Benjamin Crowell
4.3 Các hiệu ứng giao thoa
Nếu bạn nhìn vào mặt trước của một cặp ống nhòm chất lượng cao, bạn sẽ để ý thấy một lớp phủ màu hơi xanh trên các thấu kính. Ở đây rõ ràng sự phản xạ là không ai trông đợi – chúng ta muốn ánh sáng đi vào trong ống nhòm – nhưng từ trước đến giờ tôi đã mô tả sự phản xạ là một hiệu ứng không thể thay đổi của tự nhiên, chỉ tùy thuộc vào tính chất của hai môi trường sóng. Lớp phủ ngoài không làm thay đổi tốc độ ánh sáng trong không khí hay trong thủy tinh, vậy làm thế nào nó có thể hoạt động ? Vấn đề là bản thân lớp phủ ngoài là một môi trường sóng. Nói cách khác, chúng ta có ba lớp sandwich vật liệu: không khí, lớp phủ ngoài, và thủy tinh. Chúng ta sẽ phân tích cách thức lớp phủ ngoài hoạt động, không phải vì các lớp phủ quang là một phần quan trọng của chương trình học của bạn, mà vì nó mang lại một ví dụ tốt cho những hiện tượng chung của các hiệu ứng giao thoa sóng.
Có hai mặt tiếp giáp khác nhau giữa các môi trường: một ranh giới không khí-lớp phủ và một ranh giới lớp phủ-thủy tinh. Để cho dễ hình dung, hãy bắt đầu bằng cách xét một hệ tương đương gồm ba đoạn dây không giống nhau buộc lại với nhau, và một dạng sóng lúc ban đầu gồm một xung đơn lập. Hình l/1 cho thấy xung tới chuyển động qua sợi dây nặng, trong đó vận tốc của nó thấp. Khi nó đi tới sợi dây nhẹ hơn ở chính giữa, một môi trường nhanh hơn, nó bị phản xạ một phần và một phần truyền qua. (Xung truyền qua lớn hơn, tuy vậy nó chỉ có một phần của năng lượng ban đầu) Xung truyền qua bởi ranh giới thứ nhất sau đó bị phản xạ một phần và một phần truyền qua bởi ranh giới thứ hai, 3. Trong hình 4, hai xung trên đường truyền trở về bên trái, và một xung tiến sang bên phải. (Vẫn có một xung yếu bắt giữa hai ranh giới, và xung này sẽ chạy tới lui, nhanh chóng yếu đi rất nhiều để phát hiện vì nó thất thoát năng lượng ra bên ngoài với từng sự phản xạ một phần).
Hãy lưu ý làm thế nào, trong hai xung phản xạ ở hình 4, một xung bị lộn ngược và một xung không lộn ngược. Một xung chịu sự phản xạ tại ranh giới thứ nhất (phản xạ trở vào môi trường chậm hơn không bị lộn ngược), còn xung kia bị phản xạ tại ranh giới thứ hai (phản xạ trở lại môi trường nhanh hơn bị lộn ngược).
Bây giờ hãy tưởng tượng chuyện gì sẽ xảy ra nếu như dạng sóng tới là một đoàn sóng sin dài thay vì một xung đơn lẻ. Hai sóng đầu tiên xuất hiện trở lại về bên trái có thể cùng pha, m/1, hoặc ngược pha, 2, hoặc bất kì trường hợp nào giữa hai trường hợp đó. Lượng trễ pha giữa chúng tùy thuộc hoàn toàn vào chiều rộng của đoạn dây chính giữa. Nếu chúng ta chọn chiều rộng của đoạn dây chính giữa hợp lí, thì chúng ta có thể sắp xếp cho sự giao thoa triệt tiêu xảy ra, 2, với sự khử nhau mang lại một sóng phản xạ rất yếu.
Toàn bộ phân tích này áp dụng trực tiếp cho trường hợp ban đầu của chúng ta về các lớp tránh quang học. Ánh sáng khả kiến phát ra từ đa số các nguồn thật sự gồm một dòng của các đoàn sóng dạng sin ngắn như sóng đã vẽ ở hình bên. Sự khác biệt thật sự duy nhất giữa ví dụ sóng trên sợi dây và trường hợp lớp tráng quang học là môi trường thứ nhất và thứ ba là không khí và thủy tinh, trong đó ánh sáng không có vận tốc bằng nhau. Tuy nhiên, kết quả nói chung là không đổi chừng nào mà không khí và thủy tinh có tốc độ sóng ánh sáng đều lớn hơn tốc độ ánh sáng của lớp tráng hoặc đều nhỏ hơn tốc độ ánh sáng của lớp tráng.
Kinh doanh các lớp tráng quang học hóa ra là một công việc rất bí quyết, với vô số bí mật thương mại và các kĩ thuật “thần kì đen tối” trao tay từ ông chủ tới kẻ học nghề. Tuy vậy, các ý tưởng mà bạn đã học được về sóng nói chung là đủ để cho phép bạn đi đến một số kết luận rõ ràng mà không cần đến bất cứ kiến thức kĩ thuật nào khác. Các câu hỏi tự kiểm tra và câu hỏi thảo luận (J) sẽ hướng bạn theo những dòng suy nghĩ này.
Ví dụ về một lớp tráng quang là tiêu biểu cho sự đa dạng của các hiệu ứng giao thoa sóng. Với một chút hướng dẫn, giờ thì bạn đã sẵn sàng tự tìm hiểu những ví dụ khác như hình ảnh cầu vồng tạo ra bởi một đĩa compact, một lớp dầu trên vũng nước, hay một bong bóng xà phòng.
k/ Nhìn từ góc độ này, lớp phủ quang ngoài trên các thấu kính của cái ống nhòm này có vẻ màu tía và xanh lá. (Màu sắc thay đổi tùy thuộc vào góc độ nhìn lớp phủ ngoài, và góc nhìn thay đổi qua khắp mặt của các thấu kính do sự cong của chúng)
l/ Một sợi dây gồm ba đoạn, đoạn chính giữa nhẹ hơn.
m/ Hai sóng phản xạ, chồng lên nhau. Một sóng phản xạ bị lộn ngược.
n/ Bong bóng xà phòng biểu hiện hiệu ứng giao thoa
1. Màu sắc tương ứng với bước sóng của các sóng ánh sáng. Hỏi người ta có thể chọn chiều dày cho một lớp tráng quang sẽ tạo ra sự giao thoa triệt tiêu đối với tất cả màu sắc của ánh sáng hay không ?
2. Làm thế nào bạn có thể giải thích các màu cầu vồng trên bọt xà phòng trong hình n ?
A. Có thể nào thu được sự giao thoa triệt tiêu hoàn toàn trong một lớp tráng quang, ít nhất là đối với ánh sáng có một bước sóng nhất định nào đó, hay không ?
B. Ánh sáng Mặt trời gồm các đoàn sóng dạng sin chứa trên bậc một trăm chu kì, đối với chiều dài cỡ một phần mười của milimet. Điều gì xảy ra nếu bạn thử chế tạo một lớp tráng quang dày hơn chiều dài này ?
C. Giả sử bạn lấy hai miếng bản soi kính hiển vi và đặt miếng này chồng lên miếng kia sao cho một trong các gờ của nó nằm trên gờ tương ứng của miếng kia. Nếu bạn chèn một mảnh giấy hay một sợi tóc tại đầu đối diện, thì một lớp không khí hình nêm sẽ tồn tại ở chính giữa, với bề dày thay đổi đều từ đầu này sang đầu kia. Bạn sẽ muốn trông thấy điều gì nếu các bản soi được chiếu sáng từ phía trên bởi ánh sáng thuộc một màu đơn sắc ? Cái bạn nhìn thấy này sẽ thay đổi như thế nào nếu bạn nâng phía đầu thấp của bản soi phía trên lên cho đến khi cuối cùng hai bản soi song song nhau ?
D. Một quan sát giống như kiểu vừa mô tả trong câu hỏi thảo luận trên đã được Newton sử dụng làm bằng chứng chống lại lí thuyết sóng của ánh sáng! Nếu như Newton không biết gì về sự phản xạ lộn ngược và không lộn ngược, thì cái gì sẽ dường như không thể nào giải thích được đối với ông về chỗ nơi lớp không khí có bề dày zero hoặc gần như zero ?
Còn tiếp....
