Phân cực (Polarization)

Phân cực sóng điện từ

Sóng điện từ, bao gồm ánh sáng, là sóng ngang được tạo thành từ hai thành phần dao động vuông góc với nhau: điện trường ($E$) và từ trường ($B$). Hướng phân cực của sóng điện từ được xác định bởi hướng dao động của điện trường.

Có ba loại phân cực chính của sóng điện từ:

• Phân cực tuyến tính (Linear Polarization): Điện trường dao động dọc theo một đường thẳng cố định. Đây là dạng phân cực đơn giản nhất. Ví dụ, nếu điện trường dao động chỉ theo phương thẳng đứng, ta nói sóng ánh sáng phân cực thẳng đứng.
• Phân cực tròn (Circular Polarization): Điện trường dao động theo một vòng tròn. Điều này xảy ra khi hai thành phần sóng điện từ vuông góc với nhau có cùng biên độ và lệch pha nhau $\frac{\pi}{2}$ radian (90 độ). Phân cực tròn có thể là thuận tay phải hoặc trái tay phải, tùy thuộc vào chiều quay của điện trường.
• Phân cực elip (Elliptical Polarization): Điện trường dao động theo hình elip. Đây là dạng phân cực tổng quát nhất, bao gồm cả phân cực tuyến tính và phân cực tròn như những trường hợp đặc biệt. Phân cực elip xảy ra khi hai thành phần sóng điện từ vuông góc với nhau có biên độ khác nhau hoặc lệch pha không bằng $\frac{\pi}{2}$ radian.

Phân cực ánh sáng

Ánh sáng tự nhiên, như ánh sáng mặt trời, thường không phân cực. Điều này có nghĩa là hướng dao động của điện trường thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra từ ánh sáng không phân cực bằng cách sử dụng các phương pháp khác nhau, bao gồm:

• Phân cực bằng hấp thụ (Polarization by Absorption): Một số vật liệu, được gọi là kính lọc phân cực, chỉ cho phép ánh sáng phân cực theo một hướng nhất định đi qua, hấp thụ các thành phần phân cực khác.
• Phân cực bằng phản xạ (Polarization by Reflection): Khi ánh sáng phản xạ khỏi một bề mặt phi kim loại ở một góc cụ thể (góc Brewster), ánh sáng phản xạ sẽ bị phân cực một phần hoặc hoàn toàn. Góc Brewster được xác định bởi công thức $\tan(\theta_B) = n$, với $n$ là chiết suất của môi trường phản xạ.
• Phân cực bằng tán xạ (Polarization by Scattering): Khi ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt nhỏ, ánh sáng tán xạ có thể bị phân cực. Ví dụ, ánh sáng xanh của bầu trời bị phân cực một phần do tán xạ Rayleigh.

Ứng dụng của phân cực

Phân cực có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ, bao gồm:

• Kính râm phân cực: Giảm chói bằng cách chặn ánh sáng phản xạ phân cực ngang từ các bề mặt phi kim loại.
• Màn hình LCD: Sử dụng phân cực để điều khiển cường độ ánh sáng truyền qua.
• Nhiếp ảnh: Kính lọc phân cực được sử dụng để tăng cường màu sắc và giảm chói.
• Nghiên cứu khoa học: Phân cực được sử dụng để nghiên cứu các tính chất của vật liệu và phân tử.

Biểu diễn toán học (đơn giản)

Đối với phân cực tuyến tính, nếu điện trường dao động theo phương x, ta có thể biểu diễn sóng điện từ là:

$E_x = E_0 \cos(kz – \omega t)$

$E_y = 0$

Ở đây, $E_0$ là biên độ, $k$ là số sóng, $\omega$ là tần số góc, $z$ là vị trí theo hướng lan truyền, và $t$ là thời gian. Đối với các dạng phân cực phức tạp hơn, biểu diễn toán học sẽ phức tạp hơn. Ví dụ, phân cực tròn và elip cần sử dụng cả hai thành phần $E_x$ và $E_y$ với độ lệch pha thích hợp.

Phân cực và Tinh thể lưỡng chiết

Một số tinh thể, được gọi là tinh thể lưỡng chiết, có chiết suất khác nhau đối với các hướng phân cực khác nhau của ánh sáng. Khi ánh sáng không phân cực đi qua một tinh thể lưỡng chiết, nó bị tách thành hai tia phân cực tuyến tính vuông góc với nhau, được gọi là tia thường và tia bất thường. Sự khác biệt về chiết suất này gây ra sự khác biệt về tốc độ lan truyền của hai tia, dẫn đến hiện tượng tách tia. Hiệu ứng này được gọi là lưỡng chiết kép và được sử dụng trong nhiều ứng dụng quang học, chẳng hạn như tạo ra ánh sáng phân cực. Một ví dụ phổ biến của tinh thể lưỡng chiết là canxit (CaCO₃).

Phân cực và Hiện tượng quang hoạt

Hiện tượng quang hoạt là khả năng của một số chất làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực tuyến tính. Góc quay tỷ lệ với chiều dài đường đi của ánh sáng qua chất và nồng độ của chất quang hoạt (nếu nó là dung dịch). Hiện tượng này được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm xác định nồng độ của dung dịch đường và nghiên cứu cấu trúc của các phân tử. Các chất quang hoạt có thể là hữu cơ (như đường) hoặc vô cơ (như thạch anh).

Biểu diễn toán học bổ sung

• Phân cực tròn: Có thể biểu diễn bằng hai thành phần điện trường vuông góc lệch pha nhau $\frac{\pi}{2}$:

$E_x = E_0 \cos(kz – \omega t)$

$E_y = E_0 \sin(kz – \omega t)$

• Phân cực elip: Dạng tổng quát hơn có thể biểu diễn là:

$Ex = E{0x} \cos(kz – \omega t)$

$Ey = E{0y} \cos(kz – \omega t + \phi)$

Ở đây, $E{0x}$ và $E{0y}$ là biên độ của hai thành phần, và $\phi$ là độ lệch pha giữa chúng.

Phân cực trong sóng cơ

Sóng ngang cơ học, chẳng hạn như sóng trên dây, cũng có thể bị phân cực. Trong trường hợp này, hướng phân cực được xác định bởi hướng dao động của các phần tử của môi trường. Ví dụ, nếu một dây dao động chỉ theo phương thẳng đứng, sóng trên dây được cho là phân cực thẳng đứng. Một ví dụ khác là sóng ngang truyền trong chất rắn, nơi sự phân cực có thể phức tạp hơn do tính chất đàn hồi của vật liệu.

Các khía cạnh nâng cao

Các khía cạnh nâng cao hơn của phân cực bao gồm việc sử dụng ma trận Jones và Stokes để mô tả phân cực, cũng như các hiệu ứng phân cực phi tuyến. Những chủ đề này thường được đề cập trong các khóa học quang học nâng cao.

• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson Education.
• Fowles, G. R. (1989). Introduction to Modern Optics. Dover Publications.
• Born, M., & Wolf, E. (1999). Principles of Optics. Cambridge University Press.
• Jenkins, F. A., & White, H. E. (2001). Fundamentals of Optics. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để xác định hướng phân cực của một chùm ánh sáng đã biết là phân cực tuyến tính?

Trả lời: Có thể sử dụng một kính lọc phân cực. Xoay kính lọc cho đến khi cường độ ánh sáng truyền qua đạt cực tiểu. Khi đó, hướng phân cực của kính lọc vuông góc với hướng phân cực của chùm sáng.

Sự khác biệt giữa phân cực tròn thuận tay phải và phân cực tròn tay trái là gì?

Trả lời: Sự khác biệt nằm ở chiều quay của vectơ điện trường. Nếu nhìn theo hướng lan truyền của sóng, vectơ điện trường của phân cực tròn thuận tay phải quay theo chiều kim đồng hồ, trong khi vectơ điện trường của phân cực tròn tay trái quay ngược chiều kim đồng hồ.

Góc Brewster là gì và nó liên quan như thế nào đến phân cực?

Trả lời: Góc Brewster là góc tới mà tại đó ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phi kim loại hoàn toàn phân cực tuyến tính trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng tới. Góc này được xác định bởi công thức: $tan(\theta_B) = n_2/n_1$, trong đó $\theta_B$ là góc Brewster, $n_1$ là chiết suất của môi trường tới và $n_2$ là chiết suất của môi trường phản xạ.

Làm thế nào để tạo ra ánh sáng phân cực tròn từ ánh sáng không phân cực?

Trả lời: Cần sử dụng một bộ phận gọi là bản sóng $\frac{\lambda}{4}$ (quarter-wave plate). Bản sóng này làm chậm một thành phần phân cực của ánh sáng so với thành phần vuông góc với nó một lượng $\frac{\lambda}{4}$. Khi ánh sáng phân cực tuyến tính ở góc 45 độ so với trục nhanh của bản sóng $\frac{\lambda}{4}$ đi qua bản sóng, nó sẽ trở thành ánh sáng phân cực tròn.

Tại sao bầu trời có màu xanh và liên quan gì đến phân cực?

Trả lời: Bầu trời có màu xanh là do hiện tượng tán xạ Rayleigh. Ánh sáng xanh, có bước sóng ngắn hơn, bị tán xạ mạnh hơn bởi các phân tử không khí so với ánh sáng đỏ. Ánh sáng tán xạ này bị phân cực một phần, và mức độ phân cực phụ thuộc vào góc giữa hướng quan sát và hướng của mặt trời.