Phần 5: BẢN TINH THỂ MỎNG

I. Phương ưu đãi

Chiếu một chùm tia sáng tự nhiên tới bản tinh thể mỏng, hai mặt song song, bề dày e. Ta được 2 chùm tia ló R_o và R_e là ánh sáng phân cực thẳng có phương dao động vuông góc nhau

Hình 2. 18. Hình mô tả sự truyền ánh sáng qua bản tinh thể mỏng

Nếu bề dày e nhỏ → → ánh sáng ló là ánh sáng phân cực elip

Vậy: Khi ánh sáng là sự tổng hợp của 2 ánh sáng phân cực thẳng có phương dao động vuông góc nhau thì ánh sáng đó là ánh sáng phân cực elip

Hứng chùm tia ló cho đi qua Nicol A, quay Nicol A quanh phương truyền của tia sáng → thấy cường độ của tia sáng trải qua những cực đại và cực tiểu, cực tiểu không bị triệt tiêu

Vậy: ánh sáng tới Nicol A phải là ánh sáng phân cực elip

v Thí nghiệm kiểm chứng::

Đặt bản mỏng L giữ Nicol phân cực P và Nicol phân tích A (mặt phẳng chính của P và A vuông góc nhau) → quan sát cường độ của ánh sáng sau khi qua Nicol A

	Hình 2.18. Hình mô tả thí nghiệm kiểm chứng về phương ưu đãi

-         Ánh sáng tự nhiên tới Nicol P cho ánh sáng ló là ánh sáng phân cực thẳng có véc tơ chấn động sáng song song mặt phẳng chính của P

-         Ánh sáng qua bản L cho ánh sáng phân cực elip

-         Khi truyền   qua nicol A cường độ ánh sáng tới mắt tỉ lệ với hình chiếu của chấn động elip lên Nicol A

-         Khi quay Nicol A thì hình chiếu thay đổi trải qua những cực đại và cực tiểu không triệt tiêu

Vậy: ánh sáng tới Nicol A phải là ánh sáng phân cực elip

v Thí nghiệm phương ưu đãi:

Vẫn đặt bản mỏng L giữ Nicol phân cực P và Nicol phân tích A (mặt phẳng chính của P và A vuông góc nhau), quay bản L xung quanh phương truyền của tia sáng ta thấy có 2 phương đặc biệt Ox, Oy (Ox  Oy) của bản L mà cường độ ánh sáng đến mắt bị triệt tiêu.

ð 2 phương đặc biệt đó là 2 phương ưu đãi của bản tinh thể mỏng.

II. Hiệu quang lộ giữa tia thường và tia bất thường gây ra do bản tinh thể

Hình 2.19. Hình vẽ sự truyền ánh sáng qua bản tinh thể dị hướng

Hiệu quang lộ giữa 2 tia đi qua bản là:

+ Tinh thể dương:

+ Tinh thể âm:

Với: e: bề dày bản mỏng

        n_en: chiết suất bất thường theo pháp tuyến

        n_o: chiết suất thường

Khi tia bất thường vuông góc trục quang học:

+ Tinh thể dương:

+ Tinh thể âm:

III. Dao động Elip truyền qua một Nicol

Hình 2.20. Hình vẽ mô tả dao động elip truyền qua một Nicol

Ánh sáng phân cực thẳng OP có dạng:

Khi chiếu vào bản L tại I, ánh sáng phân thành ánh sáng phân cực thẳng R_o và R_e theo hai phương ưu đãi

- Tại I:

- Tại J:

             Với:

                      v_o: vận tốc thường, v_en: vận tốc bất thường theo pháp tuyến

- Đổi gốc thời gian  và đồng nhất t’ với  t:

  Tại J:

             Với: là độ lệch pha của sóng thường và sóng bất thường

                      là hiệu quang lộ của tia R_o và R_e

- Phương trình quĩ đạo của ánh sáng ló ra khỏi bản L là:

→ Đây là phương trình cuả elip

→ Sự tổng hợp của hai ánh sáng phân cực thẳng là ánh sáng elip

IV. Các bản mỏng đặc biệt

v Bản sóng:

Là bản có bề dày e sao cho  →

Ánh sáng tới là ánh sáng phân cực thằng OP

Tại I:

Tại J:

Vậy: ánh sáng tới là ánh sáng phân cực thẳng thì ánh sáng ló cũng là ánh sáng phân cực thẳng.

v Bản nửa sóng:

Là bản mỏng đặc biệt có bề dày e sao cho  →

Ánh sáng tới là ánh sáng phân cực thẳng OP

Tại I:

Tại J:

Vậy: ánh sáng tới là ánh sáng phân cực thẳng OP thì ánh sáng ló cũng là ánh sáng phân cực thẳng OP’ đối xứng với OP qua phương ưu đãi

v Bản phần tư sóng:

Là bản mỏng đặc biệt có bề dày e sao cho  →

+ TH1: Ánh sáng tới là ánh sáng phân cực thẳng OP

     Tại I:

Tại J:

→

Vậy: Ánh sáng ló là ánh sáng phân cực elip.  Có 2 trục nằm trên phương ưu đãi của bản

Chiều của ánh sáng phân cực elip:

• Nếu OP nằm ở góc phần tư thứ nhất

→ ánh sáng ló ra là phân cực elip trái

• Nếu OP nằm ở góc phần tư thứ hai

→ ánh sáng ló ra là phân cực elip phải

• Nếu OP là phân giác của góc phần tư thứ nhất

→ ánh sáng ló ra là phân cực tròn trái

• Nếu OP là phân giác của góc phần tư thứ hai

→ ánh sáng ló ra là phân cực tròn phải

+ TH2: Ánh sáng tới là ánh sáng phân cực elip có 2 trục trùng với phương ưu đãi của bản:

Tại I:

Tại J:

→

Vậy: ánh sáng ló ra là ánh sáng phân cực thẳng nằm góc phần tư thứ 2, 4

+ Kết luận:

-         Nếu ánh sáng là phân cực elip trái (A>0, B>0)→ ánh sáng ló là phân cực thẳng OP nằm góc phần tư thứ hai

-         Nếu ánh sáng là phân cực elip phải (A<0, B<0)→ ánh sáng ló là phân cực thẳng OP nằm góc phần tư thứ nhất

-         Nếu ánh sáng là phân cực tròn trái (A>0, B>0)→ ánh sáng ló là phân cực thẳng OP trùng phân giác góc phần tư thứ hai

-         Nếu ánh sáng là phân cực tròn phải (A<0, B<0)→ ánh sáng ló là phân cực thẳng OP trùng phân giác góc phần tư thứ nhất.

V. Phân biệt các loại ánh sáng phân cực

Muốn phân biệt tính phân cực của một chùm tia sáng, ta cho chùm tia sáng này đi qua Nicol phân tích A. Quay Nicol A quanh phương truyền của tia sáng. Quan sát cường độ của chùm ánh sáng ló.

+ Nếu cường độ ánh sáng ló không đổi → Ánh sáng tới A là ánh sáng tự nhiên hay phân cực tròn.

+ Nếu cường độ ánh sáng thay đổi trải qua những cực đại, cực tiểu

P Cực tiểu triệt tiêu → ánh sáng tới A là phân cực thẳng

P Cực tiểu không triệt tiêu → ánh sáng tới A là phân cực elip

+ Phân biệt ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực tròn:

Chiếu chùm tia sáng đó đi qua bản phần tư sóng và  Nicol. Quay Nicol quanh phương truyền. Quan sát cường độ chùm tia ló

P Nếu cường độ chùm ánh sáng ló không đổi → ánh sáng tới là tự nhiên

P Nếu cường độ chùm ánh sáng ló thay đổi trải qua những cực đại và cực tiểu triệt tiêu → ánh sáng tới là phân cực tròn

VI. Tác dụng của bản tinh thể dị hướng đối với ánh sáng tạp – Hiện tượng phân cực màu

Chiếu một chùm ánh sáng trắng song song tới Nicol phân cực P, bản tinh thể dị hướng L, Nicol phân tích A

Hình 2.25. Hình vẽ mô tả thí nghiệm về tác dụng

của bản tinh thể dị hướng đối với ánh sáng tạp

Ánh sáng trắng qua Nicol P ánh sáng trắng phân cực thẳng OP gồm các độ dài sóng từ tím đến đỏ.

Ứng với mỗi bước sóng, hiệu số pha giữa hai dao động theo phương ưu đãi Ox, Oy do sự truyền qua bản tinh thể L là:

+ Xét đơn sắc :

-         Cường độ ánh sáng khi ra khỏi bản P:

-         Bản L biến dao động thẳng thành dao động elip có dao động thành phần theo hai phương ưu đãi của bản L

-         Cường độ ánh sáng ló ra khỏi L:

(Với  góc hợp bởi dao động OP với phương ưu đãi Ox)

-         Cường độ ánh sáng ló ra khỏi Nicol A:

Hay

+ Xét tất cả đơn sắc  từ đỏ tới tím:

-         Dao động elip ló ra khỏi L có hình dạng khác nhau

-         Xét một dải độ dài bước sóng

Cường độ ánh sáng ló ra khỏi L:

-         Cường độ của bước sóng từ tím tới đỏ:

      Số hạng thứ hai chứa  là cường độ của áng sáng màu

+    Muốn quan sát tốt nhất thì cường độ của nền trắng triệt tiêu

→ Nicol P và A ở vị trí sao cho:

-         Màu nhìn qua Nicol a là tổng hợp của các đơn sác ló ra khỏi A, cường độ mỗi đơn sắc là:

-         Các đơn sác có cường độ ánh sáng ló triệt tiêu khi:

-         Trong điều kiện gần đúng, vì (n_en - n_o) thay đổi không đáng kể nên coi  độc lập với độ bước sóng

-         Giả sử bản tinh thể khá mỏng có bề dày e sao cho

→ ánh sáng ló ra khỏi A triệt tiêu khi:

-         Với điều kiện bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được là từ  đến , ta tìm được các giá trị k.

Vậy: ánh sáng ló ra khỏi bản A sẽ có màu tạp nào đó chứ không thể có màu trắng. Đó là màu ta nhìn thấy ở bản L qua Nicol phân tích A.

Hiện tượng nhìn thấy màu trên bản mỏng dị hướng được gọi là hiện tượng phân cực màu