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 ảnh tương 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 nhiều 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(θ_i)/sin(θ_r) = sin(θ_i)/sin(θ_90-i) = tan(θ_i)

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, những 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.

Lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực chất lượng cao bắt chéo được xác định bằng sự định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản phân cực định hướng vuông góc nhau, chúng biểu hiện một mức dập tắt cực đại. Tuy nhiên, ở những góc khác, mức độ dập tắt thay đổi như minh họa bởi biểu đồ vectơ trong hình 6. Bản phân tích được dùng để điểu chỉnh lượng ánh sáng truyền qua cặp bắt chéo, và có thể quay trong đường đi tia sáng để cho các biên độ khác nhau của ánh sáng phân cực truyền qua. Trong hình 6a, bản phân cực và bản phân tích có trục truyền song song nhau và vectơ điện của ánh sáng truyền qua bản phân cực và bản phân tích có độ lớn bằng nhau và song song với nhau.

Quay trục truyển bản phân tích đi 30 độ so với trục truyền của bản phân cực làm giảm biên độ của sóng ánh sáng truyền qua cặp bản, như minh họa trong hình 6b. Trong trường hợp này, ánh sáng phân cực truyền qua bản phân cực có thể phân tích thành những thành phần nằm ngang và thẳng đứng bằng toán học vectơ để xác định biên độ của ánh sáng phân cực có thể truyền qua bản phân tích. Biên độ của tia truyền qua bản phân tích bằng với thành phần vectơ đứng (minh họa là mũi tên màu vàng trong hình 6b).

Tiếp tục quay trục truyền bản phân tích đến góc 60 so với trục truyền bản phân cực, làm giảm hơn nữa biên độ của thành phần vectơ truyền qua bản phân tích (hình 6c). Khi bản phân tích và bản phân cực hoàn toàn chéo góc (góc 90 độ) thì thành phần thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình 6d) và các bản phân cực thu được giá trị dập tắt cực đại của chúng.

Lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực có thể được mô tả định lượng bằng cách áp dụng định luật bình phương cosin Malus, là hàm của góc giữa các trục truyền bản phân cực:

I = I (o) cos² θ

trong đó I là cường độ ánh sáng truyền qua bản phân tích (và toàn bộ lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cường độ ánh sáng tới trên bản phân cực, và q là góc giữa trục truyền của bản phân cực và bản phân tích. Bằng việc giải phương trình, có thể xác định khi hai bản phân cực chéo góc (θ = 90 độ) thì cường độ bằng không. Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua bởi bản phân cực bị dập tắt hoàn toàn bởi bản phân tích. Khi các bản phân cực xiên góc 30 và 60 độ, ánh sáng truyền qua bởi bản phân tích giảm đi tương ứng là 25% và 75%.

Sự phân cực của ánh sáng 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 hình 7). 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 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.

Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn

Trong ánh sáng phân cực thẳng, vectơ điện trường dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sáng, như đã nói ở trên. Các nguồn sáng tự nhiên, như ánh sáng Mặt Trời, và các nguồn sáng nhân tạo, gồm ánh sáng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, đều phát ra ánh sáng có vectơ điện định hướng ngẫu nhiên trong không gian và thời gian. Ánh sáng thuộc loại này gọi là không phân cực. Ngoài ra, cũng tồn tại một vài trạng thái ánh sáng phân cực elip nằm giữa phân cực thẳng và không phân cực, trong đó vectơ điện trường có hình dạng elip trong mọi mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng ánh sáng.

Sự phân cực elip, không giống như ánh sáng phân cực phẳng và không phân cực, có “cảm giác” quay theo hướng quay vectơ điện xung quanh trục truyền (tới) của chùm tia sáng. Khi nhìn từ phía sau lại, hướng phân cực có thể là xoay sang trái hoặc xoay sang phải, một tính chất gọi là độc khuynh của sự phân cực elip. Sự quét vectơ xoay theo chiều kim đồng hồ được cho là phân cực phải (thuận), và sự quét vectơ xoay ngược chiều kim đồng hồ là phân cực trái (nghịch).

Trong trường hợp mà trục chính và trục vectơ phụ của elip phân cực bằng nhau, thì sóng ánh sáng rơi vào loại ánh sáng phân cực tròn, và có thể phân cực trái hoặc phải. Một trường hợp nữa thường xảy ra trong đó trục chính của thành phần vectơ điện trong ánh sáng phân cực elip tiến tới không, và ánh sáng trở nên phân cực thẳng. Mặc dù mỗi kiểu phân cực có thể thu được trong phòng thí nghiệm với thiết bị quang học thích hợp, chúng cũng xảy ra trong ánh sáng tự nhiên không phân cực.

Sóng ánh sáng thường và bất thường phát ra khi chùm ánh sáng truyền qua tinh thể lưỡng chiết có vectơ điện phân cực phẳng vuông góc với nhau. Ngoài ra, do sự giao thoa trong tương tác điện tử mà mỗi thành phần trải qua trong hành trình của nó đi qua tinh thể, thường xuất hiện một sự lệch pha giữa hai sóng. Mặc dù sóng thường và sóng bất thường đi theo quỹ đạo độc lập nhau và tách xa nhau trong tihn thể canxit đã mô tả ở phần trên, nhưng đây không phải là trường hợp phổ biến đối với những chất kết tinh có một trục quang vuông góc với mặt phẳng chiếu sáng tới.

Một loại chất đặc biệt, gọi là đĩa bù hoặc đĩa trễ, khá 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

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).

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 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.

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  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

Bài trước | Bài kế tiếp