Sự phân chia của ánh sáng

Lý thuyết

Ánh sáng tự nhiên và hiện tượng phân cực ánh sáng

Tia sáng, trong đó các vectơ điện trường ($E$) và từ trường ($H$) dao động trong các mặt phẳng vuông góc với nhau được gọi là tia sáng phân cực phẳng. Mặt phẳng trong đó vectơ điện trường $E$ dao động được gọi là mặt phẳng dao động. Mặt phẳng trong đó vectơ từ trường $H$ dao động được gọi là mặt phẳng phân cực.

Trong nguồn sáng có kích thước dù rất nhỏ, các quá trình cơ bản của sự bức xạ ánh sáng bởi các nguyên tử xảy ra độc lập với nhau, do đó các trục của các dao động vô hướng từ vi mô hỗn loạn và ánh sáng thông thường không bị phân cực. Trong ánh sáng tự nhiên phát ra từ bất kỳ nguồn nào, các dao động của các vectơ điện trường và từ trường xảy ra đồng nhất trong tất cả các mặt phẳng cắt nhau theo một đường thẳng song song với phương của tia sáng.

Sự phản ánh của ánh sáng trên các chất điện môi

Tia phản ánh thu được bị phân cực trong mặt phẳng đến (nghĩa là các dao động của vectơ điện trường trong tia phản ánh xảy ra theo phương vuông góc với mặt phẳng đến). Các hệ số phản ánh $S_1$ đối với tia phân cực trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng đến, được xác định bởi các công thức Fresnel. Theo các công thức Fresnel, khi ánh sáng tự nhiên đập vào thủy tinh có chỉ số khúc xạ $n=1,54$ dưới góc Brewster, sẽ có $16,5\mathrm{\%<!--\; \%\; -->}$ năng lượng của các dao động vuông góc với mặt phẳng đến và $0\mathrm{\%<!--\; \%\; -->}$ năng lượng của các dao động trong mặt phẳng đến được phản ánh. $100\mathrm{\%<!--\; \%\; -->}$ năng lượng của các dao động trong mặt phẳng đến và $83,5\mathrm{\%<!--\; \%\; -->}$ năng lượng của các dao động vuông góc với mặt phẳng đến bị khúc xạ.

Sự phân cực

Sự phân cực ánh sáng là sự tách khỏi chùm ánh sáng tự nhiên những tia phân cực trong một mặt phẳng xác định. Sự phân cực ánh sáng quan sát thấy trong sự phản ánh và khúc xạ của ánh sáng tự nhiên và cả khi nó truyền qua các môi trường không đồng đều, các môi trường này cho các tia dao động trong các mặt phẳng khác nhau đi qua không giống nhau (các kính phân cực).

Sự phân cực khi khúc xạ và phản ánh trên chất điện môi

Tia phản xạ sẽ bị hoàn toàn phân cực nếu góc tới bằng chỉ số khúc xạ tương đối của môi trường, và trên mặt giới hạn của nó xảy ra hiện tượng phản xạ: Định luật này được gọi là định luật Brewster, góc tới được gọi là góc Brewster (David Brewster, 1781-1868). Khi ánh sáng đập vào dưới góc Brewster, các tia phản xạ và khúc xạ tạo với nhau một góc vuông. Định luật Brewster đúng khi ánh sáng phản xạ trên các chất điện môi, nhưng không áp dụng khi ánh sáng phản xạ trên bề mặt kim loại.

Sự phân cực trong một bản chồng

Thay vì sử dụng một bản trong suốt, chúng ta dùng một chồng gồm nhiều bản và chiếu một chùm tia tự nhiên dưới góc Brewster vào, lúc này phần ánh sáng phân cực trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng tới sẽ tăng lên trong tia truyền thẳng, tăng tỷ lệ khi số các bản tăng lên. Tỷ lệ giữa năng lượng của các dao động với mặt phẳng tới và năng lượng của các dao động nằm trong mặt phẳng là 0,835m. Nếu m tăng, tia khúc xạ gần như bị phân cực hoàn toàn.

Hiện tượng lưỡng chiết

Khi tia sáng tự nhiên đập vào một tinh thể spat băng đảo, xảy ra hiện tượng lưỡng chiết. Tia sáng chia thành hai tia, tia thường và tia bất thường. Tia thường tuân theo định luật khúc xạ khi đi vào và ra khỏi tinh thể. Đối với tia này, chiết suất của nó trong tinh thể spat băng đảo là 1,659. Chiết suất của tia bất thường thay đổi và phụ thuộc vào hướng của nó. Tinh thể spat băng đảo là một khối thoi. Đường đi qua các đỉnh của những góc khối được gọi là trục tinh thể của tinh thể. Mỗi đường thẳng song song với trục gọi là quang trục của tinh thể. Tiết diện qua quang trục và pháp tuyến với mặt của tinh thể là tiết diện chính của tinh thể. Chiết suất của tia bất thường trong spat băng đảo dao động từ 1,659 (theo quang trục) đến 1,486 (theo phương vuông góc với quang trục). Nếu mặt phẳng tới không trùng với tiết diện chính của tinh thể, tia bất thường khi khúc xạ sẽ đi ra khỏi mặt tới và gần tiết diện chính. Đặc biệt, nếu tia sáng tự nhiên đập vuông góc với mặt tinh thể, nó sẽ chia thành hai, vì tia thường đi qua tinh thể mà không bị lệch, còn tia bất thường bị lệch ra khỏi mặt tới. Các tia thường và bất thường phân cực trong các mặt phẳng vuông góc với nhau.

Kính phân cực Nichols

Để phân biệt rõ ràng giữa tia thường và tia bất thường, người ta sử dụng lăng kính Nichols, hay còn gọi là nicôn. Lăng kính Nichols bao gồm hai phần của tinh thể spat băng đảo được cưa rời rồi được nối lại bằng nhựa thơm Canada. Khi ánh sáng tự nhiên đi qua lăng kính Nichols, nó được phân tách thành tia thường và tia bất thường. Tia thường bị phản xạ toàn phần trên lớp nhựa thơm Canada vì chiết suất của nó ($1,659$) lớn hơn chiết suất của nhựa thơm Canada ($1,549$), với góc tới trên mặt giới hạn được lựa chọn sao cho lớn hơn góc giới hạn, từ đó bắt đầu sự phản xạ toàn phần. Tia bất thường đi qua lớp nhựa thơm Canada mà không bị phản xạ toàn phần vì theo một hướng truyền đã chọn, chiết suất của nó ($1,515$) nhỏ hơn chiết suất của nhựa thơm Canada.

Kính phân cực và kính phân tích

Lăng kính Nichols được dùng để phân tách ánh sáng phân cực từ ánh sáng tự nhiên, được gọi là kính phân cực. Lăng kính Nichols cũng được dùng để xác định mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực, được gọi là kính phân tích. Hai lăng kính Nichols đặt kề nhau sẽ không cho ánh sáng đi qua; nếu chúng giao nhau, điều đó có nghĩa là các tiết diện chính của chúng sẽ cắt nhau.

Định luật Malus

Cường độ ánh sáng khi đi qua kính phân tích tỷ lệ với bình phương của $\cos <!--\; \; -->\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}$ giữa các tiết diện chính của kính phân tích và kính phân cực: $I=I_{o}co{s}^2\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}$.

Các tinh thể phân cực

Trong các tinh thể tuamalin, cũng quan sát được hiện tượng lưỡng chiết, nhưng sự hấp thụ đối với tia thường rất lớn và thực tế, một tấm tuamalin dày 1mm chỉ cho phép tia bất thường phân cực đi thẳng. Vì hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, nên các tinh thể tuamalin theo các hướng khác nhau có các màu sắc khác nhau. Hiện tượng này được gọi là lưỡng hướng sắc và đã được Biot và Seebech khám phá vào năm 1916. Pôlarôit là một lớp màng chất lưỡng hướng sắc hêrapatit (sunfat iotkinin), được Herapath phát hiện vào năm 1852. Tấm tinh thể hêrapatit dày 0,1mm thực tế làm cho ánh sáng tự nhiên phân cực hoàn toàn. Trên cơ sở của xenlulôit của pôlarôit, đã thử nghiệm với vô số các tinh thể con hêrapatit được điều hướng.

Sự giao thoa của ánh sáng phân cực

Các thí nghiệm của Arago và Fresnel vào năm 1816 đã chứng minh rằng, sau khi xếp chồng các tia phân cực trong các mặt phẳng vuông góc với nhau, không quan sát thấy hình ảnh giao thoa của các cực đại và cực tiểu. Nếu quay một trong các nicôn đi ${90}^o$, tức là đảm bảo phân cực của cả hai tia trong một mặt phẳng, ta sẽ quan sát được hình ảnh giao thoa. Hình ảnh giao thoa không xuất hiện trong trường hợp thứ nhất, điều đó không có nghĩa là không có sự tương tác giữa các tia. Trong trường hợp này, vectơ điện tổng hợp $E$ (hay vectơ từ $H$) bao gồm các vectơ dao động theo phương vuông góc với nhau và tất cả những kết quả từ việc cộng các dao động vuông góc có cùng chu kỳ được áp dụng trong trường hợp này. Do kết quả từ việc cộng hai tia phân cực theo hai phương vuông góc với nhau, ta thu được ánh sáng phân cực elip, trong đó các đầu của những vectơ $E$ và $H$ vạch những elip với cùng tần số của các dao động ban đầu. Đặc biệt, nếu hiệu quả của các tia phân cực phẳng bằng một phần tư bước sóng và các biên độ dao động của chúng cùng pha, thì elip sẽ chuyển sang đường tròn, kết quả là ta có ánh sáng phân cực tròn.

Sự dị hướng quang học trong điện trường

Dưới tác dụng của điện trường, các tính chất quang học của chất trở nên giống như tinh thể đơn trục với trục quang học hướng theo vectơ cường độ điện trường.

Hiệu ứng Kerr và ứng dụng của nó

Năm 1875, I.Kerr phát hiện tính dị hướng của các chất điện môi lỏng dưới tác dụng của điện trường. Tụ điện có chất lỏng được đặt giữa hai nicôn bắt chéo nhau và các mặt phẳng chính của nicôn lập với phương của điện trường một góc 45 độ. Khi không có điện trường, hệ không cho ánh sáng đi qua. Khi có điện trường, ánh sáng ra khỏi tụ điện Kerr là ánh sáng phân cực elip. Sự phân cực được nghiên cứu dựa vào hằng số Kerr B. Đối với ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ, hiệu chiết suất ne - no của các tia bất thường và tia thường tỉ lệ với E^2: ne - no = kE^2. Do đó, hiệu quả của các tia trên đoạn đường l biểu diễn trong các bước sóng bằng δ/λ = BlE^2, trong đó B = k/λ là hằng số Kerr. Hiện tượng Kerr được giải thích bằng sự phân cực của chất điện môi. Các phân tử định hướng theo một phương xác định dẫn đến hằng số điện môi dọc theo phương OX khác với hằng số điện môi theo các phương vuông góc với phương đó. Elipxôit hằng số điện môi là một elipxôit tròn xoay có các giá trị εx và εy = εx. Sau khi bỏ điện trường đi, thời gian mất tính dị hướng là 0.1 giây. Nếu nuôi tụ điện Kerr bằng một hiệu điện thế cao tần, thiết bị biến thành một khóa quang học, cho phép thực hiện một tỉ lần gián đoạn ánh sáng trong một giây. Tụ điện Kerr được sử dụng trong phương pháp Bergstrand để xác định vận tốc ánh sáng và điều biến cường độ ánh sáng trên phim điện ảnh, máy điện báo ảnh,...

Sự lưỡng chiết trong từ trường (Hiện tượng Cotton - Mouton)

Hiện tượng này rất giống với hiện tượng Kerr. Nếu các phân tử dị hướng có mômen từ cố định, thì dưới tác động của từ trường, các phân tử này sẽ sắp xếp lại sao cho toàn bộ môi trường trở nên dị hướng. Sơ đồ thiết bị quan sát sự lưỡng chiết trong từ trường ngang với tia sáng tương tự như thiết bị Kerr. Hiện tượng Cotton - Mouton được mô tả bởi định luật: n_e - n_o = DH^2 hay δ/λ = l(n_e - n_o)/λ = ClH^2, trong đó H là cường độ từ trường, và C = D/λ là hằng số Cotton - Mouton.

Sự quay của mặt phẳng phân cực

Một số chất (tinh thể và dung dịch) có khả năng quay mặt phẳng phân cực của tia sáng đi qua chúng. Tùy theo hướng quay của mặt phẳng phân cực, chất quang hoạt được gọi là quay phải hoặc quay trái. Tinh thể thạch anh có loại quay phải và quay trái; dung dịch đường củ cải và mía là quay phải, trong khi dung dịch đường quả là quay trái. Góc quay của mặt phẳng phân cực tỷ lệ với bề dày của bản và tổng đại số góc quay trong mỗi bản. Đối với dung dịch, góc quay tỷ lệ thuận với nồng độ của chất quang hoạt. Tính chất này được sử dụng trong các dụng cụ đo nồng độ đường. Sự quay của mặt phẳng phân cực đã được Fresnel giải thích rằng, tia phân cực phẳng khi đi vào chất sẽ tách ra thành hai tia phân cực tròn quay ngược chiều, nhưng khi ra khỏi chất, chúng lại tạo thành ánh sáng phân cực phẳng. Trong chất quang hoạt, vận tốc lan truyền của hai tia phân cực tròn ngược chiều khác nhau, dẫn đến mặt phẳng phân cực của tia đi ra bị quay một góc so với tia đi vào.

Hiện tượng Faraday

Faraday phát hiện rằng nhiều chất (như thủy tinh, cacbon disunfua, và một số chất khác) bắt đầu quay mặt phẳng phân cực nếu từ trường song song với tia sáng. Chiều quay phụ thuộc vào chiều của từ trường. Góc quay của mặt phẳng phân cực: α = (A/λ^2 + B/λ^4)lH, trong đó A và B là các hằng số của chất, l là chiều dài đường đi của tia trong từ trường có cường độ H, và λ là bước sóng ánh sáng. Trong trường hợp này, từ trường làm thay đổi vận tốc lan truyền của các tia phân cực tròn theo chiều ngược nhau trong chất.