Máy phân cực phản xạ

22

Nhìn những tia nắng phản chiếu từ kính hoặc từ mặt nước, có thể bạn chưa bao giờ nghĩ ánh sáng phản chiếu là gì. Thoạt nhìn, có vẻ như tia phản xạ không khác gì tia tới ngoại trừ hướng của nó. Trên thực tế, điều này không phải như vậy. Lý do cho điều này là tính chất ngang của sóng ánh sáng.

Trở lại năm 1808, nhà khoa học người Pháp Etienne-Louis Malus đã phát hiện ra rằng ánh sáng phản xạ từ thủy tinh bị phân cực một phần. Điều này có nghĩa là cường độ sóng tạo nên ánh sáng phản xạ không còn giống nhau theo các hướng khác nhau như với ánh sáng tự nhiên. Hình ảnh hướng xuất hiện. Trong chùm tia phản xạ, cường độ sóng có hướng dao động này là lớn nhất, cường độ sóng có hướng dao động vuông góc với ảnh là nhỏ nhất. Sự phân cực một phần của ánh sáng xảy ra trong quá trình phản xạ gương từ ranh giới của hai chất điện môi bất kỳ.

Ánh sáng bị phân cực như thế nào khi bị phản xạ và mức độ phân cực phụ thuộc vào điều gì? Để hiểu hiện tượng này, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về nó.

Chúng ta hãy nhìn qua kính phân cực một khối ánh sáng phản chiếu từ một tấm kính ở một góc lớn. Bằng cách xoay bản phân cực quanh trục của nó, bạn có thể đảm bảo rằng chùm tia phản xạ bị phân cực một phần với hướng dao động chính vuông góc với mặt phẳng

Cơm. 1.

23

càng nhỏ thì độ lệch của góc tới so với góc Brewster càng lớn.

Hơn nữa, khi mật độ ánh sáng là vuông góc, chỉ 96% ánh sáng tới truyền vào kính bên trong ngăn xếp. Một tấm song song có hai bề mặt, do đó, ngay cả khi chúng ta bỏ qua sự hấp thụ ánh sáng trong tấm kính, nó vẫn truyền không quá 92% lượng ánh sáng tới nó. Nhưng các vật thể và thiết bị quang học hiện đại có thể bao gồm hàng chục bộ phận quang học. Đối với tôi, rõ ràng vai trò quan trọng của công nghệ đối với các câu hỏi liên quan đến nghiên cứu sự phản xạ ánh sáng từ ranh giới của hai chất điện môi.

Bạn có thể tự làm một máy phân cực khá đơn giản. Chiết suất của một ống khói điển hình là khoảng 1,5–1,6. Góc Brewster trong trường hợp này là 56-58. Điều này có nghĩa là bất kỳ mảnh nào của chồng giấy, nghiêng sao cho ánh sáng chiếu vào nó một góc 56 so với bình thường, sẽ đóng vai trò là một bộ phân cực khá tốt và với sự trợ giúp của nó, bạn có thể quan sát tất cả các hiệu ứng liên quan đến sự phân cực của ánh sáng. Các bản phân cực tiện lợi hơn nữa có thể là chất điện môi tối mờ đục, chẳng hạn như kính đen hoặc âm bản được phơi sáng và phát triển. Trong trường hợp này, tôi quan sát thấy không ít ánh sáng truyền qua tấm kính. Tuy nhiên, các thiết kế có thể có của một bộ phân cực phản xạ được thể hiện trong Hình 1. Bộ phân cực bao gồm một thân hình trụ hoặc hình chữ nhật, có thể được dán lại với nhau bằng bìa cứng và phủ bên trong bằng sơn đen. Ở một góc bằng 90° - φ₀ ≈ 30° so với trục của cơ thể, một tấm kính hoặc âm bản đen được cố định. Một lỗ được tạo ra ở bên cạnh cơ thể để quan sát. Một chùm ánh sáng hướng dọc theo trục của vỏ rơi vào thủy tinh hoặc một số chất điện môi khác từ một bề mặt nhẵn ở góc Brewster và được mắt quan sát qua một lỗ trên vỏ. Với một cặp kính phân cực này, bạn có thể tạo ra các kính phân cực và một số thiết kế khác.

Vì ánh sáng phản xạ từ ranh giới của hai chất điện môi bị phân cực bằng các dao động có hướng vuông góc với mặt phẳng tới nên chùm tia khúc xạ cũng phải bị phân cực. Khi rơi ở góc Brewster, sự phân cực của tia khúc xạ đạt cực đại, nhưng còn lâu mới hoàn toàn. Ánh sáng truyền qua mặt phân cách thủy tinh không khí bị phân cực rõ rệt. Nếu ánh sáng truyền vào bên trong một tấm phẳng song song thì hiện tượng khúc xạ lại xảy ra trên bề mặt thứ hai ở cùng góc Brewster, và độ phân cực của ánh sáng truyền qua tấm còn tăng hơn nữa. Nếu bạn xếp chồng nhiều tấm liên tiếp (nhiều tấm gấp lại được gọi là chồng), thì độ phân cực của ánh sáng truyền qua sẽ tăng nhanh khi số lượng tấm trong chồng tăng lên. Sau khi đi qua 8-10 tấm, cả ánh sáng truyền qua và phản xạ gần như sẽ bị phân cực hoàn toàn. Cường độ của tia phản xạ và tia truyền trong trường hợp này bằng nhau và bằng một nửa cường độ của ánh sáng tới (tất nhiên nếu sự hấp thụ trong thủy tinh có thể bỏ qua). Khung của một bộ phân cực như vậy cũng có thể được dán lại với nhau từ bìa cứng, bây giờ chỉ cần thực hiện quan sát dọc theo trục của cơ thể, dưới ánh sáng. Nhiều vật liệu có tính đẳng hướng, ví dụ như thủy tinh, tất cả các loại giấy bóng kính, có thể có tính dị hướng đáng chú ý dưới tác động của tải trọng cơ học bên ngoài hoặc dưới tác động của ứng suất bên trong gặp phải trong quá trình sản xuất. Nếu những vật liệu như vậy được đặt giữa các bản phân cực chéo và được quan sát dưới ánh sáng truyền qua, chúng có thể được nhìn thấy dưới dạng

24

Cơm. 2.

những vùng có sọc hoặc đốm màu không đều. Thật thuận tiện khi sử dụng một chân làm bằng tấm thủy tinh làm bản phân cực phản chiếu.

Sự xuất hiện của màu sắc là do ánh sáng phân cực tới mẫu dị hướng từ bản phân cực thứ nhất phân rã trong mẫu thành hai chùm tia có vận tốc truyền khác nhau và hướng phân cực vuông góc lẫn nhau. Khi thoát khỏi mẫu thử, hai chùm tia này được thêm vào. Vì vận tốc của các tia này trong mẫu là khác nhau nên các tia có độ lệch pha, độ lớn của nó phụ thuộc vào tính dị hướng của mẫu và bước sóng của ánh sáng tới. Vì vậy, khi thêm vào, các tia sáng sẽ cho ra một màu sắc giao diện.

Khi quan sát các vật thể khác nhau giữa các bản phân cực, bạn sẽ dễ dàng tìm thấy các sản phẩm có vùng dị hướng quang học. Hãy nhìn xem đáy cốc cà phê melange trông đẹp như thế nào giữa các bản phân cực (Hình 2). Giấy bóng kính thông thường, màng polythene và mica có màu tương tự như màu của màng xà phòng hoặc vết dầu trên nước. Từ những mảnh vật liệu như vậy, bạn có thể tạo ra một vật trang trí khảm hoặc một bức tranh nhỏ và có thể chọn màu mong muốn bằng cách xoay từng mảnh riêng lẻ quanh một trục hoặc bằng cách đặt chúng lên nhau. Bằng cách này, hình ảnh trong Hình 3 được làm từ giấy bóng kính. Giấy bóng kính được lấy từ các túi đóng gói thông thường dùng đựng kẹo được bán trong các cửa hàng. Việc tạo ra những bức ảnh từ phim polystelene khó khăn hơn một chút. Để màu sắc của phim đủ sáng và phong phú, trước tiên phim phải được kéo giãn thật nhiều.

Sự phân cực của ánh sáng tán xạ cũng có thể được quan sát thấy.

Lấy bất kỳ bình nào có thành trong suốt với hình dạng bất kỳ: ly hình trụ, bình hình cầu hoặc bình có thành phẳng, bình thủy tinh nửa lít hoặc lít. Bạn cũng có thể lấy một chai làm bằng thủy tinh không sơn. Đổ đầy Goda vào bình, sau đó thêm một vài giọt mực hoặc mực vào đó và khuấy đều. Chiếu sáng bình bằng một số nguồn tạo ra chùm ánh sáng định hướng, ví dụ, đèn pin điện tử hoặc máy chiếu trên cao. Các hạt nhỏ lơ lửng trong nước sẽ tán xạ ánh sáng rõ rệt. Tàu là tốt nhất

Cơm. 3.

đặt nó càng gần nguồn sáng càng tốt để đường kính chùm tia là tối thiểu. Để tránh ánh sáng chói từ thành bình gây cản trở quan sát, tốt nhất nên dán màng giấy lên đèn pin hoặc máy chiếu sao cho kích thước ngang của chùm sáng nhỏ hơn vài lần đường kính của bình.

Nếu nhìn vuông góc với hướng truyền ánh sáng, bạn sẽ thấy vết của chùm tia trong bóng đèn. Đây là ánh sáng bị phân tán bởi các hạt. Quan sát nó qua một bản phân cực, người ta có thể thấy rằng nó được phân cực phẳng, vì khi bản phân cực quay, vết của chùm sáng trong bóng đèn bị tắt hai lần trong mỗi vòng quay của bản phân cực. Điều tương tự cũng được bộc lộ nếu bạn nhìn con tàu theo chiều dọc từ trên xuống dưới.

Hiệu ứng tương tự có thể được quan sát thấy khi ánh sáng mặt trời bị phân tán trong khí quyển.

Đặc tính phân cực của lợn nái khi phản xạ từ chất điện môi được sử dụng rộng rãi trong công nghệ; bạn có thể tự mình quan sát một số đặc điểm của hiện tượng này. Sử dụng kính phân cực, bạn có thể loại bỏ hoặc giảm ánh sáng phản chiếu từ thủy tinh, men, nhựa, nhựa đường, chất lỏng và các bề mặt phi kim loại khác. Ví dụ, khi chụp ảnh, bạn có thể làm yếu hoặc loại bỏ hoàn toàn ánh sáng chói khỏi tròng kính gây cản trở mắt; sự phản chiếu của bầu trời qua kính cửa sổ của các tòa nhà hoặc trên mặt nước; ánh sáng chói khiến khó nhìn thấy tranh kính hoặc đồ vật trong tủ trưng bày, v.v.

Những hiệu ứng rất thú vị có thể đạt được bằng cách quan sát và chụp ảnh bề mặt của các vùng nước. Khi ánh sáng chiếu xiên trên mặt nước, một phần của nó sẽ bị phản xạ đặc biệt và làm mù mắt, làm lộ phim ảnh và cản trở việc quan sát các vật thể dưới nước. Tuy nhiên, nếu bạn sử dụng bộ phân cực được định hướng thích hợp (bạn có thể đạt được mức độ giảm chói mong muốn chỉ bằng cách xoay trường)

rizer quanh trục của nó), hầu hết ánh sáng phản chiếu sẽ bị hấp thụ và tỷ lệ độ sáng của vật thể sẽ được cải thiện nhiều. Vì vậy, kính phân cực rất cần thiết cho phi công khi quan sát tàu ngầm từ máy bay.

Lá cây và cỏ phân cực một phần ánh sáng tới. Cường độ bức xạ từ mặt trời và bầu trời được phản chiếu bởi những chiếc lá là lớn nhất khi những chiếc lá nghiêng theo cách mà ánh sáng phản xạ đặc biệt hướng về phía người quan sát. Thông qua kính râm phân cực trung tính (xám), màu sắc của lá, cỏ và hoa sẽ dịu hơn và bão hòa hơn so với khi không có kính phân cực.

Cửa sổ Polaroid được sử dụng trong tháp điều khiển sân bay để cải thiện tầm nhìn khi máy bay hạ cánh và cất cánh. Các bản phân cực cũng được sử dụng trên dây chuyền lắp ráp và trong quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm để cải thiện khả năng nhận biết các lỗi nhỏ. Đặc tính phân cực của ánh sáng phản xạ thậm chí còn được sử dụng trong ngành đánh bắt cá để bảo vệ mắt khỏi ánh sáng chói của vảy cá khi phân loại cá trong nghề cá.

Trong thực tế, chúng ta thường gặp phải ánh sáng không tự nhiên mà bị phân cực một phần. Bằng cách chế tạo kính phân cực, bạn có thể dễ dàng nhận thấy điều này.

25