Lưỡng chiết (Birefringence)

Nguyên nhân gây ra lưỡng chiết

Lưỡng chiết xảy ra trong các môi trường quang học anisotropic (dị hướng), tức là môi trường có các tính chất vật lý, cụ thể là chiết suất, thay đổi theo hướng. Ngược lại với môi trường isotropic (đẳng hướng) như không khí hoặc nước, nơi chiết suất là như nhau theo mọi hướng. Sự khác biệt này thường do cấu trúc tinh thể không đối xứng của vật liệu. Ví dụ, tinh thể canxit (CaCO₃) là một ví dụ điển hình của vật liệu lưỡng chiết. Một số vật liệu vốn dĩ không có tính lưỡng chiết cũng có thể thể hiện tính chất này khi chịu tác động của ứng lực cơ học (hiện tượng lưỡng chiết do ứng suất), điện trường (hiện tượng Kerr), hoặc từ trường (hiện tượng Faraday/Cotton-Mouton).

Tia thường và tia bất thường

Khi ánh sáng đi vào môi trường lưỡng chiết, nó bị tách thành hai tia: tia thường và tia bất thường. Hai tia này có những đặc điểm khác nhau:

• Tia thường: Tuân theo định luật Snell thông thường và có chiết suất không đổi ($n_o$) bất kể hướng lan truyền. Nó phân cực vuông góc với mặt phẳng chứa trục quang và hướng lan truyền.
• Tia bất thường: Có chiết suất thay đổi ($n_e$) tùy thuộc vào hướng lan truyền. Chiết suất của nó thay đổi từ $n_o$ đến một giá trị cực đại hoặc cực tiểu tùy thuộc vào vật liệu. Nó phân cực trong mặt phẳng chứa trục quang và hướng lan truyền.

Trục quang

Trục quang là hướng trong tinh thể lưỡng chiết mà tia sáng truyền qua không bị tách thành hai tia. Dọc theo trục quang, $n_e = n_o$ và không có hiện tượng lưỡng chiết. Một số tinh thể có hai trục quang và được gọi là lưỡng trục, trong khi những tinh thể khác chỉ có một trục quang và được gọi là đơn trục.

Độ lưỡng chiết ($\Delta n$)

Độ lưỡng chiết được định nghĩa là hiệu số tuyệt đối giữa chiết suất bất thường và chiết suất thường:

$\Delta n = |n_e – n_o|$

Giá trị này biểu thị mức độ tách đôi tia sáng trong vật liệu. Độ lưỡng chiết không phải là một hằng số mà phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng.

Ứng dụng của lưỡng chiết

Lưỡng chiết có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và công nghệ, bao gồm:

• Bản sóng (Wave plates): Được sử dụng để thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng. Độ dày của bản sóng được tính toán sao cho tạo ra sự lệch pha mong muốn giữa tia thường và tia bất thường. Các loại bản sóng phổ biến bao gồm bản sóng $\lambda/4$ và $\lambda/2$.
• Bộ phân cực (Polarizers): Dùng để tạo ra ánh sáng phân cực tuyến tính bằng cách loại bỏ một trong hai tia phân cực. Một ví dụ phổ biến là lăng kính Nicol. Ngoài ra còn có các loại bộ phân cực khác như bộ phân cực dichroic, bộ phân cực dựa trên hiện tượng tán xạ, …
• Kính hiển vi phân cực: Sử dụng lưỡng chiết để nghiên cứu cấu trúc và thành phần của các mẫu vật liệu. Kính hiển vi phân cực cho phép quan sát các mẫu vật trong ánh sáng phân cực, từ đó phát hiện các đặc điểm liên quan đến lưỡng chiết của mẫu.
• Màn hình tinh thể lỏng (LCD): Ứng dụng tính chất lưỡng chiết của tinh thể lỏng để điều khiển sự truyền ánh sáng và tạo ra hình ảnh.

Phân loại tinh thể lưỡng chiết

Tinh thể lưỡng chiết được chia thành hai loại chính dựa trên số lượng trục quang:

• Tinh thể đơn trục: Có một trục quang. Đối với loại tinh thể này, chiết suất thường $n_o$ là không đổi theo mọi hướng, trong khi chiết suất bất thường $n_e$ thay đổi theo hướng lan truyền của ánh sáng so với trục quang. Canxit (CaCO₃) và thạch anh (SiO₂) là ví dụ điển hình của tinh thể đơn trục.
• Tinh thể lưỡng trục: Có hai trục quang. Trong trường hợp này, cả chiết suất thường và chiết suất bất thường đều thay đổi theo hướng lan truyền. Mica và aragonit là ví dụ về tinh thể lưỡng trục. Việc phân tích sự lan truyền ánh sáng trong tinh thể lưỡng trục phức tạp hơn so với tinh thể đơn trục.

Bề mặt chiết suất (Index Ellipsoid)

Bề mặt chiết suất là một công cụ hình học hữu ích để mô tả sự thay đổi của chiết suất theo hướng trong tinh thể lưỡng chiết. Nó là một ellipsoid với ba bán trục chính tương ứng với ba chiết suất chính của tinh thể. Đối với tinh thể đơn trục, ellipsoid này là một ellipsoid quay với hai bán trục bằng $n_o$ và bán trục còn lại bằng $n_e$. Đối với tinh thể lưỡng trục, ellipsoid có ba bán trục khác nhau.

Hiện tượng giao thoa do lưỡng chiết

Khi ánh sáng phân cực đi qua vật liệu lưỡng chiết, tia thường và tia bất thường sẽ truyền đi với tốc độ khác nhau, tạo ra sự lệch pha giữa chúng. Sự lệch pha này có thể dẫn đến hiện tượng giao thoa khi hai tia được kết hợp lại. Ví dụ, khi quan sát một tinh thể canxit đặt trên một trang giấy có chữ viết, ta sẽ thấy hình ảnh chữ viết bị nhân đôi do hiện tượng lưỡng chiết và giao thoa.

Các ứng dụng khác của lưỡng chiết

Ngoài các ứng dụng đã được đề cập ở trên, lưỡng chiết còn được sử dụng trong:

• Bộ điều biến quang học (Optical Modulators): Sử dụng hiệu ứng điện quang hoặc từ quang để thay đổi chiết suất của vật liệu lưỡng chiết và điều khiển cường độ ánh sáng truyền qua.
• Cảm biến ứng suất (Stress Sensors): Dựa trên sự thay đổi lưỡng chiết của vật liệu khi chịu ứng suất cơ học.
• Nghiên cứu cấu trúc tinh thể: Lưỡng chiết cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và tính đối xứng của tinh thể.

• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson Education.
• Born, M., & Wolf, E. (1999). Principles of optics: Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. Cambridge university press.
• Fowles, G. R. (1975). Introduction to modern optics. Courier Corporation.
• Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2007). Fundamentals of photonics. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Bề mặt chiết suất là gì và nó được sử dụng như thế nào để mô tả lưỡng chiết?

Trả lời: Bề mặt chiết suất là một biểu diễn hình học của sự thay đổi chiết suất theo hướng trong một vật liệu dị hướng. Nó là một ellipsoid ba chiều, trong đó chiều dài của mỗi bán trục đại diện cho chiết suất theo hướng đó. Đối với tinh thể đơn trục, bề mặt chiết suất là một ellipsoid quay với hai bán trục bằng $n_o$ (chiết suất thường) và bán trục còn lại bằng $n_e$ (chiết suất bất thường). Bằng cách phân tích bề mặt chiết suất, chúng ta có thể dự đoán được sự lan truyền của ánh sáng trong vật liệu lưỡng chiết.

Làm thế nào để tính độ dày của một bản sóng $\lambda/4$ hoặc $\lambda/2$?

Trả lời: Độ dày (d) của bản sóng được tính dựa trên độ lưỡng chiết ($Δn$) và bước sóng của ánh sáng ($\lambda$).

• Bản sóng $\lambda/4$: $d = \frac{\lambda}{4Δn}$
• Bản sóng $\lambda/2$: $d = \frac{\lambda}{2Δn}$

Bản sóng $\lambda/4$ tạo ra sự lệch pha $\pi/2$ giữa tia thường và tia bất thường, trong khi bản sóng $\lambda/2$ tạo ra sự lệch pha $\pi$.

Lưỡng chiết tròn và lưỡng chiết tuyến tính khác nhau như thế nào?

Trả lời: Lưỡng chiết tuyến tính xảy ra khi chiết suất của vật liệu khác nhau đối với các hướng phân cực tuyến tính khác nhau. Lưỡng chiết tròn, còn được gọi là hoạt động quang học, xảy ra khi vật liệu có chiết suất khác nhau đối với ánh sáng phân cực tròn trái và phải. Điều này làm cho mặt phẳng phân cực của ánh sáng tuyến tính bị quay khi truyền qua vật liệu.

Lưỡng chiết có vai trò gì trong kính hiển vi phân cực?

Trả lời: Kính hiển vi phân cực sử dụng lưỡng chiết để phân tích các mẫu vật liệu. Ánh sáng phân cực được truyền qua mẫu, và sự tương tác của ánh sáng với mẫu, dựa trên tính chất lưỡng chiết của nó, cung cấp thông tin về cấu trúc và thành phần của mẫu. Các mẫu lưỡng chiết sẽ làm thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng, tạo ra hình ảnh tương phản giúp phân biệt các cấu trúc khác nhau.

Ngoài canxit, còn có những vật liệu nào khác thể hiện tính chất lưỡng chiết?

Trả lời: Nhiều vật liệu thể hiện tính chất lưỡng chiết, bao gồm thạch anh, mica, aragonit, tourmaline, và một số loại nhựa. Ngoài ra, lưỡng chiết cũng có thể được tạo ra nhân tạo trong một số vật liệu bằng cách áp dụng ứng suất cơ học hoặc trường điện.