Bạn đã bao giờ lặn xuống đáy bể bơi rồi nhìn lên mặt nước chưa? Phía trên đầu, bầu trời hiện ra như một ô cửa tròn, còn mặt nước bên ngoài ô cửa ấy phản chiếu hình ảnh đáy bể như một tấm gương. Đó là vì toàn bộ ánh sáng trong nước đều quay trở lại mà không thể xuyên qua mặt nước để thoát ra ngoài; hiện tượng này chính là “phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection)”.
Nói một cách đơn giản, phản xạ toàn phần là “hiện tượng ánh sáng truyền từ một chất có chiết suất lớn sang một chất có chiết suất nhỏ, khi góc tới tại mặt phân cách lớn hơn một giá trị nhất định thì không thể thoát ra mà bị phản xạ hoàn toàn”. Vì có thể đưa ánh sáng quay trở lại mà không bị hao hụt ngay cả khi không có lớp bạc phủ như ở gương, hiện tượng này được ứng dụng rộng rãi để truyền ánh sáng đi xa hoặc đổi hướng ánh sáng theo ý muốn.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ nguyên lý xảy ra phản xạ toàn phần, lịch sử phát hiện đầu tiên trong dòng nước, sợi quang làm nền tảng cho Internet, đến những ví dụ trong đời sống như kim cương và ống nhòm.
Nguyên lý và ứng dụng của phản xạ toàn phần trong việc giữ ánh sáng bên trong
Phản xạ toàn phần là gì?
Vì ánh sáng truyền với tốc độ khác nhau trong các chất khác nhau nên khi đi từ chất này sang chất khác, hướng truyền của nó bị bẻ cong tại mặt phân cách. Đây là hiện tượng khúc xạ, còn phản xạ toàn phần xuất hiện khi sự khúc xạ này không thể tiếp tục xảy ra.
(1) Chiết suất và định luật Snell (Snell's Law)
Chiết suất là đại lượng cho biết ánh sáng truyền trong một chất chậm hơn bao nhiêu so với trong chân không; chiết suất của không khí khoảng 1.0, của nước khoảng 1.33 và của thủy tinh khoảng 1.5. Theo định luật do nhà khoa học Hà Lan Willebrord Snellius xác lập vào đầu thế kỷ 17, khi chiết suất của hai chất là n1 và n2 thì ta có n1 × sin(góc tới) = n2 × sin(góc khúc xạ).
(2) Góc giới hạn (Critical Angle)
Ánh sáng truyền từ nước ra không khí bị khúc xạ tại mặt phân cách theo hướng nghiêng nhiều hơn về phía mặt nước. Khi tăng dần góc tới, sẽ đến lúc tia khúc xạ truyền sát dọc theo mặt nước; góc tới lúc này chính là góc giới hạn. Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn, không một tia sáng nào có thể thoát ra và toàn bộ ánh sáng đều bị phản xạ trở vào bên trong.
- Từ nước sang không khí (Water to Air): Góc giới hạn xấp xỉ 48.6 độ.
- Từ thủy tinh sang không khí (Glass to Air): Góc giới hạn xấp xỉ 42 độ.
- Từ kim cương sang không khí (Diamond to Air): Góc giới hạn rất nhỏ, xấp xỉ 24.4 độ.
Phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ. Ánh sáng đi từ không khí vào nước sẽ không bị phản xạ toàn phần dù được chiếu xiên đến mức nào.
Ánh sáng uốn cong theo dòng nước
Vào thời người ta vẫn cho rằng ánh sáng chỉ truyền theo đường thẳng, người đầu tiên chứng minh ánh sáng có thể đi theo một đường cong là nhà vật lý Thụy Sĩ Daniel Colladon. Năm 1841, khi giảng về dòng nước phun ra từ một lỗ trên bình nước tại Đại học Genève, ông đã hội tụ ánh sáng mặt trời và chiếu từ phía sau bình để giúp mọi người nhìn rõ dòng nước trong giảng đường tối.
Khi đó, ánh sáng bị giữ bên trong dòng nước đang rơi theo đường parabol, uốn cong theo dòng nước rồi thoát ra lấp lánh ở đầu cuối nơi dòng nước tan ra. Đó là vì ánh sáng chạm vào thành bên trong dòng nước với góc tới lớn hơn góc giới hạn nên liên tục bị phản xạ toàn phần. Colladon đã báo cáo thí nghiệm này trên tạp chí của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp vào năm 1842.
- Màn trình diễn của Tyndall (Tyndall's Demonstration): Năm 1854, John Tyndall của Anh đã trình diễn cùng thí nghiệm trong một buổi thuyết giảng tại Viện Hoàng gia ở London, khiến thí nghiệm được biết đến rộng rãi; vì vậy, trong một thời gian, người ta còn truyền nhau thông tin sai rằng Tyndall là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng này.
- Đài phun nước phát sáng (Luminous Fountain): Vào nửa sau thế kỷ 19, các cuộc triển lãm lớn ở London và Paris đã vận dụng nguyên lý này để đưa ánh sáng vào từng dòng nước phun, tạo nên những đài phun nước rực rỡ.
Sợi quang, kết nối thế giới bằng ánh sáng
Nơi phản xạ toàn phần phát huy vai trò lớn nhất là sợi quang (Optical Fiber). Sợi quang là sợi thủy tinh mảnh như sợi tóc, gồm phần lõi có chiết suất lớn hơn một chút và lớp vỏ bao quanh có chiết suất nhỏ hơn một chút.
(1) Lõi và lớp vỏ (Core and Cladding)
Tín hiệu ánh sáng truyền dọc theo lõi ở giữa, và mỗi khi chạm xiên vào mặt phân cách, nó lại bị phản xạ toàn phần rồi quay trở vào bên trong. Vì thế, ngay cả khi sợi quang uốn cong nhẹ, ánh sáng vẫn truyền đi hàng chục kilômét mà không rò rỉ ra ngoài.
(2) Thách thức tạo ra thủy tinh trong suốt
Năm 1966, Charles K. Kao và George Hockham công bố một bài báo cho rằng chỉ cần loại bỏ đủ tạp chất trong thủy tinh thì có thể giảm tổn hao ánh sáng xuống khoảng 20 decibel trên mỗi 1 kilômét để sử dụng trong viễn thông. Mức 20 decibel có nghĩa là sau khi truyền qua 1 kilômét, ánh sáng vẫn còn lại 1 phần 100, trong khi loại thủy tinh trong suốt nhất khi đó mất khoảng 200 decibel trên mỗi 1 kilômét. Năm 1970, nhóm nghiên cứu của Corning tại Mỹ đã chế tạo sợi quang có tổn hao giảm xuống khoảng 17 decibel, vượt qua mục tiêu này; nhờ đóng góp đó, Kao được trao giải Nobel Vật lý năm 2009.
Ngày nay, các tuyến cáp ngầm xuyên đáy biển để kết nối các châu lục cũng được làm bằng sợi quang, nên phần lớn dữ liệu chúng ta trao đổi được truyền đi bằng ánh sáng phản xạ toàn phần.
Phản xạ toàn phần trong đời sống
Phản xạ toàn phần cũng hiện diện quanh chúng ta, bên ngoài phòng thí nghiệm và mạng viễn thông. Nhờ ưu điểm có thể phản xạ toàn bộ ánh sáng mà không cần gương phủ bạc, hiện tượng này được ứng dụng trong nhiều dụng cụ quang học và trong chế tác đá quý.
- Kim cương (Diamond): Do góc giới hạn nhỏ, khoảng 24.4 độ, ánh sáng đi vào từ phía trên liên tục bị phản xạ toàn phần ở nhiều mặt rồi tập trung thoát ra qua mặt trên. Các mặt cắt góc cạnh của kiểu cắt brilliant được thiết kế để tối đa hóa hiệu ứng này, tạo nên vẻ lấp lánh đặc trưng của kim cương.
- Lăng kính trong ống nhòm (Binocular Prism): Các lăng kính vuông trong ống nhòm được bố trí để ánh sáng tới với góc 45 độ. Vì góc này lớn hơn góc giới hạn khoảng 42 độ của thủy tinh, chúng có thể đổi hướng ánh sáng để dựng ảnh thẳng đứng mà không cần gương.
- Cửa sổ Snell (Snell's Window): Khi nhìn lên từ dưới nước, toàn bộ thế giới phía trên mặt nước hiện ra trong một hình tròn có độ rộng góc khoảng 97 độ, còn mặt nước bên ngoài hình tròn phản chiếu cảnh dưới nước như một tấm gương. Bầu trời chỉ hiện ra trong khoảng góc bằng hai lần góc giới hạn 48.6 độ.
- Ống nội soi (Endoscope): Một bó sợi quang mảnh đưa ánh sáng vào trong cơ thể và thu hình ảnh trở lại, giúp quan sát bên trong dạ dày hoặc ruột mà không cần rạch mổ.
Phản xạ toàn phần là hiện tượng ánh sáng truyền từ một chất có chiết suất lớn sang một chất có chiết suất nhỏ, chạm vào mặt phân cách với góc tới lớn hơn góc giới hạn rồi quay trở lại mà không để lọt ra dù chỉ một tia. Khởi đầu từ dòng nước trong một giảng đường, phát hiện này đến nay vẫn đang tạo nên đường đi cho ánh sáng trong sợi quang, ống nội soi và những viên đá quý lấp lánh. Khi biết được góc khiến ánh sáng không thể thoát ra, chúng ta cũng có thể thiết kế đường đi của ánh sáng.
Hiểu được đặc tính quay trở lại của ánh sáng tại mặt phân cách chính là bước đầu tiên trong công nghệ điều khiển ánh sáng.
