Cho đến nay chúng ta đã nói về môi trường có chiết suất khác nhau đối với các hướng phân cực khác nhau của chùm ánh sáng tới. Các môi trường khác cũng có tầm quan trọng lớn đối với các ứng dụng thực tế, trong đó, tùy thuộc vào độ phân cực của ánh sáng, không chỉ chiết suất mà cả hệ số hấp thụ cũng thay đổi. Như trong trường hợp lưỡng chiết, thật dễ hiểu rằng sự hấp thụ chỉ có thể phụ thuộc vào hướng dao động cưỡng bức của các điện tích trong môi trường dị hướng. Ví dụ đầu tiên, cũ và nổi tiếng là tourmaline, và ví dụ còn lại là Polaroid. Polaroid bao gồm một lớp mỏng các tinh thể nhỏ herapatite (muối của iốt và quinine), xếp thẳng hàng với các trục của chúng song song với nhau. Những tinh thể này hấp thụ ánh sáng khi rung động xảy ra theo một hướng và hầu như không có ánh sáng khi rung động xảy ra theo hướng khác.
Chúng ta hãy hướng một chùm ánh sáng phân cực nghiêng một góc với trục của nó tại Polaroid. Cường độ chùm tia đi qua Polaroid sẽ là bao nhiêu? Chúng ta hãy phân tách chùm ánh sáng của chúng ta thành hai thành phần: một thành phần có độ phân cực vuông góc với thành phần truyền qua mà không bị suy giảm (nó tỷ lệ thuận) và thành phần thứ hai - thành phần dọc, tỷ lệ với . Chỉ một phần tỷ lệ với ; sẽ đi qua Polaroid; một thành phần tỷ lệ với , sẽ được hấp thụ. Biên độ của ánh sáng truyền qua Polaroid nhỏ hơn biên độ của ánh sáng tới và thu được từ nó bằng cách nhân với . Cường độ ánh sáng tỉ lệ thuận với bình phương. Do đó, nếu ánh sáng tới bị phân cực một góc với trục của bản phân cực thì phần cường độ truyền qua bản phân cực là một phần của tổng cường độ. Tất nhiên, tỷ lệ cường độ được hấp thụ trong Polaroid là .
Một nghịch lý thú vị nảy sinh trong thí nghiệm sau. Được biết, hai tấm ảnh có trục nằm vuông góc với nhau không truyền ánh sáng. Nhưng nếu cái thứ ba được đặt giữa những tấm ảnh Polaroid như vậy, trục của nó hướng một góc với trục của hai cái kia, một phần ánh sáng sẽ truyền qua hệ thống của chúng ta. Như chúng ta đã biết, Polaroid chỉ hấp thụ ánh sáng chứ không tạo ra ánh sáng. Tuy nhiên, bằng cách đặt tấm ảnh phân cực thứ ba ở một góc, chúng ta sẽ tăng lượng ánh sáng truyền qua. Bạn có thể tự mình phân tích hiện tượng này như một bài tập.
Một trong những hiện tượng phân cực thú vị nhất, xảy ra không phải trong các tinh thể phức tạp và mọi loại vật liệu đặc biệt, mà trong một trường hợp đơn giản và rất quen thuộc, là sự phản xạ từ một bề mặt. Điều này có vẻ khó tin, nhưng khi phản xạ từ thủy tinh, ánh sáng có thể bị phân cực, và việc giải thích hiện tượng này về mặt vật lý rất đơn giản. Brewster đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng ánh sáng phản xạ từ một bề mặt sẽ bị phân cực hoàn toàn nếu tia phản xạ và tia khúc xạ tạo thành một góc vuông trong môi trường. Trường hợp này được thể hiện trong hình. 33,4.
Hình 33.4. Sự phản xạ của ánh sáng phân cực tuyến tính ở góc Brewster.
Hướng phân cực được cho bởi các mũi tên chấm: các chấm tròn biểu thị sự phân cực vuông góc với mặt phẳng của trang.
Nếu chùm tia tới bị phân cực trong mặt phẳng tới thì sẽ không có chùm tia phản xạ nào cả. Chùm tia phản xạ chỉ xuất hiện nếu chùm tia tới bị phân cực vuông góc với mặt phẳng tới. Nguyên nhân của hiện tượng này rất dễ hiểu. Trong môi trường phản xạ, ánh sáng bị phân cực vuông góc với hướng chuyển động của chùm tia và chúng ta biết rằng chính sự chuyển động của các điện tích trong môi trường phản xạ đã tạo ra chùm tia phát ra từ nó, gọi là phản xạ. Sự xuất hiện của cái gọi là tia phản xạ này không chỉ đơn giản là do tia tới bị phản xạ; Bây giờ chúng ta biết rằng chùm tia tới kích thích chuyển động của các điện tích trong môi trường, và điều này lại tạo ra chùm tia phản xạ.
Từ hình. 33.4 rõ ràng là chỉ những dao động vuông góc với mặt phẳng của trang giấy mới tạo ra bức xạ theo hướng của tia phản xạ, và do đó tia phản xạ bị phân cực vuông góc với mặt phẳng tới. Nếu chùm tia tới bị phân cực trong mặt phẳng tới thì sẽ không có chùm tia phản xạ nào cả.
Hiện tượng này có thể được chứng minh dễ dàng bằng cách phản xạ một chùm tia phân cực tuyến tính từ một tấm kính phẳng. Bằng cách quay tấm này theo các góc khác nhau theo hướng của chùm tia phân cực tới, người ta có thể nhận thấy cường độ giảm mạnh ở một góc bằng góc Brewster. Sự giảm cường độ này chỉ được quan sát thấy khi mặt phẳng phân cực trùng với mặt phẳng tới. Nếu mặt phẳng phân cực vuông góc với mặt phẳng chiếu sáng thì không thấy cường độ ánh sáng phản xạ giảm đi đáng kể.
Có hai loại sóng. Trong dao động dọc, các dao động song song với hướng truyền của chúng. Một ví dụ là sự truyền âm thanh trong không khí. Sóng ngang bao gồm các nhiễu loạn có góc 90° so với hướng truyền. Ví dụ, một sóng truyền theo phương ngang qua một khối nước gây ra các dao động thẳng đứng trên bề mặt của nó.
Phát hiện hiện tượng
Một số hiệu ứng quang học bí ẩn quan sát được vào giữa thế kỷ 17 đã được giải thích khi ánh sáng tự nhiên và phân cực bắt đầu được coi là một hiện tượng sóng và hướng dao động của nó được phát hiện. Cái gọi là hiệu ứng phân cực đầu tiên được phát hiện bởi bác sĩ người Đan Mạch Erasmus Bartholin vào năm 1669. Nhà khoa học đã quan sát thấy khúc xạ kép, hay hiện tượng lưỡng chiết, ở khoáng thạch Iceland, hay còn gọi là canxit (một dạng tinh thể của canxi cacbonat). Khi ánh sáng đi qua canxit, tinh thể sẽ tách nó ra, tạo ra hai hình ảnh lệch nhau.
Newton đã nhận thức được hiện tượng này và cho rằng có lẽ các hạt ánh sáng có sự bất đối xứng hoặc "một chiều" có thể khiến hai hình ảnh hình thành. Huygens, người cùng thời với Newton, đã có thể giải thích hiện tượng khúc xạ kép bằng lý thuyết sóng cơ bản của ông, nhưng ông không hiểu ý nghĩa thực sự của hiệu ứng. Sự lưỡng chiết vẫn còn là một bí ẩn cho đến khi nhà vật lý người Pháp Augustin-Jean Fresnel cho rằng sóng ánh sáng là sóng ngang. Ý tưởng đơn giản giúp giải thích thế nào là phân cực và tự nhiên, đồng thời cung cấp cơ sở tự nhiên và không phức tạp cho việc phân tích các hiệu ứng phân cực.
Hiện tượng lưỡng chiết được gây ra bởi sự kết hợp của hai phân cực vuông góc, mỗi phân cực có tốc độ sóng riêng. Do sự khác biệt về tốc độ, hai thành phần có chiết suất khác nhau, và do đó chúng khúc xạ khác nhau qua vật liệu, tạo ra hai ảnh.
Ánh sáng phân cực và tự nhiên: Lý thuyết của Maxwell
Fresnel nhanh chóng phát triển một mô hình phức tạp của sóng ngang, dẫn đến hiện tượng lưỡng chiết và một số hiệu ứng quang học khác. Bốn mươi năm sau, khoa học điện từ đã giải thích một cách khéo léo bản chất ngang của ánh sáng.
Sóng điện từ của Maxwell bao gồm từ trường và điện trường dao động vuông góc với hướng chuyển động. Các trường nằm ở một góc 90° với nhau. Trong trường hợp này, hướng truyền của từ trường và điện trường tạo thành một hệ tọa độ thuận tay phải. Đối với sóng có tần số f và độ dài λ (chúng có liên quan bởi sự phụ thuộc λf = c), di chuyển theo hướng x dương, các trường được mô tả bằng toán học:
- E(x, t) = E 0 cos (2π x/λ- 2 π ft)y^;
- B(x, t) = B 0 cos (2π x/λ- 2 π ft)z^.
Các phương trình cho thấy điện trường và từ trường cùng pha với nhau. Tại bất kỳ thời điểm nào, chúng đồng thời đạt giá trị cực đại trong không gian, bằng E 0 và B 0. Những biên độ này không độc lập. Các phương trình Maxwell cho thấy E 0 = cB 0 đối với mọi sóng điện từ trong chân không.
Hướng phân cực
Khi mô tả hướng của từ trường và điện trường, sóng ánh sáng thường chỉ cho biết hướng của điện trường. Vectơ từ trường được xác định bởi yêu cầu các trường vuông góc và vuông góc với hướng chuyển động. Ánh sáng tự nhiên và phân cực tuyến tính khác nhau ở chỗ trường sau dao động theo các hướng cố định khi sóng di chuyển.
Các trạng thái phân cực khác cũng có thể xảy ra. Trong trường hợp vectơ tròn, từ trường và điện trường quay tương ứng với hướng truyền với biên độ không đổi. Ánh sáng phân cực elip là trung gian giữa phân cực tuyến tính và phân cực tròn.
Ánh sáng không phân cực
Các nguyên tử trên bề mặt dây tóc được làm nóng tạo ra bức xạ điện từ hoạt động độc lập với nhau. Mỗi lần phát thải có thể được mô hình hóa đại khái thành các đoàn tàu ngắn kéo dài từ 10 -9 đến 10 -8 giây. Sóng điện từ phát ra từ dây tóc nóng sáng là sự chồng chất của các đoàn tàu này, mỗi đoàn tàu có hướng phân cực riêng. Tổng các đoàn tàu định hướng ngẫu nhiên tạo thành một sóng, vectơ phân cực của sóng này thay đổi nhanh chóng và ngẫu nhiên. Sóng như vậy được gọi là không phân cực. Tất cả mọi thứ bao gồm Mặt trời, đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và ngọn lửa đều tạo ra bức xạ như vậy. Tuy nhiên, ánh sáng tự nhiên thường bị phân cực một phần do tán xạ và phản xạ nhiều lần.
Vì vậy, sự khác biệt giữa ánh sáng phân cực và ánh sáng tự nhiên là ở chỗ ban đầu các dao động xảy ra trong một mặt phẳng.
Nguồn bức xạ phân cực
Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra trong trường hợp xác định được hướng không gian. Một ví dụ là khi các hạt tích điện năng lượng cao di chuyển trong từ trường và phát ra sóng điện từ phân cực. Có nhiều nguồn thiên văn đã biết phát ra ánh sáng phân cực tự nhiên. Chúng bao gồm tinh vân, tàn dư siêu tân tinh và nhân thiên hà đang hoạt động. Sự phân cực của bức xạ vũ trụ được nghiên cứu để xác định tính chất của các nguồn của nó.
Bộ lọc phân cực
Ánh sáng phân cực và ánh sáng tự nhiên bị tách biệt khi đi qua một số vật liệu, trong đó phổ biến nhất là Polaroid, do nhà vật lý người Mỹ Edwin Land tạo ra. Bộ lọc bao gồm các chuỗi dài các phân tử hydrocarbon được định hướng theo một hướng thông qua quá trình xử lý nhiệt. Các phân tử hấp thụ có chọn lọc bức xạ có điện trường song song với hướng của chúng. Ánh sáng phát ra từ Polaroid bị phân cực tuyến tính. Điện trường của nó vuông góc với hướng định hướng phân tử. Polaroid đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm kính râm và bộ lọc làm giảm tác động của ánh sáng phản xạ và tán xạ.
Ánh sáng tự nhiên và phân cực: Định luật Malus
Năm 1808, nhà vật lý Etienne-Louis Malus phát hiện ra rằng ánh sáng phản xạ từ các bề mặt phi kim loại bị phân cực một phần. Mức độ của hiệu ứng này phụ thuộc vào góc tới và chiết suất của vật liệu phản xạ. Trong một trường hợp cực đoan, khi tiếp tuyến của góc tới của chùm tia trong không khí bằng chiết suất của vật liệu phản xạ, ánh sáng phản xạ sẽ bị phân cực tuyến tính hoàn toàn. Hiện tượng này được gọi là định luật Brewster (được đặt theo tên người phát hiện ra nó, nhà vật lý người Scotland David Brewster). Hướng phân cực song song với bề mặt phản xạ. Vì ánh sáng chói ban ngày thường xảy ra khi phản chiếu từ các bề mặt nằm ngang như đường và mặt nước nên kính râm thường sử dụng các bộ lọc để loại bỏ ánh sáng phân cực theo chiều ngang và do đó loại bỏ một cách có chọn lọc các phản xạ ánh sáng.
tán xạ Rayleigh
Sự tán xạ ánh sáng bởi những vật thể rất nhỏ, có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (còn gọi là tán xạ Rayleigh theo tên nhà khoa học người Anh Lord Rayleigh), cũng tạo ra sự phân cực một phần. Khi bức xạ mặt trời đi qua bầu khí quyển trái đất, nó bị phân tán bởi các phân tử không khí. Ánh sáng phân cực và tự nhiên rải rác tới trái đất. Mức độ phân cực của nó phụ thuộc vào góc tán xạ. Vì con người không phân biệt được giữa ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực nên hiệu ứng này thường không được chú ý. Tuy nhiên, mắt của nhiều loài côn trùng phản ứng với nó và chúng sử dụng sự phân cực tương đối của bức xạ tán xạ làm công cụ điều hướng. Một bộ lọc máy ảnh phổ biến được sử dụng để giảm bức xạ nền trong ánh sáng mặt trời là một bộ phân cực tuyến tính đơn giản giúp phân tách ánh sáng tự nhiên và phân cực Rayleigh.
Vật liệu dị hướng
Hiệu ứng phân cực được quan sát thấy trong các vật liệu dị hướng quang học (trong đó độ phân cực thay đổi theo hướng), chẳng hạn như tinh thể lưỡng chiết, một số cấu trúc sinh học và vật liệu hoạt động quang học. Các ứng dụng công nghệ bao gồm kính hiển vi phân cực, màn hình tinh thể lỏng và dụng cụ quang học dùng để nghiên cứu vật liệu.
Ánh sáng do một nguyên tử riêng lẻ phát ra là sóng điện từ, tức là sự kết hợp của hai sóng ngang vuông góc với nhau - sóng điện (được hình thành bởi sự dao động của vectơ cường độ điện trường và từ trường (được hình thành bởi sự dao động của vectơ cường độ từ trường chạy dọc theo một đường thẳng thông thường gọi là tia sáng (Hình 337) ).
Một chùm tia (ánh sáng) trong đó dao động điện luôn xảy ra trong một và chỉ một mặt phẳng được gọi là chùm tia phân cực (ánh sáng); Tất nhiên, trong trường hợp này, dao động từ xảy ra trong một mặt phẳng khác (vuông góc) (gọi là mặt phẳng phân cực ánh sáng). Từ định nghĩa này, suy ra rằng ánh sáng phát ra từ một nguyên tử riêng lẻ bị phân cực (ít nhất là trong toàn bộ chu kỳ bức xạ của nguyên tử này).
Kinh nghiệm và lý thuyết cho thấy rằng các tác động hóa học, sinh lý và các loại tác động khác của ánh sáng lên vật chất chủ yếu là do các dao động điện gây ra. Do đó, và cũng để đơn giản hóa các hình vẽ mô tả sóng ánh sáng (hoặc chùm tia), từ nay về sau chúng ta sẽ chỉ nói về các dao động điện, và mặt phẳng mà chúng xuất hiện sẽ được gọi là mặt phẳng dao động ánh sáng, hay đơn giản là mặt phẳng dao động. Khi đó chùm ánh sáng phân cực có thể được mô tả dưới dạng sơ đồ như trên Hình 2. 338, a (chùm tia vuông góc với mặt phẳng hình vẽ; các vectơ ứng với các giá trị biên độ của cường độ điện trường
Trong thực tế, chúng ta không bao giờ gặp ánh sáng từ một nguyên tử riêng lẻ, vì mọi nguồn ánh sáng thực (vật thể phát sáng) đều bao gồm nhiều nguyên tử phát ra ngẫu nhiên, nghĩa là phát ra sóng ánh sáng với mọi hướng có thể có của mặt phẳng rung động. Các sóng này chồng lên nhau, do đó bất kỳ tia nào phát ra từ nguồn sáng thực (tự nhiên) sẽ tương ứng với nhiều mặt phẳng dao động có hướng khác nhau (Hình 338, b). Chùm tia (ánh sáng) như vậy không bị phân cực và được gọi là chùm tia tự nhiên (ánh sáng).
Thông thường, cường độ bức xạ từ mỗi nguyên tử tạo nên vật thể phát sáng trung bình là như nhau; do đó, trong ánh sáng tự nhiên, các giá trị vectơ biên độ (tối đa) là như nhau ở mọi mặt phẳng dao động. Tuy nhiên, có những trường hợp khi các giá trị biên độ của vectơ của chùm sáng không bằng nhau đối với các mặt phẳng dao động khác nhau; chùm tia như vậy được gọi là phân cực một phần. Trong hình. 338, c thể hiện một chùm tia phân cực một phần, trong đó các dao động xảy ra chủ yếu trong mặt phẳng thẳng đứng.
Không giống như ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực được đặc trưng không chỉ bởi cường độ (phụ thuộc vào biên độ cường độ trường và màu sắc (tùy thuộc vào bước sóng X)) mà còn bởi vị trí.
mặt phẳng dao động. Do đó, ví dụ, các tia phân cực 1, 2 và 3 (Hình 339), cường độ và màu sắc của chúng giống nhau, không giống nhau. Tuy nhiên, mắt người không phát hiện được sự khác biệt giữa các tia phân cực có hướng khác nhau của mặt phẳng rung và nói chung không phân biệt được ánh sáng phân cực với ánh sáng tự nhiên.
Ánh sáng tự nhiên có thể bị phân cực, tức là nó có thể biến thành ánh sáng phân cực. Để làm được điều này, cần phải tạo ra các điều kiện để dao động của vectơ cường độ điện trường chỉ có thể xảy ra dọc theo một hướng cụ thể. Ví dụ, những điều kiện như vậy có thể xảy ra khi ánh sáng tự nhiên truyền qua một môi trường dị hướng đối với các dao động điện. Như đã biết, tính dị hướng là đặc trưng của tinh thể (xem § 51). Do đó, chúng ta có thể mong đợi sự phân cực của ánh sáng truyền qua tinh thể. Thật vậy, kinh nghiệm cho thấy nhiều tinh thể tự nhiên và nhân tạo phân cực ánh sáng tự nhiên đi qua chúng.
Nói một cách tổng quát nhất, bản chất vật lý của quá trình phân cực ánh sáng truyền qua tinh thể như sau. Theo lý thuyết điện từ của Maxwell (xem § 105), điện trường xen kẽ của sóng ánh sáng gây ra dòng điện phân cực xen kẽ trong chất điện môi tinh thể, tức là sự dịch chuyển xen kẽ của các hạt tích điện (nguyên tử, ion) tạo nên mạng tinh thể. Dòng phân cực tạo ra nhiệt Joule; Do đó, sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt xảy ra trong tinh thể.
Do tính dị hướng của tinh thể, sự dịch chuyển có thể có của các hạt của nó và do đó cường độ của dòng phân cực hóa ra là khác nhau đối với các mặt phẳng khác nhau của mạng tinh thể. Rõ ràng là sóng ánh sáng truyền trong mặt phẳng tương ứng với những dịch chuyển đáng kể có thể có của các hạt gây ra dòng điện phân cực mạnh và do đó gần như bị tinh thể hấp thụ hoàn toàn. Nếu sóng ánh sáng truyền trong một mặt phẳng tương ứng với sự dịch chuyển của các hạt nhỏ thì nó sẽ gây ra dòng điện phân cực yếu và truyền qua tinh thể mà không bị hấp thụ đáng kể.
Do đó, trong số các dao động điện của ánh sáng tự nhiên, có tất cả các hướng có thể, chỉ những dao động xảy ra trong mặt phẳng tương ứng với giá trị cực tiểu của dòng phân cực truyền qua tinh thể (không bị hấp thụ); những rung động còn lại bị suy yếu ở mức độ này hay mức độ khác, vì chỉ những hình chiếu của chúng lên mặt phẳng này mới đi qua tinh thể. Kết quả là, ánh sáng truyền qua tinh thể chỉ trải qua các dao động điện trong một mặt phẳng cụ thể, tức là ánh sáng bị phân cực.
Các tinh thể tự nhiên phân cực ánh sáng bao gồm, ví dụ, tourmaline. Chùm tia tự nhiên đi qua tấm tourmaline cắt song song với trục quang của tinh thể bị phân cực hoàn toàn và chỉ có dao động điện trong mặt phẳng chính trong mặt phẳng chứa trục quang và chùm tia (Hình 340).
Trong mỗi tinh thể có một hướng tương đối mà các nguyên tử (hoặc ion) của mạng tinh thể nằm đối xứng; nó được gọi là trục quang của tinh thể. Chúng tôi nhấn mạnh rằng trục quang không chỉ là một đường mà là một hướng nhất định trong tinh thể; tất cả các đường thẳng vẽ song song với hướng này trong tinh thể đều là trục quang học.
Nếu một chùm tia tự nhiên đi dọc theo trục quang thì mọi dao động điện của nó đều vuông góc với nó. Trong trường hợp này (do sự sắp xếp đối xứng của các hạt tinh thể so với trục quang), tất cả các dao động điện xảy ra trong cùng điều kiện và chúng đều truyền qua tinh thể. Do đó, chùm tia tự nhiên truyền dọc theo trục quang không bị phân cực. Đối với tất cả các hướng khác của chùm tia, sự phân cực của nó xảy ra.
Nếu tấm tourmaline thứ hai 2 được đặt phía sau tấm 1, được định hướng sao cho trục quang của nó vuông góc với trục quang của tấm thì chùm tia sẽ không đi qua tấm thứ hai (vì dao động điện của nó vuông góc với mặt phẳng chính của tấm thứ hai). tấm 2). Nếu trục quang của tấm 1 và 2 tạo thành một góc khác thì ánh sáng (tia) sẽ truyền qua tấm 2. Tuy nhiên, như sau trong Hình. 341, biên độ dao động ánh sáng truyền qua tấm 2 sẽ nhỏ hơn biên độ dao động ánh sáng tới tấm này:
Vì cường độ ánh sáng tỉ lệ với bình phương biên độ dao động của ánh sáng nên
trong đó cường độ ánh sáng tới tấm 2, Y là cường độ ánh sáng truyền qua tấm này. Mối quan hệ (12) được gọi là định luật Malus.
Do đó, sự quay của tấm 2 xung quanh chùm tia phân cực đi kèm với sự thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua tấm này; cường độ cực đại xảy ra ở mức tối thiểu (tương ứng với sự tắt hoàn toàn của ánh sáng) - tại
Tấm 7, phân cực ánh sáng tự nhiên, được gọi là bản phân cực, và tấm 2, qua đó cường độ ánh sáng phân cực thay đổi (và do đó phát hiện ra sự phân cực), được gọi là máy phân tích. Rõ ràng là cả hai tấm đều giống hệt nhau (có thể hoán đổi cho nhau); Những tên này chỉ mô tả mục đích của hồ sơ.
Cần lưu ý rằng tourmaline có khả năng hấp thụ chọn lọc đáng kể - nó chủ yếu truyền ánh sáng xanh; Đây là nhược điểm của tourmaline với vai trò là chất phân cực (và máy phân tích).
Trong những năm gần đây, cái gọi là Polaroid (bộ lọc phân cực) đã được sử dụng rộng rãi để phân cực ánh sáng. Polaroid là một màng polymer trong suốt có độ dày xấp xỉ chứa nhiều tinh thể nhân tạo nhỏ - chất phân cực, ví dụ như tinh thể herapatite (quinine iodide sulfate). Trục quang học của tất cả các tinh thể herapatite được định hướng theo cùng một hướng trong quá trình sản xuất Polaroid. Phim Polaroid tương đối rẻ tiền, rất linh hoạt, có diện tích lớn và có độ hấp thụ gần như giống nhau (không đáng kể) đối với tất cả các bước sóng của ánh sáng khả kiến.
Một trong những ứng dụng thực tế thú vị của Polaroid là việc sử dụng nó trên các phương tiện giao thông để bảo vệ người lái xe khỏi ánh sáng chói của đèn pha đang tới. Với mục đích này, phim Polaroid được dán vào kính chắn gió và kính đèn pha, trục quang học của chúng song song và tạo một góc 45° với đường chân trời. Sau đó, như có thể thấy trong Hình. 342, trục quang học của kính chắn gió Polaroid của một ô tô sẽ vuông góc với trục quang học
Trục Polaroid của đèn pha của ô tô đang chạy tới (hướng của trục quang được thể hiện trong hình bằng mũi tên). Theo định luật Malus, với sự định hướng như vậy của trục quang học của các tấm ảnh phân cực, ánh sáng đèn pha phân cực sẽ không đi qua kính chắn gió của ô tô đang chạy tới; do đó, người lái xe thực tế không nhìn thấy đèn pha của những chiếc xe đang chạy tới (nhưng tất nhiên, anh ta sẽ nhìn thấy những chiếc xe này trong đèn pha của xe mình).
Hôm nay chúng ta sẽ tiết lộ bản chất sóng của ánh sáng và hiện tượng liên quan “mức độ phân cực”.
Khả năng nhìn và ánh sáng
Bản chất của ánh sáng và khả năng nhìn thấy gắn liền với nó đã khiến tâm trí con người phấn khích trong một thời gian dài. Người Hy Lạp cổ đại, cố gắng giải thích tầm nhìn, cho rằng: hoặc mắt phát ra một số “tia” nhất định “cảm nhận” các vật thể xung quanh và từ đó cho một người biết hình dáng và hình dạng của chúng, hoặc bản thân các vật đó phát ra thứ gì đó mà con người nắm bắt và đánh giá cách mọi thứ hoạt động . Các lý thuyết hóa ra khác xa sự thật: sinh vật nhìn thấy nhờ ánh sáng phản chiếu. Từ nhận thức về thực tế này đến khả năng tính toán mức độ phân cực bằng bao nhiêu, chỉ còn một bước nữa - hiểu rằng ánh sáng là sóng.
Ánh sáng là một làn sóng
Một nghiên cứu chi tiết hơn về ánh sáng cho thấy rằng khi không có sự can thiệp, nó truyền theo đường thẳng và không quay đi đâu cả. Nếu một chướng ngại vật mờ đục cản đường chùm tia, thì bóng tối sẽ được hình thành và mọi người không quan tâm đến việc ánh sáng đã đi đến đâu. Nhưng ngay khi bức xạ va chạm với một môi trường trong suốt, điều kỳ diệu đã xảy ra: chùm tia thay đổi hướng truyền và mờ đi. Năm 1678, H. Huygens cho rằng điều này có thể được giải thích bằng một thực tế duy nhất: ánh sáng là sóng. Nhà khoa học đã hình thành nên nguyên lý Huygens, sau này được Fresnel bổ sung. Nhờ đó mà ngày nay người ta biết cách xác định mức độ phân cực.
Nguyên lý Huygens-Fresnel
Theo nguyên lý này, bất kỳ điểm nào trong môi trường mà mặt sóng tới đều là nguồn bức xạ kết hợp thứ cấp và đường bao của tất cả các mặt trước của các điểm này đóng vai trò là mặt sóng tại thời điểm tiếp theo. Do đó, nếu ánh sáng truyền đi mà không bị cản trở thì tại mỗi thời điểm tiếp theo, mặt sóng sẽ giống như mặt trước đó. Nhưng ngay khi chùm tia gặp vật cản, một yếu tố khác xuất hiện: trong các môi trường khác nhau, ánh sáng truyền đi với tốc độ khác nhau. Do đó, photon nào tiếp cận được môi trường khác trước sẽ truyền qua môi trường đó nhanh hơn photon cuối cùng từ chùm tia. Kết quả là mặt sóng sẽ nghiêng. Mức độ phân cực vẫn chưa liên quan gì đến nó, nhưng đơn giản là cần phải hiểu đầy đủ về hiện tượng này.
thời gian xử lý
Điều đáng nói riêng là tất cả những thay đổi này đang diễn ra cực kỳ nhanh chóng. Tốc độ ánh sáng trong chân không là ba trăm nghìn km mỗi giây. Bất kỳ môi trường nào cũng làm chậm ánh sáng, nhưng không nhiều. Thời gian để mặt sóng bị biến dạng khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác (ví dụ từ không khí sang nước) là cực kỳ ngắn. Mắt người không thể nhận thấy điều này và rất ít thiết bị có khả năng ghi lại những quá trình ngắn như vậy. Vì vậy, hiện tượng này nên được hiểu hoàn toàn về mặt lý thuyết. Bây giờ, đã hiểu đầy đủ bức xạ là gì, người đọc sẽ muốn hiểu làm thế nào để tìm ra mức độ phân cực của ánh sáng? Chúng ta đừng đánh lừa sự mong đợi của anh ấy.
Sự phân cực của ánh sáng
Chúng ta đã đề cập ở trên rằng trong các môi trường khác nhau, các photon ánh sáng có tốc độ khác nhau. Vì ánh sáng là sóng điện từ ngang (không phải là sự ngưng tụ hoặc phản xạ của môi trường) nên nó có hai đặc điểm chính:
- vectơ sóng;
- biên độ (cũng
Đặc tính đầu tiên cho biết chùm ánh sáng được định hướng ở đâu và vectơ phân cực xuất hiện, nghĩa là vectơ cường độ điện trường được định hướng theo hướng nào. Điều này làm cho nó có thể xoay quanh vectơ sóng. Ánh sáng tự nhiên, chẳng hạn như ánh sáng do Mặt trời phát ra, không bị phân cực. Các dao động được phân bố theo mọi hướng với xác suất bằng nhau; không có hướng hoặc hình cụ thể nào mà điểm cuối của vectơ sóng dao động.
Các loại ánh sáng phân cực
Trước khi tìm hiểu cách tính công thức tính mức độ phân cực và thực hiện các phép tính, bạn cần hiểu có những loại ánh sáng phân cực nào.
- Phân cực hình elip. Phần cuối của vectơ sóng của ánh sáng đó mô tả một hình elip.
- Phân cực tuyến tính. Đây là trường hợp đặc biệt của tùy chọn đầu tiên. Đúng như tên gọi, hình ảnh là một hướng.
- Phân cực tròn. Theo một cách khác, nó còn được gọi là hình tròn.
Bất kỳ ánh sáng tự nhiên nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của hai phần tử phân cực vuông góc lẫn nhau. Điều đáng ghi nhớ là hai sóng phân cực vuông góc không tương tác với nhau. Sự can thiệp của chúng là không thể, vì từ quan điểm tương tác biên độ, chúng dường như không tồn tại đối với nhau. Khi gặp nhau, họ chỉ đơn giản là bước tiếp mà không thay đổi.
Ánh sáng phân cực một phần
Ứng dụng của hiệu ứng phân cực là rất lớn. Bằng cách chiếu ánh sáng tự nhiên lên một vật thể và nhận ánh sáng phân cực một phần, các nhà khoa học có thể đánh giá tính chất của bề mặt. Nhưng làm thế nào chúng ta có thể xác định mức độ phân cực của ánh sáng phân cực một phần?
Có một công thức của N.A. Umova:
P=(I làn -I cặp)/(I làn +I cặp), trong đó I làn là cường độ ánh sáng theo hướng vuông góc với mặt phẳng của bản phân cực hoặc bề mặt phản chiếu và I cặp song song. Giá trị của P có thể lấy các giá trị từ 0 (đối với ánh sáng tự nhiên, không có bất kỳ sự phân cực nào) đến 1 (đối với bức xạ phân cực phẳng).
Ánh sáng tự nhiên có thể bị phân cực?
Câu hỏi thoạt nhìn có vẻ lạ lùng. Xét cho cùng, bức xạ không có hướng cụ thể thường được gọi là tự nhiên. Tuy nhiên, đối với cư dân trên bề mặt Trái đất, điều này theo một nghĩa nào đó chỉ là gần đúng. Mặt trời tạo ra một dòng sóng điện từ có độ dài khác nhau. Bức xạ này không bị phân cực. Nhưng khi đi qua một lớp khí quyển dày, bức xạ thu được sự phân cực nhẹ. Vì vậy mức độ phân cực của ánh sáng tự nhiên nói chung không bằng không. Nhưng giá trị quá nhỏ nên thường bị bỏ qua. Nó chỉ được tính đến trong trường hợp tính toán thiên văn chính xác, trong đó sai số nhỏ nhất có thể làm tăng thêm số năm hoặc khoảng cách từ ngôi sao đến hệ thống của chúng ta.
Tại sao ánh sáng bị phân cực?
Ở trên chúng ta thường nói rằng các photon hành xử khác nhau trong các môi trường khác nhau. Nhưng họ không đề cập đến lý do tại sao. Câu trả lời phụ thuộc vào loại môi trường mà chúng ta đang nói đến, nói cách khác, nó ở trạng thái tổng hợp nào.
- Môi trường là một vật thể kết tinh có cấu trúc tuần hoàn nghiêm ngặt. Thông thường cấu trúc của một chất như vậy được biểu diễn dưới dạng mạng với các quả bóng đứng yên - các ion. Nhưng nhìn chung điều này không hoàn toàn chính xác. Sự gần đúng này thường hợp lý, nhưng không đúng trong trường hợp tương tác giữa tinh thể và bức xạ điện từ. Trên thực tế, mỗi ion dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó, không hỗn loạn mà phù hợp với các lân cận của nó, khoảng cách của chúng và số lượng của chúng. Vì tất cả các dao động này đều được lập trình chặt chẽ trong môi trường cứng nên ion này chỉ có khả năng phát ra một photon bị hấp thụ có hình dạng xác định chặt chẽ. Thực tế này dẫn đến một thực tế khác: độ phân cực của photon thoát ra sẽ phụ thuộc vào hướng mà nó đi vào tinh thể. Điều này được gọi là tính chất bất đẳng hướng.
- Môi trường là chất lỏng. Ở đây câu trả lời phức tạp hơn, vì có hai yếu tố tác động - sự phức tạp của các phân tử và sự dao động (ngưng tụ-hiếm) của mật độ. Bản thân các phân tử hữu cơ dài phức tạp có cấu trúc cụ thể. Ngay cả những phân tử đơn giản nhất của axit sulfuric cũng không phải là một cục hình cầu hỗn loạn mà có hình chữ thập rất đặc biệt. Một điều nữa là trong điều kiện bình thường chúng đều được bố trí một cách hỗn loạn. Tuy nhiên, yếu tố thứ hai (sự dao động) có khả năng tạo ra các điều kiện trong đó một số lượng nhỏ phân tử hình thành nên thứ gì đó giống như cấu trúc tạm thời trong một thể tích nhỏ. Trong trường hợp này, tất cả các phân tử sẽ được định hướng đồng thời hoặc sẽ được định vị tương đối với nhau ở những góc nhất định. Nếu ánh sáng đi qua một phần như vậy của chất lỏng vào thời điểm này, nó sẽ bị phân cực một phần. Theo đó, nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự phân cực của chất lỏng: nhiệt độ càng cao thì sự nhiễu loạn càng nghiêm trọng và càng hình thành nhiều vùng như vậy. Kết luận cuối cùng tồn tại nhờ vào lý thuyết tự tổ chức.
- Trung bình - khí. Trong trường hợp khí đồng nhất, sự phân cực xảy ra do sự dao động. Đó là lý do tại sao ánh sáng tự nhiên của Mặt trời khi truyền qua bầu khí quyển sẽ bị phân cực nhẹ. Và đó là lý do tại sao bầu trời có màu xanh lam: kích thước trung bình của các phần tử nén sao cho bức xạ điện từ có màu xanh lam và tím bị tán xạ. Nhưng nếu chúng ta đang xử lý một hỗn hợp khí thì việc tính toán mức độ phân cực sẽ khó khăn hơn nhiều. Những vấn đề này thường được giải quyết bởi các nhà thiên văn học nghiên cứu ánh sáng của một ngôi sao đi qua đám mây khí phân tử dày đặc. Đây là lý do tại sao việc nghiên cứu các thiên hà và cụm thiên hà xa xôi lại khó khăn và thú vị đến vậy. Nhưng các nhà thiên văn học đã đối phó và mang đến cho con người những bức ảnh tuyệt vời về không gian sâu thẳm.
Ánh sáng tự nhiên là bức xạ quang học có hướng cường độ điện từ thay đổi nhanh chóng và ngẫu nhiên. trường và mọi hướng dao động vuông góc với tia sáng đều có khả năng xảy ra như nhau.
Phân cực - ánh sáng trong đó hướng dao động của vectơ ánh sáng được sắp xếp theo một cách nào đó.
Ánh sáng phân cực một phần - nếu do bất kỳ tác động bên ngoài nào, xuất hiện hướng dao động chiếm ưu thế của vectơ E.
Phân cực mặt phẳng - nếu dao động của vectơ E chỉ xảy ra trong một mặt phẳng.
Cường độ ánh sáng sau bản phân cực được xác định theo định luật Malus. I=I 0 *cos 2 α 
I 0 - cường độ trước bản phân cực; I - cường độ sau bản phân cực; α là góc giữa vectơ E và mặt phẳng phân cực.
Để ánh sáng tự nhiên chiếu vào 2 kính phân cực.
Tôi 1 =1/2*Tôi ăn
Tôi 2 =1/2*Tôi ăn *cos 2 α=I 1 *cos 2 α
Độ phân cực chùm tia Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)
22. Sự phân cực của ánh sáng trong quá trình phản xạ và khúc xạ. Định luật Brewster.
Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra bằng cách sử dụng sự phản xạ hoặc khúc xạ ánh sáng từ môi trường đẳng hướng điện môi. Nếu góc tới của ánh sáng tại mặt phân cách giữa hai chất điện môi khác 0 thì tia phản xạ và tia khúc xạ bị phân cực một phần. Mức độ phân cực của cả hai chùm tia phụ thuộc vào góc tới của chùm tia. Đối với mỗi cặp môi trường trong suốt, có một góc tới mà tại đó ánh sáng phản xạ bị phân cực phẳng hoàn toàn và chùm tia khúc xạ vẫn bị phân cực một phần, nhưng mức độ phân cực của nó ở góc này là lớn nhất. Góc này được gọi là góc Brewster. Góc Brewster được xác định từ điều kiện: tgφ Br =n 21 =n 2 /n 1 
23. Ánh sáng tự nhiên và phân cực. Sự quay của mặt phẳng phân cực.
Mặt phẳng trong đó vectơ E dao động được gọi là mặt phẳng dao động và vectơ H được gọi là mặt phẳng phân cực.
Nếu các dao động của vectơ E được sắp xếp theo thứ tự nào đó thì ánh sáng được gọi là phân cực. Nếu trong một mặt phẳng - phân cực mặt phẳng.
Nếu dao động của E trong một mặt phẳng chiếm ưu thế hơn các dao động khác thì ánh sáng bị phân cực một phần.
Trong ánh sáng tự nhiên, vectơ E không có sự bất đối xứng so với hướng truyền của chùm tia.
Ánh sáng phân cực phẳng thu được bằng cách sử dụng các thiết bị gọi là máy phân cực.
Cường độ ánh sáng của trường bản phân cực được xác định theo định luật Malus: I=I o COS 2 α, trong đó I o là cường độ trước bản phân cực, I đứng sau, α là góc giữa E và mặt phẳng phân cực.
Mức độ phân cực của chùm tia có giá trị bằng: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)
Đối với ánh sáng tự nhiên Δ=0, đối với ánh sáng phân cực phẳng Δ=1, đối với ánh sáng phân cực một phần 0<Δ<1.
Ánh sáng phân cực phẳng thu được do sự phản xạ từ mặt phân cách giữa hai môi trường nếu góc tới bằng góc Brewster: tanα br =n 21 =n 2 /n 1
Khi ánh sáng truyền qua một chất có hoạt tính quang học thì vectơ E sẽ quay. Hiện tượng này được gọi là sự quay của mặt phẳng phân cực.
Góc quay của mặt phẳng phân cực đối với tinh thể và chất lỏng nguyên chất: ϕ=αd; đối với nghiệm: ϕ=[α]cd, trong đó d là quãng đường mà ánh sáng truyền đi trong một chất có hoạt tính quang học, a ([a]) là cái gọi là góc quay riêng, về số lượng bằng góc quay của mặt phẳng phân cực ánh sáng bởi một lớp chất hoạt tính quang học có độ dày đơn vị (nồng độ đơn vị - đối với dung dịch), C - nồng độ khối lượng của chất hoạt tính quang học trong dung dịch, kg/m3. Độ quay riêng phụ thuộc vào bản chất của chất, nhiệt độ và bước sóng của ánh sáng trong chân không.
Hiện tượng quay mặt phẳng phân cực có thể được giải thích bằng hai giả định Fresnel:
Bất kỳ sóng phân cực phẳng nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng 2 sóng phân cực trong một vòng tròn có chiều quay phải và trái
Tốc độ quay trong một chất hoạt động quang học là khác nhau.