Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Quang học sóng (Phần 3) - Nguyễn Xuân Thấu

87 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực Ánh sáng mang tính chất sóng và tuân theo các phương trình Maxwell cho sóng điện từ. Vận tốc ánh sáng: Ánh sáng tự nhiên là ánh sáng có vectơ dao động đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng. a) Ánh sáng tự nhiên 8v 3.10 m/s Nguồn sáng: tổng hợp vô số các đoàn sóng tạo bởi các nguyên tử phát. Mỗi đoàn sóng có vector cường độ điện trường luôn dao động theo một phương nhất định và vuông góc với tia sáng. Các nguyên tử chuyển động hỗn loạn cho nên các vector cường độ điện trường của ánh sáng có phương khác nhau. 88 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực a) Ánh sáng tự nhiên Dao động của vectơ CĐĐT trong 1 đoàn sóng Biểu diễn ánh sáng tự nhiên 89 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực b) Ánh sáng phân cực ♥ Ánh sáng có vectơ cường độ điện trường chỉ dao động theo một phương xác định được gọi là ánh sáng phân cực thẳng (hay ánh sáng phân cực toàn phần). ♥ Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động của vectơ E gọi là mặt phẳng dao động ♥ Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động được gọi là mặt phẳng phân cực. ♥ Ánh sáng có vectơ cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng, nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu, được gọi là ánh sáng phân cực một phần. ♥ Ánh sáng tự nhiện có thể coi là tập hợp của vô số ánh sáng phân cực toàn phần dao động đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng. 90 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực b) Ánh sáng phân cực Mặt phẳng dao động và mặt phẳng phân cực Ánh sáng phân cực một phần và ánh sáng phân cực toàn phần 91 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực c) Hiện tượng phân cực ánh sáng ♥ Hiện tượng ánh sáng tự nhiên biến thành ánh sáng phân cực gọi là hiện tượng phân cực ánh sáng. 92 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực ♥ Định luật Malus về phân cực ánh sáng: c) Hiện tượng phân cực ánh sáng  Cường độ sáng sau kính phân cực là I0.  Cường độ sáng sau kính phân tích là I.  Định luật Malus: 2 0I I cos  Khi cho một chùm ánh sáng tự nhiên truyền qua hệ 2 bản tinh thể tuâmlin dày có quang trục hợp với nhau 1 góc thì cường độ sáng nhận được ở phía sau hệ 2 bản tinh thể sẽ thay đổi tỷ lệ với  2cos  93 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực c) Hiện tượng phân cực ánh sáng 94 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.2. Phân cực ánh sáng do phản xạ và khúc xạ B 21tan i nGóc Brewster: (2) (1) Bi Bi Br Theo định luật phản xạ và khúc xạ: B Bi i B 21 B sin i n sin r  B B 21 B B B sin i sin i n tan i sin r cos i    B Bsin r cos i B Bi r 90   Tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc với nhau 95 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.3. Phân cực ánh sáng do lưỡng chiết Tính lưỡng chiết: 96 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.3. Phân cực ánh sáng do lưỡng chiết Một số tinh thể như băng lan (CaCO3) hay thạch anh (SiO2) có tính lưỡng chiết: Trong tinh thể có hai chùm tia khúc xạ: tia thường (o) (tuân theo định luật khúc xạ) và tia bất thường (e). Đều là ánh sáng phân cực toàn phần, có mặt phẳng phân cực vuông góc với nhau. Tồn tại phương truyền ánh sáng tới để hai tia khúc xạ trùng nhau  Quang trục của tinh thể. 97 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.3. Phân cực ánh sáng do lưỡng chiết Chiết suất đối với tia thường không đổi: no = const Chiết suất đối với tia bất thường thay đổi theo góc tới: Nếu ne < no gọi là tinh thể âm (băng lan) Nếu ne > no gọi là tinh thể dương (thạch anh) 0 o e e sin i n sin r sin i n sin r   98 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.4. Một số loại kính phân cực Kính phân cực là các dụng cụ có thể biến đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực. a) Bản tinh thể hấp thụ không đều Là bản tinh thể lưỡng chết nhưng có tính hấp thụ không đều đối với tia thường và tia bất thường, ví dụ bản tuamalin. Bản tinh thể dày hơn 1mm hầu như hấp thụ hoàn toàn tia thường và chỉ để cho tia bất thường truyền qua. Vì thế, bản tinh thể tuamalin có thể dung làm kính phân cực. Bản polaroit làm bằng bản xenluyloit trên mặt phủ một số lượng lớn các tinh thể định hướng sunfat-iốt-kinin có tính hấp thụ dị hướng mạnh. Bản polarôit dày khoảng 0,1mm có thể hấp thụ hoàn toàn tia thường và tạo tra ánh sáng phân cực toàn phần. 99 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG b) Lăng kính Nichols 7.4. Một số loại kính phân cực Lăng kính Nichols (gọi tắt là Nichols) là một khối tinh thể bang lan được cắt theo mặt chéo thành 2 nửa và dán lại với nhau bằng 1 lớp nhựa Canada trong suốt có chiết suất (ứng với bước sóng ) nhn 1,550 0,589 m   100 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG b) Lăng kính Nichols 7.4. Một số loại kính phân cực Vì ne < no do đó tia thường bị khúc xạ nhiều hơn tia bất thường, đến lớp nhựa Canada tia thường bị phản xạ toàn phần vì n0 > nnh và i1 >i1max và đập lên mặt dưới của Nichols. Tại đây được bôi đen nên tia thường bị hấp thụ. Với tia bất thường, vì ne < nnh nên nó đi qua lớp nhựa, truyền trong băng lan rồi ra ngoài với phương song song với tia tới, 101 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Như vậy: Nichols đã biến đổi ánh sáng tự nhiên (hoặc phân cực 1 phần) truyền qua nó thành ánh sáng phân cực toàn phần có mặt phẳng dao động trùng với mặt phẳng chính của Nichols (chứa tia sáng và quang trục). b) Lăng kính Nichols 7.4. Một số loại kính phân cực 102 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5. Giao thoa của các tia sáng phân cực o eE E E     vectơ sóng tổng hợp Hiệu quang lộ tia thường và bất thường: o e o eL L L (n n )d     Độ lệch pha: o e o e 2 2 (L L ) (n n )d          103 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5. Giao thoa của các tia sáng phân cực 2 2 2 2 2 1 2 1 2 x y 2xy cos sin a a a a      Vì và dao động theo 2 phương vuông góc x và y nên đầu mút của vectơ sáng tổng hợp sẽ chuyển động theo quỹ đạo elip xiên xác định bởi phương trình: Nếu trước khi vào bản ánh sáng phân cực toàn phần có biên độ là A và tính hấp thụ dị hướng của bản không đáng kể thì 1 2a A sin ,a A cos    Như vậy, ánh sáng phân cực thẳng sau khi truyền qua bản tinh thể sẽ biến thành ánh sáng phân cực elip xiên. 104 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5. Giao thoa của các tia sáng phân cực     1 0 0 01 1 1 1 2 0 2 0 02 2 2 0 02 2 1 2 1 1 0 01 1 2 1 2 2 02 1 1 2 x x a cos t cos t cos sin t sin a y y a cos t cos t cos sin t sin a x cos cos cos t cos cos sin t sin a y cos cos cos t cos cos sin t sin a x y cos cos sin t sin( a a                                             1 2 02 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 ) x y sin sin cos t sin( ) a a x y 2xy cos sin a a a a                 105 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5. Giao thoa của các tia sáng phân cực 2 2 2 2 2 1 2 1 2 x y 2xy cos sin a a a a      o e(n n )d (2k 1) 4     (2k 1) 2     2 2 2 2 1 2 x y 1 a a   Bản ¼ bước sóng Nếu a1=a2  phân cực tròn Như vậy sau ánh sáng phân cực thẳng sau khi truyền qua bản ¼ bước sóng sẽ biến thành ánh sáng phân cực elip vuông hoặc phân cực tròn 106 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5. Giao thoa của các tia sáng phân cực 2 2 2 2 2 1 2 1 2 x y 2xy cos sin a a a a      o e(n n )d (2k 1) 2     (2k 1)    1 2 x y 0 a a   Bản ½ bước sóng Như vậy sau khi truyền qua bản nửa bước sóng, ánh sáng phân cực thẳng vẫn là ánh sáng phân cực phẳng nhưng mặt phẳng dao động của nó bị quay đi 1 góc 2 so với trước khi vào bản 107 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.5. Giao thoa của các tia sáng phân cực 2 2 2 2 2 1 2 1 2 x y 2xy cos sin a a a a      Bản 1 bước sóng o e(n n )d k   k2   1 2 x y 0 a a   Như vậy sau khi truyền qua bản 1 bước sóng, ánh sáng phân cực thẳng giữ nguyên không thay đổi. 108 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.6. Phân cực ánh sáng do lưỡng chiết nhân tạo Một số chất bình thường không có tính lưỡng chiết nhưng khi làm biến dạng hoặc tác dụng điện trường, từ trường lên chúng thì các chất đó có tính lưỡng chiết. Lưỡng chiết trong trường hợp này được gọi là lưỡng chiết nhân tạo. a) Lưỡng chiết do biến dạng: o en n Cp  Trong đó C là hệ số tỷ lệ phụ thuộc bản chất của vật và bước sóng ánh sáng p là áp suất tác dụng lên vật.  Hiệu pha giữa 2 dao động là: o e 2 2 Cp (n n )d d         Thu được những đường cùng độ sáng. Hiệu pha phụ thuộc vào bước sóng nên nếu dùng ánh sáng trắng sẽ nghiên cứu được sự phân bố áp suất trong vật (phương pháp Quang đàn hồi) 109 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG b) Lưỡng chiết do điện trường 7.6. Phân cực ánh sáng do lưỡng chiết nhân tạo Một số chất lỏng như sulfua carbon, nitrobenzene, benzon, chịu tác dụng của điện trường thì trở lên bất đẳng hướng. Hiệu ứng Kerr 110 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG b) Lưỡng chiết do điện trường 7.6. Phân cực ánh sáng do lưỡng chiết nhân tạo 2 o en n kE  E là cường độ điện trường, k là 1 hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng. Hiệu pha: 2 2 o e 2 2 k (n n )d E d 2 BE d           k B   là hằng số Kerr Tùy theo hiệu số pha mà độ sáng sau Nichols phân tích sẽ có 1 giá trị nào đó. Thời gian để các phân tử định hướng theo phương của điện trường rất nhỏ, cỡ 10^-9 giây. Thời gian để các phân tử trở về trạng thái chuyển động hỗn loạn sau khi tắt điện cũng vào cỡ đó. Do đó tính chất này của hiệu ứng Kerr được ứng dụng làm van quang học đóng mở ánh sáng mà không có quán tính. 111 7. PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 7.7. Sự quay mặt phẳng phân cực Tinh thể đơn trục và tinh thể vô định hình có thể làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực. ♣ Các tinh thể đơn trục: (thạch anh, NaClO3) Góc quay mặt phẳng phân cực của một tia sáng đơn sắc tỷ lệ với bề dày của bản tinh thể. là hệ số tỷ lệ, d là bề dày của bản tinh thể. ♣ Các chất vô định hình: còn được gọi là chất quang hoạt (đường, rượu) d- là bề dày của lớp dung dịch Nồng độ C là tỷ số giữa khối lượng của chất vô định hình trong dung dịch và thể tích của dung dịch Ứng dụng : chế tạo dụng cụ đo nồng độ các chất (đường kế, rượu kế).   d       dC   112 BÀI TẬP PHẦN PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình): 3.1, 3.2, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 HẾT