MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Ánh sáng được coi là người bạn thân thiết, gần gũi của con người trong
mọi hoạt động hàng ngày. Đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là
một điều hiển nhiên và tự nhiên. Con người đã không ngừng tìm hiểu về nguồn
gốc của ánh sáng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế
nào? vô vàn câu hỏi và những thắc mắc mà con người đã đặt ra cho ánh sáng.
Đến thế kỷ XX con người mới thực sự có được cái nhìn đúng đắn hơn về ánh
sáng. Có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về nhiều khía cạnh của ánh sáng
như: Huyghens - cha đẻ của lý thuyết sóng ánh sáng; Newton - ánh sáng là hạt,
… Những hiện tượng liên quán đến ánh sáng bao gồm: Khúc xạ, phản xạ, giao
thoa, nhiễu xạ,…và đặc biệt là sự phân cực ánh sáng.
Sự phân cực ánh sáng được rất nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu
vì nó mang lại nhiều ứng dụng hiệu quả đối với thực tiễn cuộc sống của con
người và khoa học công nghệ. Những nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng này có
thể nói gần như là hoàn thiện và có thể tìm thấy ở bất kỳ một giáo trình Quang
học nào. Con người đã biết thế nào là ánh sáng phân cực, cách tạo ra ánh sáng
phân cực, ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, các dụng cụ phân cực ánh
sáng. Tuy nhiên những tài liệu viết về những ứng dụng của nó còn khá khiêm
tốn nhất là những ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và thực tiễn.
Có một số tác giả cũng viết về vấn đề này như: Nguyễn Thị Hảo, [3] hay
Nguyễn Ngọc Vân Tâm, [7], Nhưng họ cũng chỉ tập trung nhiều vào làm rõ sự
phân cực ánh sáng về mặt lý thuyết hay chỉ nêu ra các ứng dụng một số ứng
dụng của sự phân cực ánh sáng (kính phân cực, màn hình tinh thể lỏng LCD,…)
mà không đi sâu vào tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên lý để tạo ra các sản
phẩm đó.
1
2. Tính cấp thiết của đề tài
Sự phân cực ánh sáng là một nội dung quan trọng khi nghiên cứu về ánh
sáng. Trong các giáo trình quang học, sự phân cực ánh sáng được dành ra hẳn
một chương để bàn luận về các vấn đề thế nào là ánh sáng phân cực, cách nhận

cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của các ứng dụng này.
3.2. Nhiệm vụ của đề tài
+ Tìm hiểu những lý thuyết về sự phân cực ánh sáng;
+ Tìm hiểu những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong đời sống, kĩ
thuật, khoa học và công nghệ;
+ Phân phân tích, giải thích được nguyên tắc cấu tạo cũng như nguyên tắc
hoạt động của các ứng dụng.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sự phân cực ánh sáng.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung vào việc tìm hiểu những ứng dụng của sự phân cực
ánh sáng trong đời sống và khoa học công nghệ.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Tập trung tìm hiểu những vấn đề tổng quan về sự phân cực
ánh sáng như: Thế nào là sự phân cực ánh sáng? Cách tạo ra ánh sáng phân cực,
ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, giao thoa của ánh sáng phân cực,…
- Nội dung 2: Tìm hiểu về những ứng dụng của sự phân cực ánh sáng
trong đời sống (như: kính râm phân cực, màn hình chống chói trên điện thoại di
động,…) và trong khoa học công nghệ (như Kính hiển vi phân cực, màn hình
tinh thể lỏng,…).
Trên cơ sở nội dung nghiên cứu chúng tôi dự kiến cấu trúc của đề tài gồm
những phần như sau:
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
1.1. Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực
1.2. Sự phân cực ánh sáng
1.3. Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn
1.4. Sự giao thoa ánh sáng phân cực
1.5. Sự quay mặt phẳng phân cực

Mặt phẳng chứa vector và tia sáng gọi là mặt phẳng dao động. Mặt
phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng
phân cực.
1.1.2. Ánh sáng phân cực
Khi ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất đẳng hướng về mặt
quang học do tác dụng của môi trường lên ánh sáng đó có thể làm cho các vector
chỉ còn dao động theo một phương xác định gọi là ánh sáng phân cực thẳng
hay ánh sáng phân cực hoàn toàn.
5
Hình 1.1. Biểu diễn ánh sáng tự nhiên
Hình 1.2. Biểu diễn ánh sáng phân cực thẳng
Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo mọi phương
vuông góc với tia sáng nhưng có phương dao động ưu tiên hơn được gọi là ánh
sáng phân cực một phần.
Biểu diễn ánh sáng phân cực một phần (hình 1.3).
Hình 1.3.Biểu diễn ánh sáng phân cực một phần
1.2. Sự phân cực ánh sáng
Sự phân cực ánh sáng là sự tách khỏi chùm ánh sáng tự nhiên những tia
phân cực trong một mặt phẳng xác định.
Thí nghiệm về sự phân cực ánh sáng: Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên,
đơn sắc, song song, hẹp, vuông góc với mặt bên của bản T
1
, tức vuông góc với
quang trục O
1
O'
1
(hình 1.4a).
Khi ta quay bản T
1

Độ phân cực là đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực của ánh sáng
phân cực.
(1.2)
Nếu P = 1 ánh sáng phân cực thẳng
Nếu P = 0 ánh sáng tự nhiên
Nếu 0 < P < 1 ánh sáng phân cực một phần.
Có thể tạo ra ánh sáng phân cực bằng nhiều cách. Ta khảo sát một số hiện tượng
như: Sự hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và sự khúc xạ kép.
1.2.1. Sự phân cực ánh sáng do phản xạ- khúc xạ
Hiện tượng phân cực ánh sáng xảy ra khi ánh sáng phản xạ hay khúc xạ
trên mặt phân cách giữa hai môi trường.
Thí nghiệm: Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên SI vào mặt phân cách
giữa hai môi trường (không khí và thủy tinh), một phần ánh sáng bị phản xạ,
phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai.
Để khảo sát sự phân cực của tia phản xạ và khúc xạ, ta đặt bản tuamalin
T
1
trên đường của tia phản xạ và bản T
2
trên đường truyền của tia khúc xạ
7
(hình1.5). Khi ta quay bản T
1
xung quanh tia phản xạ theo chiều mũi tên người
ta nhận thấy :
- Quang trục của bản T
1
vuông góc với mặt phẳng tới thì chùm tia ló ra
khỏi T
1

song song với mặt phẳng tới. Khi i = i
B
tia
khúc xạ bị phân cực mạnh nhất và vuông góc với tia phản xạ.
8
Hình 1.5. Phân cực do phản xạ và khúc xạ dưới góc tới Brewster
1.2.2. Hiện tượng tán xạ
Tán xạ ánh sáng là hiện tượng khi một chùm tia sáng truyền qua một môi
trường trong suốt, ta không những nhìn thấy ánh sáng theo phương truyền của
chùm tia, mà còn nhìn thấy ánh sáng theo các phương khác nữa.
Ta xét một số trường hợp tán xạ của ánh sáng mà sự không đồng nhất của
môi trường do những nguyên nhân khác nhau gây nên:
* Tán xạ trong môi trường vẩn đục (tán xạ Tyndall)
Môi trường vẩn đục là môi trường trong suốt, chứa những hạt nhỏ lơ lửng,
như khói là không khí có mang các hạt rắn nhỏ, sương mù là không khí mang
những hạt nước nhỏ.
Tyndall và Rayleigh đã thiết lập 3 định luật dựa trên hiện tượng tán xạ
Tyndall như sau:
1. (1.4)
trong đó b là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào nồng độ và đặc biệt là kích thước của
hạt.
9
2. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ theo phương
làm với phương truyền thẳng một góc bất kỳ bị phân cực một phần và theo
phương vuông góc với phương truyền thẳng( ) thì bị phân cực hoàn toàn.
3. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì cường độ của ánh sáng tán xạ
theo phương tạo với phương truyền thẳng góc được xác định:
(1.5)
trong đó là cường độ ánh sáng tán xạ theo phương
1.2.3. Sự phân cực do tính lưỡng chiết (khúc xạ kép)

không giống nhau.
Lăng kính phân cực thường là một tổ hợp lăng kính bằng tinh thể, được
chia làm hai loại :
+ Lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng.
+ Lăng kính cho hai tia phân cực phẳng phân cực trong hai mặt phẳng
vuông góc với nhau.
Lăng kính phân cực và các bản phân cực ánh sáng là những dụng cụ phân cực.
a. Lăng kính Nicol
Lăng kính nicol là một trong những loại kính phân cực phổ biến nhất, nó
được cắt ra từ khối đá băng lan lớn thành dạng một hình hộp lệch
ABCDA'B'C'D' có cạnh AB= AD, AC'= 3AB.
Trục quang học nằm trong mặt phẳng ACA'C' và đó là mặt phẳng chính
của tinh thể. Người ta cưa tinh thể này ra làm hai phần bằng nhau theo mặt
AFA'F' (F, F' là trung điểm của B'D và BD') rồi dán trở lại với nhau bằng lớp
nhựa Canada. Nhựa này trong suốt và đẳng hướng quang học, có chiết suất
n= 1.55, có giá trị nằm giữa n
o
và n
e
(hình 1.9)
Hình 1.9.Lăng kính nicol
Người ta đặc trưng cho lăng kính Nicol bằng mặt phẳng chính ACA'C'.
Trục quang học AA' làm với AC một góc 48
0
.

12
Chiếu tia sáng tự nhiên SI song song với cạnh AC', khi đi vào trong lăng
kính thì tia sáng tách thành tia thường và tia bất thường. Do chiết suất của tia
thường là n

tách thành hai. Vì chiết suất của thủy tinh rất gần với chiết suất của đá băng lan
đối với tia bất thường nên tia bất thường hầu như không bị lệch khi đi qua mặt
ghép. Còn tia thường bị khúc xạ hai lần tại mặt giới hạn của đá băng lan và bị
lệch nhiều khi ra khỏi lăng kính. Như vậy các lăng kính phân cực ghép loại này
cho phép tạo ra hai tia phân cực thẳng tách xa nhau và phân cực trong hai mặt
phẳng vuông góc nhau.
Hình 1.12
* Lăng kính lưỡng chiết gồm hai mẫu đá băng lan có phương của trục
quang học khác nhau, dán vào nhau. Do phương của trục quang học ở hai lăng
kính khác nhau nên hai chùm tia phân cực thẳng ra khỏi lăng kính tách xa nhau
hơn. Đối với các lăng kính này khẩu độ cho phép của chùm tia tới rất bé.

Hình 1.13
14
1.2.5. Các bản phân cực dùng tính lưỡng sắc
a. Bản Tuamalin
Tuamalin là bản tinh thể lưỡng chiết có hai mặt song song, tính lưỡng sắc
rất mạnh đối với tia sáng thấy được. Cụ thể là tia thường bị hấp thụ mạnh hơn tia
bất thường rất nhiều. Vì vậy khi hai tia ra khỏi bản tuamalin có cường độ rất
khác nhau và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực một phần. Nhưng nếu
với bản tuamalin dày chừng 1 mm thì thực tế tia thường bị hấp thụ hoàn toàn và
ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực phẳng.
Hệ số hấp thụ của bản Tuamalin đối với tia bất thường phụ thuộc vào tần
số ánh sáng. Vì vậy, khi rọi vào bản tuamalin bằng ánh sáng trắng, thì ánh sáng
truyền qua có màu lục vàng. Ðây là nhược điểm lớn nhất của bản tuamalin khi
dùng nó làm dụng cụ phân cực, nhưng mặt khác khẩu độ cho phép của chùm tia
tới lại rất lớn, điều này cũng rất quan trọng.
b. Polaroid
Tính lưỡng sắc còn thể hiện mạnh hơn ở các tinh thể Herapati. Với độ dày
chừng 0.1mm chúng hấp thụ hoàn toàn tia thường. Kích thước của tinh thể

o
- n
e
)d (1.7)
và hiệu số pha tương ứng là: (1.8)
Vậy dao động của các sóng thường và bất thường ở mặt trước của bản tinh thể
có biểu thức : (1.9)
Ngay sau khi ra khỏi bản K hai tia truyền đi với cùng một vận tốc và
vector cường độ điện trường của dao động sóng tổng hợp là :
16
Để tìm quỹ đạo của đầu mút vector của dao động tổng hợp ta khử t trong
các phương trình (1.9) kết quả thu được :
(1.10)
với và
Đây là phương trình của elip định hướng bất kỳ với trục OO' và AA (AA'
vuông góc với OO')
Như vậy nếu ánh sáng rọi vào bản tinh thể K là ánh sáng phân cực thẳng
thì nói chung khi ra khỏi bản K ta được ánh sáng phân cực elip.
1.3.2. Một số trường hợp đặc biệt của ánh sáng phân cực elip
a. Bản phần tư bước sóng
Bản có bề dày d sao cho hiệu quang trình của hai tia khi ra khỏi bản thỏa mãn
điều kiện: (1.11)
với k = 0,1,2 được gọi là bản phần tư bước sóng.
Khi đó hiệu số pha : (1.12)
và phương trình của elip dạng : (1.13)
Hình 1.15. Minh họa vector trong ánh sáng phân cực elip
Nếu α = 45
0
, ta có E
o1

và N
2
ta đặt một bản tinh thể đơn trục K
được cắt song song với trục quang học OO'. Một chùm tia song song của ánh
sáng tự nhiên, được chiếu vào nicol N
1
. Ánh sáng phân cực phẳng từ N
1
đập
vuông góc vào bản K. Do hiện tượng lưỡng chiết trong bản K xuất hiện tia
thường và tia bất thường, truyền cùng phương với tia tới và với vận tốc khác
nhau. Chúng là những sóng kết hợp có vector dao động vuông góc với nhau.
Nicol N
2
chỉ cho những thành phần dao động nào song song với mặt phẳng
chính của nó đi qua mà thôi. Vì vậy các vector điện trong sóng thường và sóng
bất thường ra khỏi N
2
thực hiện dao động cùng phương. Chúng lại là những dao
động kết hợp nên sẽ giao thoa với nhau. Nếu đặt mắt sau N
2
nhìn đón ánh sáng
hay chiếu lên màn ta sẽ trông thấy vân giao thoa. Nếu bản K có độ dày thay đổi
và quan sát với ánh sáng đơn sắc ta sẽ trông thấy một hệ gồm những vân sáng và
tối xen kẽ nhau. Nếu quan sát với ánh sáng trắng ta sẽ trông thấy những dải màu
khác nhau.
19
Hình 1.18. Thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng phân cực
1.5. Sự quay mặt phẳng phân cực
- Bố trí thí nghiệm gồm: 2 nicol bắt chéo N

* Góc quay của mặt phẳng phân cực trong tinh thể đơn trục được xác định
như sau: (1.20)
Trong đó: d là độ dày của bản;
được gọi là năng suất quay cực của tinh thể (độ/mm) - là hệ số
phụ thuộc vào bản chất của bản tinh thể, vào bước sóng và nhiệt độ.
* Không chỉ tinh thể mà dung dịch cũng có khả năng làm quay mặt phẳng
phân cực. Góc quay của mặt phẳng phân cực trong các dung dịch được xác định:
(1.21)
Trong đó: là năng suất quay cực riêng của dung dịch, là hệ số tỉ lệ không phụ
thuộc vào nồng độ và đặc trưng cho bản chất của dung dịch quang hoạt;
C là tỉ số giữa khối lượng chất quang hoạt và thể tích dung dịch
Người ta có thể ứng dụng hiện tượng quay của mặt phẳng phân cực để xác
định nồng độ C trong một dụng cụ gọi là đường kế, dụng cụ này cho phép xác
định tỷ lệ phần trăm của đường nguyên chất có trong đường được sản xuất ra.
21
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
Phân cực là hiện tượng xảy ra khá phổ biến và có nhiều ứng dụng quan
trọng trong đời sống hàng ngày và trong nghiên cứu khoa học. Ví dụ đơn giản
nhất đó là những chiếc kính râm, màn hình chống chói điện thoại, kính hiển vi
hay những bộ phim 3D, Đó là những thứ rất gần gũi với chúng ta và nguyên
lý hoạt động của chúng một phần dựa trên ứng dụng của hiện tượng phân cực
ánh sáng.
2.1. Ứng dụng của sự phân cực ánh sáng trong khoa học
Ước vọng nhìn thấy những vật nhỏ li ti mà mắt thường không nhìn thấy
được đã có từ lâu. Với niềm đam mê đó con người đã không ngừng tìm kiếm các
phương pháp tiếp cận quan sát thế giới vi mô, thành công rực rỡ đầu tiên của họ
đó là sự ra đời của kính hiển vi quang học. Bằng cách ghép hai thấu kính lại với
nhau kính hiển vi đã tạo nên bước đột phá lớn, vi khuẩn đã được nhìn thấy. Con
người đã từng bước khám phá sự kỳ diệu của thế giới vi mô. Không dừng lại ở
đó, trước sự giới hạn của kính hiển vi, con người vẫn tiếp tục tìm kiếm những

4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 50x, 60x và 100x có thể được lắp đặt trên cùng một mâm
vật kính.
+ Thị kính: Là một ống hình trụ có hai hay nhiều thấu kính, giúp hội tụ
hình ảnh của mẫu vật lên võng mạc của mắt. Độ phóng đại điển hình của thị
kính là 2x, 5x, 10x.
+ Núm chỉnh độ hội tụ (chỉnh thô, chỉnh tinh)
+ Bệ đỡ kính
+ Ống nối với camera (nếu có)
Hình 2.2. Cấu tạo kính hiển vi phân cực
* Mẫu vật sử dụng cho quan sát
Không phải tất cả các mẫu đều thích hợp để quan sát bằng kính hiển vi
phân cực, chỉ mẫu vật bất đẳng hướng mới cho ra hình ảnh hữu dụng. Vật liệu
bất đẳng hướng là vật liệu không có sự phân bố đồng đều về tính chất. Điều này
có nghĩa là nếu ánh sáng được truyền qua vật liệu theo hướng không điển hình
ánh sáng sẽ được chia thành hai tia riêng biệt hoặc dạng sóng. Ðây là phản ứng
24
thường thấy trong thạch anh hoặc tinh thể Tuamalin, đó là lý do các nhà địa chất
và khoáng học sử dụng kính hiển vi phân cực.
* Nguyên lý hoạt động
Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động kính hiển vi phân cực
Để quan sát các mẫu lưỡng chiết (có hai chỉ số khúc xạ khác nhau), kính
hiển vi phải được trang bị hai bộ phân cực, một bộ đặt trên đường đi của chùm
ánh sáng tới trước mẫu, bộ phân tích (bộ phân cực thứ hai) được đặt ở trục
quang học giữa vật kính, sau khẩu độ và các ống quan sát hoặc camera. Độ
tương phản của ảnh tạo ra nhờ tương tác giữa ánh sáng phân cực phẳng với mẫu
lưỡng chiết để tạo ra hai thành phần sóng riêng biệt (tia bình thường và bất
thường) phân cực trong các mặt phẳng vuông góc thay đổi lẫn nhau. Tốc độ của
các thành phần này khác nhau và thay đổi hướng truyền khi đi qua mẫu. Sau khi
đi qua mẫu, các thành phần ánh sáng truyền lệch pha nhau nhưng tái kết hợp lại
sau quá trình giao thoa khi đi qua bộ phân tích.