Có lẽ bạn từng trải nghiệm cảm giác những tia phản chiếu chói lóa trên mặt nước bỗng biến mất như có phép màu khi đeo kính râm ở bãi biển vào mùa hè. Thế nhưng, nếu nghiêng đầu sang bên khi vẫn đeo chiếc kính ấy, ánh phản chiếu đôi khi lại xuất hiện. Hiện tượng cùng một ánh sáng nhưng lúc thấy được, lúc biến mất tùy theo hướng này chính là “sự phân cực ánh sáng (Polarization of Light)”.
Nói đơn giản, phân cực là “trạng thái dao động của ánh sáng được sắp xếp theo một hướng”. Ánh sáng là sóng dao động vuông góc với phương truyền, nhưng ánh nắng hay ánh đèn lại chứa những dao động theo đủ mọi hướng đan xen nhau. Việc chọn lọc hoặc sắp xếp các hướng dao động này vẫn đang âm thầm diễn ra khắp nơi trong cuộc sống, từ kính râm, màn hình điện thoại thông minh đến rạp chiếu phim 3D.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ nguyên lý cơ bản của sự phân cực, các cách ánh sáng bị phân cực, những ứng dụng trong đời sống cho đến cách tự nhiên tận dụng sự phân cực.
Hướng ẩn giấu của ánh sáng: nguyên lý và ứng dụng của sự phân cực
Phân cực là gì?
Ánh sáng là sóng điện từ lan truyền với điện trường và từ trường dao động vuông góc với nhau. Khi nói về sự phân cực, người ta thường lấy phương dao động của điện trường làm chuẩn. Ánh sáng từ Mặt Trời hay bóng đèn sợi đốt được gọi là “ánh sáng không phân cực” vì các phương dao động của nó rất khác nhau.
(1) Ví dụ về hàng rào
Hãy tưởng tượng bạn đang lắc một sợi dây nhảy xuyên qua khe dọc của hàng rào. Nếu lắc dây lên xuống, sóng sẽ đi thẳng qua khe, nhưng nếu lắc sang trái phải, sóng sẽ bị hàng rào chặn lại. Tấm lọc phân cực cũng giống như hàng rào này, chỉ cho dao động theo một phương đi qua.
(2) Định luật Malus
Khi chồng hai tấm lọc phân cực lên nhau rồi từ từ xoay một tấm, ánh sáng sẽ tối dần và gần như bị chặn hoàn toàn ở góc 90 độ. Cường độ ánh sáng truyền qua tỉ lệ với bình phương côsin của góc giữa hai tấm lọc, được biểu diễn bằng I = I0 × cos²θ. Quy luật này được gọi là định luật Malus theo tên người phát hiện.
(3) Phân cực thẳng và phân cực tròn
Khi dao động chỉ diễn ra trong một mặt phẳng, đó là phân cực thẳng; khi phương dao động xoay vòng như hình xoắn ốc trong lúc ánh sáng truyền đi, đó là phân cực tròn. Kính râm chủ yếu xử lý phân cực thẳng, còn kính trong rạp chiếu phim 3D thường sử dụng phân cực tròn.
Ba cách khiến ánh sáng bị phân cực
Ánh sáng trong tự nhiên cũng tự bị phân cực khi gặp những điều kiện nhất định. Các cách tiêu biểu như sau.
- Hấp thụ (Dichroism): Khi ánh sáng đi qua vật liệu chỉ hấp thụ dao động theo một phương nhất định, chỉ ánh sáng dao động theo các phương còn lại được giữ lại. Màng phân cực ngày nay sử dụng nguyên lý này.
- Phản xạ (Reflection): Ánh sáng phản xạ xiên trên kính hoặc mặt nước có nhiều thành phần dao động theo phương song song với mặt nước hơn. Năm 1808, Étienne-Louis Malus người Pháp phát hiện điều này khi quan sát qua tinh thể canxit ánh nắng phản chiếu trên cửa sổ Cung điện Luxembourg ở Paris, đồng thời đặt tên cho hiện tượng là “phân cực”.
- Tán xạ (Scattering): Sự phân cực cũng xuất hiện khi ánh nắng va chạm với các phân tử không khí rồi tán ra. Vào ngày trời quang, vùng trời theo hướng tạo góc 90 độ với Mặt Trời bị phân cực mạnh nhất.
Năm 1815, David Brewster người Scotland phát hiện rằng góc khiến ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn được xác định bởi chiết suất của vật liệu. Góc này được gọi là góc Brewster, thường vào khoảng 56 độ đối với kính và khoảng 53 độ đối với nước.
Tấm lọc phân cực mà các nhiếp ảnh gia gắn trước ống kính cũng sử dụng nguyên lý này. Khi xoay để điều chỉnh tấm lọc, ánh phản chiếu trên cửa kính hoặc mặt nước giảm đi, cho phép nhìn xuyên vào bên trong; đồng thời ánh sáng bầu trời bị phân cực do tán xạ cũng giảm, giúp bầu trời xanh hiện lên đậm và rõ nét hơn trong ảnh.
Các ứng dụng của công nghệ phân cực trong đời sống
Với sự xuất hiện của các tấm phân cực mỏng và rẻ, sự phân cực đã bước ra khỏi phòng thí nghiệm. Năm 1929, Edwin Land người Mỹ nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho tấm phân cực dạng màng có các tinh thể cực nhỏ được sắp xếp theo một hướng, rồi sau này thành lập công ty mang tên Polaroid.
[Ví dụ 1] Kính râm phân cực
Ánh sáng chói phản xạ từ mặt nước và mặt đường chủ yếu dao động theo phương ngang. Kính râm phân cực chỉ cho dao động theo phương thẳng đứng đi qua, nhờ đó lọc bỏ ánh chói này. Đây cũng là lý do người câu cá nhìn thấy cá dưới nước rõ hơn khi đeo kính phân cực.
[Ví dụ 2] Màn hình tinh thể lỏng (LCD)
Trong màn hình tinh thể lỏng, hai tấm phân cực được đặt chồng vuông góc với nhau, còn các phân tử tinh thể lỏng ở giữa xoay phương dao động của ánh sáng tùy theo điện áp. Nhờ đó, có thể bật tắt ánh sáng ở từng điểm ảnh. Đây cũng là lý do màn hình có thể trông đen kịt ở một số góc nhìn khi bạn đeo kính râm phân cực.
[Ví dụ 3] Phim 3D
Trong rạp chiếu phim 3D, hình ảnh dành cho mắt trái và mắt phải được chiếu bằng ánh sáng có sự phân cực khác nhau, còn hai tròng kính chỉ cho phần hình ảnh tương ứng của mình đi qua. Khi hai mắt nhìn thấy những cảnh hơi khác nhau, não sẽ tạo ra cảm giác chiều sâu.
Sự khéo léo của tự nhiên trong việc tận dụng phân cực
Từ rất lâu trước khi con người tạo ra các phát minh, sự phân cực đã là công cụ dẫn đường cho sinh vật. Nhà động vật học người Áo Karl von Frisch phát hiện rằng ong mật đọc các mẫu phân cực trên bầu trời để xác định phương hướng ngay cả khi Mặt Trời bị mây che khuất. Kiến, một số loài chim di cư và cá cũng được biết đến là có khả năng cảm nhận sự phân cực để tìm đường.
Trong nghiên cứu khoa học, sự phân cực cũng là một công cụ quan trọng. Khi đặt nhựa trong suốt giữa hai tấm phân cực, những phần chịu lực sẽ hiện ra thành các vân màu cầu vồng, giúp kỹ sư quan sát trực tiếp ứng suất trong kết cấu. Các nhà thiên văn phân tích sự phân cực của ánh sao và bức xạ nền vũ trụ để nghiên cứu từ trường ở những vùng vũ trụ xa xôi cùng hình ảnh của vũ trụ sơ khai.
Tóm lại, sự phân cực là tính chất ẩn giấu liên quan đến phương dao động của ánh sáng, hình thành qua hấp thụ, phản xạ và tán xạ. Con người ứng dụng tính chất này trong kính râm, màn hình và rạp chiếu phim, còn ong mật dùng nó để đọc bản đồ bầu trời. Việc một nguyên lý có thể kết nối nhiều lĩnh vực rộng lớn như vậy chính là sức hấp dẫn thú vị nhất của sự phân cực.
Dù mắt không nhìn thấy, ánh sáng vẫn ẩn chứa một phương rõ ràng. Nhớ lại ánh chói đã biến mất sau tròng kính râm và thử hình dung dao động của ánh sáng chính là bước đầu tiên của khoa học để hiểu trật tự vô hình của ánh sáng.
