Sự phân cực ánh sáng

có ích trong việc tạo ra ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn cho một số ứng dụng, như kính hiển vi quang học phân cực. Những chất lưỡng chiết này được chọn bởi vì, khi trục quang của chúng đặt vuông góc với chùm tia sáng tới, thì các tia sáng thường và bất thường đi theo quỹ đạo giống hệt nhau và biểu hiện sự lệch pha phụ thuộc vào mức độ lưỡng chiết. Vì cặp sóng trực giao bị chồng chất, nên có thể xem là một sóng có các thành phần vectơ điện vuông góc với nhau cách nhau bởi một sự chênh lệch nhỏ về pha. Khi các vectơ kết hợp bằng cách cộng lại đơn giản trong không gian ba chiều, sóng thu được trở thành bị phân cực elip. Ý tưởng này được minh họa trong hình 8, trong đó vectơ điện tổng hợp không dao động trong một mặt phẳng, mà quay dần xung quanh trục truyền sóng ánh sáng, quét thành quỹ đạo elip xuất hiện dưới dạng đường xoắn ốc khi sóng được nhìn từ một góc nào đó. Độ lớn của sự lệch pha giữa sóng thường và sóng bất thường (có cùng biên độ) xác định vectơ quét thành elip hay đường tròn khi sóng được nhìn từ phía sau của hướng truyền sóng. Nếu độ lệch pha là 1/4 hoặc 3/4 bước sóng, thì vectơ tổng hợp vẽ nên xoắn ốc tròn. Tuy nhiên, độ lệch pha là 1/2 hoặc nguyên bước sóng thì tạo ra ánh sáng phân cực thẳng, và tất cả những độ lệch pha khác quét nên những hình dáng khác nhau của elip. Khi sóng thường và sóng bất thường đi ra khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng dao động trong những mặt phẳng vuông góc nhau có cường độ tổng hợp bằng tổng cường độ thành phần của chúng. Do sóng phân cực có vectơ điện dao động trong những mặt phẳng vuông góc, nên các sóng có khả năng chịu sự giao thoa. Thực tế này có hệ quả là khả năng sử dụng chất lưỡng chiết tạo ra hình ảnh. Giao thoa chỉ có thể xảy ra khi vectơ điện của hai sóng dao động trong cùng mặt phẳng trong suốt quá trình giao nhau để tạo ra sự thay đổi biên độ của sóng tổng hợp (một yêu cầu đối với sự tạo ảnh). Do đó, các vật trong suốt lưỡng chiết vẫn không nhìn thấy được, trừ khi chúng được xác định giữa các bản phân cực chéo nhau, chỉ truyền qua các thành phần sóng phân cực elip và phân cực tròn song song với bản phân cực gần người quan sát nhất. Những thành phần này có thể tạo ra các dao động biên độ gây ra độ tương phản và ló ra khỏi bản phân cực dưới dạng ánh sáng phân cực thẳng. Ứng dụng của ánh sáng phân cực Sự phân cực ánh sáng | Trang 9/12 Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cực là sự hiển thị tinh thể lỏng (LCD) dùng trong hàng loạt dụng cụ như đồng hồ đeo tay, màn hình máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tường và nhiều vật dụng khác. Các hệ hiển thị này dựa trên sự tương tác của các phân tử kết tinh chất lỏng dạng que với điện trường và sóng ánh sáng phân cực. Pha tinh thể lỏng tồn tại ở trạng thái cơ bản được gọi là cholesteric, trong đó các phân tử định hướng thành lớp, và mỗi lớp 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, sóng đó bị “xoắn lại” một góc gần 90 độ so với sóng tới. Độ lớn chính xác của góc này là hàm mũ của pha tinh thể lỏng cholesteric, nó phụ thuộc vào thành phần hóa học của các phân tử (có thể được điều chỉnh tinh tế bằng sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc phân tử). Hình 9. Hiển thị tinh thể lỏng 7 đoạn (LCD) Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản của tinh thể lỏng với các dụng cụ hiển thị có thể tìm thấy trong sự hiển thị số tinh thể lỏng 7 đoạn (minh họa trong hình 9). Ở đây, pha tinh thể lỏng nằm kẹp giữa hai đĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự như miêu tả trong hình. Trong hình 9, các đĩa thủy tinh định hình với 7 điện cực màu đen có thể tích điện riêng rẽ (những điện cực này là trong suốt đối với ánh sáng trong dụng cụ thực). Ánh sáng truyền qua bản phân cực 1 bị phân cực theo chiều đứng và, khi không có dòng điện áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng gây ra góc “xoắn” 90 độ của ánh sáng cho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2 bị phân cực ngang và định hướng vuông góc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi đó có thể tạo nên một trong bảy đoạn trên màn hiển thị. Khi dòng điện được áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng sắp thẳng hàng với dòng điện và mất đi đặc trưng xoắn ốc cholesteric. Ánh sáng truyền qua một điện cực tích điện không bị xoắn và bị chặn lại bởi bản phân cực 2. Bằng cách phối hợp điện thế trên bảy điện cực dương và âm, màn hiển thị có khả năng biểu diễn các số từ 0 đến 9. Trong ví 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, cho phép tạo ra số “2” trên màn hiển thị (nhìn ngược lại trong hình 9). Hiện tượng hoạt tính quang học trong những chất nhất định có nguyên nhân từ khả năng của chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Thuộc loại này là nhiều loại đường, amino acid, các sản phẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất Sự phân cực ánh sáng | Trang 10/12 định và một số chất dùng làm thuốc uống. Độ quay được đo bằng cách đặt một dung dịch hóa chất mục tiêu giữa hai bản phân cực bắt chéo trong thiết bị có tên là máy nghiệm phân cực. Được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà vật lí người Pháp Dominique Arago, hoạt tính quang học đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh hóa đa dạng, trong đó hình học cấu trúc của phân tử chi phối sự tương tác của chúng. Các hóa chất làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực theo chiều kim đồng hồ được gọi là dextrorotatory levorotatory. Hai hóa chất có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về tính chất quang học được gọi là đồng phân quang học, chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực theo những hướng khác nhau. Các tinh thể không đối xứng có thể được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực khi áp điện trường vào bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởng này có tên là tế bào Pockels, có thể dùng chung với ánh sáng phân cực làm thay đổi hướng phân cực đi 90 độ. Tế bào Pockels có thể bật và tắt rất nhanh bằng dòng điện và thường được dùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi qua trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ nano giây). Hình 10 biểu diễn sự truyền ánh sáng phân cực qua tế bào Pockels (sóng màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh và đỏ phát ra từ vùng giữa của tế bào biểu diễn cho ánh sáng phân cực đứng hoặc ngang. Khi tế bào tắt, ánh sáng phân cực không ảnh hưởng gì khi nó truyền qua (sóng màu xanh), nhưng khi tế bào hoạt động hoặc mở, vectơ điện của chùm ánh sáng lệch đi 90 độ (sóng màu đỏ). Trong trường hợp có điện trường cực lớn, các phân tử của chất lỏng và chất khí nhất định có thể xử sự như tinh thể dị hướng và sắp thẳng hàng theo kiểu tương tự. Tế bào Kerr, thiết kế dùng chất lỏng và chất khí gia dụng thay cho các tinh thể, cũng hoạt động trên cơ sở làm thay đổi góc ánh sáng phân cực. Hình 10. Cấu trúc của tế bào Pockels Những ứng dụng khác của ánh sáng phân cực bao gồm những chiếc kính râm Polaroid đã nói ở trên, cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt dùng cho thấu kính camera. Nhiều thiết bị khoa học đa dạng sử dụng ánh sáng phân cực, hoặc phát ra bởi laser, hoặc qua sự phân cực của các nguồn nóng sáng và huỳnh quang bằng nhiều kĩ thuật khác nhau. Các bản phân cực đôi khi được sử dụng trong phòng và chiếu sáng sân khấu để làm giảm ánh chói và tăng độ rọi sáng, và mang kính để cảm nhận chiều sâu với những bộ phim ba chiều. Các bản phân cực bắt chéo còn được dùng trong bộ quần áo du hành vũ trụ để làm giảm đột ngột khả năng ánh sáng phát ra từ Mặt Trời đi vào mắt của nhà du hành vũ trụ trong lúc ngủ. Sự phân cực ánh sáng rất có ích trong nhiều mặt của kính hiển vi quang học. Kính hiển vi ánh sáng phân cực được thiết kế dành cho quan sát và chụp ảnh các vật Sự phân cực ánh sáng | Trang 11/12 nhìn thấy được chủ yếu do đặc trưng bất đẳng hướng về mặt quang học của chúng. Các chất dị hướng có tính chất quang học thay đổi theo hướng truyền của ánh sáng đi qua chúng. Để hoàn thành công việc này, kính hiển vi phải được trang bị cả bản phân cực, đặt trong đường đi của tia sáng trước mẫu vật, và bản phân tích (bản phân cực thứ hai), đặt trong quang trình giữa lỗ sau vật kính và ống quan sát hoặc cổng camera. Sự tương phản ảnh tăng lên do sự tương tác của ánh sáng phân cực phẳng với chất lưỡng chiết (hoặc khúc xạ kép), tạo ra hai thành phần sóng riêng rẽ phân cực trong những mặt phẳng vuông góc với nhau. Vận tốc của các thành phần này khác nhau và thay đổi theo hướng truyền ánh sáng qua vật. Sau khi ra khỏi vật, các thành phần ánh sáng lệch pha nhau và quét nên một hình elip vuông góc với hướng truyền, nhưng kết hợp lại qua sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu khi chúng truyền qua bản phân tích. Kính hiển vi ánh sáng phân cực là kĩ thuật nâng cao độ tương phản cải thiện chất lượng ảnh thu được với chất lưỡng chiết khi so với những kĩ thuật khác như sự chiếu sáng trường tối và trường sáng, tương phản giao thoa vi sai, tương phản pha, tương phản điều biến Hoffman, và sự huỳnh quang. Ngoài ra, việc sử dụng phân cực cũng cho phép đo đạc những tính chất quang học của khoáng vật và các chất tương tự và có thể giúp phân loại và nhận dạng các chất chưa biết. Tác giả: Douglas B. Murphy, Kenneth R. Spring, Micheal W. Davidson (davidson@magnet.fsu.edu ) hiepkhachquay dịch Sự phân cực ánh sáng | Trang 12/12