CHƯƠNG 1: LÝ THUYET 1.1 THÍ NGHIỆM MALUS Đây là thí nghiệm do nhà Vật Lý Pháp Etienne Louis Malus (1775 - 1§12) thực hiện vào năm 1809 để khảo sát hiện tượng phan cực của ánh sáng do phản xạ.1 Dung cụ thí nghiệm Nguôn sáng tự nhiên S. Hai gương phẳng Mì, M; giống hệt nhau, mặt trước phản xạ ánh sáng chiếu tới, mặt sau của gương được Hình 1.1 Evienne Louis Malus bôi den dé khử tia phan xạ. Man ảnh M dùng dé hứng chim tia phan xạ cuối cùng.2 Tién hành thí ngiệm Hình 1.2 Bồ si thi nebiém Malus Chiếu tới gương M; chùm tia sáng tự nhiên SI dưới góc tới i = 57°. Bỏ gương M; đặt man M hứng tia phản xạ IJ.
Quay gương M, xung quanh tia tới SI với góc tới I = 57° không đôi thi thấy cường độ tia phản xa [J không thay đôi. Đặt gương M, hứng chùm tia phan xạ II từ gương M, và cũng dưới góc tới i = 57”, tia phản xạ cudi cùng JR được hứng trên M. Bây giờ giữ gương M; cô định, quay gương M; xung quanh tia tới [J đưới góc tới ¡ : 57° không đôi thi thay cường độ tia phản xa JR thay đôi, trải qua những qua những cực đại, cực tiểu triệt tiêu. + Khi 2 mặt phăng tới tng với 2 gương 1a (SH) va (LIR) song song với nhau thì cường độ chùm tia phan xạ JR cực đại, ứng với 2 vị trí Ay, A; trên màn M.
+ Khi 2 mặt phẳng tới của gương thăng góc với nhau thì cường độ chùm tia phản xạ triệt tiêu, ứng với 2 vị tri Ap, Az trên màn M. Nếu góc tới gương M; khác 57” thì khi quay M; xung quanh tia tới IJ, tại A;, Ay cường độ của tia phan xạ cuối cùng JR chi cực tiêu (tối nhất) chứ không thé triệt tiêu.3 Giải thích thí nghiệm Chùm tia SI là chùm tia sáng tự nhiên nên chan động sáng có tính đối xứng theo tat cả các phương thăng góc với SI. Vi vậy khi quay gương M¡ xung quanh SI với góc tới i = 57° thì sự quay này không thay đôi cường độ sáng của tia IJ. Sau khi phản xạ trên gương Mạ, ánh sáng IJ không còn tính đối xứng như chùm tia SI nữa ma là ánh sáng phân cực thang.
Do đó, khi quay gương M; xung quanh tia IJ với góc tới i = 57° không đổi thì sự quay nay có ảnh hưởng đến cường độ sáng của tia phản xa IR. Có các vị trí của Mạ dé ánh sáng phan xạ có cường độ cực đại và cũng có những vị trí khác của Mạ dé ánh sáng phản xạ này triệt tiêu. Nếu chiều chùm tia tới SI tới gương M, dưới góc tới i # 57° thì chim tia phản xạ IJ là ánh sáng phân cực một phan (phân cực elip). Do đó, khi quay gương M; xung quanh tia tới UJ sẽ có các phương cho ánh sáng phản xạ JR có cường độ cực đại và có các phương dé ánh sáng phản xạ JR có cường độ cực tiêu thôi chứ không triệt tiêu (vì đối với ánh sáng phân cực một phan ta có sự ưu đãi hơn kém giữa các phương chan động và không có phương chan động nao bị khử hoàn toàn).
Ta thay về phương diện cấu tạo, gương M, và M; giống hệt nhau nhưng chúng khác nhau về công dụng: + Gương M;: Biển đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực nên được gọi là kính phân cực. + Gương M;: Cho biết ánh sáng tới là ánh sáng phân cực gì nên được gọi là kính phân tích.4 Kết luận Như vậy, qua thí nghiệm Malus, ta có thê kết luận: Trong hiện tượng phản xạ ánh sáng + Khi góc tới có giá trị i = 57° thì ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực thăng (hoàn toàn). + Khi góc tới có giá trị i # 57” thì ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực elip (một phản).2 THÍ NGHIỆM BREWSTER Đây là thí nghiệm do nhà Vật Ly Scotland Sir David Brewster (1781-1868) thực hiện vao năm 1812 dé khảo sát hiện tượng phân cực của ánh sáng do phản xạ. Từ đó ra đời định luật nỗi tiếng mang tên ông.1 Dụng cụ thí nghiệm Hai môi trường điện môi có mặt phân cách phang.
Hai bản Tuamalin.2 Tiến hành thí nghiệm Hình 1.3 Sir David Brewster Bố trí thí nghiệm như hình 1. Chiếu một chùm tia sáng tự nhiên SI vào mặt phân cách hai môi trường. Một phan ánh sáng sẽ bị phản xạ, phan còn lại khúc xa vao môi trường thứ hai. Dé khảo sát sự phân cực tia phản xạ va tia khúc xạ, ta đặt bản Tuamalin trên đường truyền của chúng.
Khi quay T,, T: xung quanh tia sáng thi thay 9 cường độ các chùm ánh sáng phản xạ và khúc xạ tăng giảm một cách tuần hoàn. Đôi với tỉa phan xạ, cường độ ánh sáng đạt đến giá trị cực tiêu (nhưng không triệt tiêu) khi mặt phang chứa trục quang học của bản T, và tia phản xạ song song với mat phăng tới. Và đạt giá trị cực đại khi từ vị trí đó ta quay bản T; một góc 90°. Bây giờ thay đổi góc tới của chùm tia tới mặt phân cách từ 0” đến 90” ta sẽ tìm được 1 vị trí mà ở đó tia phản xạ IR bị ban T; làm triệt tiêu hoàn toản.
Day là vị trí ma tia phản xạ vả khúc xạ vuông góc với nhau. Góc tới nay gọi là góc tới Brewster (ig). Giá trị của ig được xác định bởi tanipg = ny/n,. Không có góc tới nao dé tia khúc xạ H bị T› làm triệt tiêu hoàn toản.3 Giải thích thí nghiệm Ta biểu diễn dao động của vector điện trường E trong ánh sáng tự nhiên tới mặt phân cách 2 môi trường bằng tập hợp hai thành phần vuông góc với nhau là: + Thành phần F„ nam trong mặt phẳng tới + Thành phần Eo: vuông góc với mặt phẳng tới E e R Hình 1.5 Anh sáng đới mặt phan cácb dưới sóc tới bất kì Khi sóng tới truyền tới điểm I, có sự tương tác ánh sáng tới với môi trường, làm cho các nguyên tử của môi trường dao động và phát ra sóng thứ cấp.
Các sóng thứ cấp này giao thoa với nhau cho ta tia phản xạ vả tia khúc xạ. 10 Bởi vì ánh sáng có tinh chat là sóng ngang, nên trong ánh sáng chi ton tại thành phan £ vuông góc với tia sáng. Dựa theo phương của các thanh phan Eo: và En của sóng tới. Ta có thê xác định phương của các thành phần tương ứng trong sóng phản xạ và khúc xạ.
Các thành phần vuông góc với mặt phăng tới là Ey và Ex tương ứng song song với Eo: của sóng tới. Còn các thành phan nằm trong mặt phẳng tới En và Ex cũng nằm trong mặt phẳng tới nhưng không song song với Eo: của tia tới. Trong tia phan xạ, phương dao động ưu tiên trùng với Er. Do đó tia phản xạ IR là tia phân cực một phần có phương đao động ưu tiên vuông góc với mặt phăng tới, nên khi quay bản T,.
cho ra cực đại và cực tiêu. Khi góc tới bằng ig nghĩa là tia tới đến mặt phân cách sao cho tia phan xạ và tia khúc xạ vuông góc nhau, thì đao động trong tia phản xạ chỉ xảy ra theo phương Ey: và trong trường hợp này ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực thăng, đao động của nó xảy ra vuông góc với mặt phăng tới. Tia IR la tia phân cực thăng nên khi quay bản T; cho ra cực đại và cực tiêu triệt tiêu. Thí nghiệm cũng chứng tỏ khi tia phản xạ phân cực hoan toàn thì độ phan cực của ánh sáng khúc xạ cũng đạt đến giá trị cực đại nhưng tia khúc xạ vẫn là ánh sáng phân cực một phản, vector điện trường dao động ưu tiên trong mặt phẳng tới.
Muốn cho chim tia khúc xạ phân cực hoàn toàn ta phải cho nó đi qua một loạt các bản điện môi liên tiếp. Nếu tia tới thỏa mãn góc tới Brewster và tia khúc xạ đi qua từ 8 dén10 tam điện môi thi khi đó tia khúc xạ thực tế là tia phân cực hoàn toàn.6 Aah sing tới mat phan cich dưới gác tới Brewster Il 1.4 Định luật Brewster Trong hiện trượng phân cực ánh sáng do phản chiếu, tia phan xạ là ánh sáng phân cực hoan toàn khi góc tới thoả mãn điều kiện. tanig = St n, n,: Chiết suất môi trường tới nụ: Chiết suất môi trường khúc xạ ánh sáng tự nhiên anh sang phân cực thang Hình 1.7 Anh sáng phan xa dưới goc toi Brewster 1.3 KHAO SAT LY THUYET VE SỰ PHAN CỰC DO PHAN XA Xét sóng điện từ tới một mặt phân cách 2 môi trường có chiết suất n; và nạ ( giả sử nạ > nụ).8 Tra sáy tới mặt phân cách hai méi tneong Khi sóng truyền tới mặt phân cách thì một phần ánh sáng phản xạ trở lại môi trường cũ, phan còn lại khúc xạ qua môi trường thứ hai. Để xét tính phân cực của ánh sáng phan xạ và 12 khúc xạ, ta phải tìm các vector điện trường, từ trường của sóng tới, sóng phản xạ, khúc xạ.
Trước hết phải đi tìm điều kiện liên hệ của chúng tại mặt phân cách của hai môi trường.1 Điều kiện biên của vector điện trường FE Điểm quan sát là I trên mặt phân cách a, ta lay một mặt S giới hạn bởi chu tuyến (C) là một hình chữ nhật đặt vuông góc với mặt phân cách có 2 cạnh đáy là L; =Lạ = L, chiêu rộng bang bẻ day của lớp 2 chuyển tiếp An (hình 1.9 Điểu kiện biển aia vector điệu Muang N: Pháp vector mặt $ t : Vector tiép xúc mat phan cách 2 môi trường(t € (a.S)) n : Phap vector mat phan cach Theo thuyết điện từ Maxwell: rot E= - q) = 4 ope. ok C Lấy tích phân (1) theo mặt S [rotE $ ds = =- By $IỒI Vì B liên tục va giới nội trên mặt § nên về phải bằng {2} .S lượng này triệt tiêu khi of N An => 0 Do đó: j rotEdS =0 & Ap dụng định lý Stockes: [zotEaS =:ƒEal= [E4+{, ,E,dl+ Law E di=0 (2) s mh 13 Khi An ->0 > Ly. Osuyra{ Ea!l=0 Lai Chiều của t được chon sao cho ( N,n,t) hợp thành một tam diện thuận, khi đó: —— ~ E.dl=-[_ E-dl=-E,L ey u Edt =[ Ez dl = Ey,L Do đó (2) trở thành: -E,L +E) L=0 © (E} =Ej)L=0 Khi L + 0, S co về điểm I, thì 2 thành phần £j,, Ej tiến tới giới han E>, E,, lay tại điểm I nên: E,,-E, =0 @ Ex, =E;, (3) Phương trình (3) chứng tỏ thành phan tiếp tuyển của vector điện trường biến thiên liên tục khi qua mặt phân cách của 2 môi trưởng.