệ chỉ dẫn laserđược thiết kế cho việc điều khiển đườngbay của máy bay có ngườilái và khôngcó người lái, của tên lửa vàbom. Sự giao thoa cũng xuất hiệntrong những lĩnh vực khácnhư sóngâm (trong khôngkhí) và cácgợn sóng lăn tăn trên mặt hồ phẳng lặng. Một thí nghiệm giao thoa rất gọnvà dễ thựchiện cóthể tiếnhành ở nhà bằng chậu đựngđầy nước và hai hòn bi. Trướctiên, hãy để mặt nước trở nên phẳng lặng, rồi đồngthời thả hai hònbivào nước (cáchnhau chừng10-14 inch)từ độ cao khoảng 1 foot.Giống hệt như sóng ánh sáng,hai hòn bisẽ sinh ramột loạtsóng trong nướctruyền đi theo mọihướng. Các sóngnằm trong khuvực giữahai điểm nơi haihònbi rơi vào nước sẽ vachạm với nhau. Nơi chúngva chạm đồngbộ, chúng sẽ tăng cườngcộng gộp với nhautạo ra sónglớn hơn, và nơi chúngva chạm không đồng bộ với nhau, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Giao thoa xuấthiện ở nhiều dạng ảnh hưởng tới những điều chúngta nhìn thấytrong cuộc sốnghàng ngày. Sự tương tác giữa cácsóng ánh sáng rất gần nhau xảy ra khá thường xuyên nên hiện tượng thường khôngđược để ý tới và đượcmặc nhiênchấp nhận. Tuynhiên,từ những đóng góp cơ bản của nócho lí thuyếtvật lí tạo ảnhvà vô số loài côn trùngbiếnhình kì lạ, chođến màu sắc tuyệt diệu của các vầng và hào quangtrong bầu khíquyển, sự giao thoa củasóng ánh sáng đã giúp mang tới sự đa dạngvề màu sắc cho thế giới xung quanh chúng ta. . Sự giao thoa ánh sáng Isaac Newton, nhà toánhọc và nhà vật líhọc người Anhnổi tiếng của thế kỉ 19, làmột trongnhững nhà khoahọc đầu tiênnghiên cứu hiện tượnggiao thoa. Ông bị hiếu kì trước sự. như ông rọi sáng thủy tinhbằngánh sáng đỏ, thì màu sắc sẽ thay đổi để tạo ra cácvạch đỏ và đen xen kẽ. Một cách tươngtự, ánh sáng xanh dương tạo ra các vòng xanhdươngvà đen, còn ánh sáng xanh lá. giaothoa tăng cườnggiữa sóng ánh sáng truyền quavà sóng ánhsáng phản xạ. Các bước sóng không đượcchọn bởi bộ lọc khôngtăng cườnglẫn nhau,và bị loại bỏ bởi sự giao thoa triệt tiêu hoặc bị phản