Phân cực

Phân cực cho thấy ánh sáng là sóng ngang

Ánh sáng không phân cực không có nghĩa là “không có hướng điện trường”. Hướng dao động ngang thay đổi theo thời gian mà không có một trục ưu tiên cố định. Ánh sáng phân cực tuyến tính có hướng dao động xác định. Khi ánh sáng truyền đi, E⃗ vuông góc với hướng truyền; phân cực mô tả hướng trong mặt phẳng ngang đó. Trong sóng điện từ, từ trường cũng dao động ngang và vuông góc với điện trường lẫn hướng truyền, nhưng quang học phân cực thường quy ước hướng phân cực theo E⃗. Sóng dọc như âm thanh thông thường trong chất lưu lý tưởng không có cùng bậc tự do ngang nên không thể chọn hướng bằng kính phân cực quay theo cùng cơ chế.

Kính phân cực chọn một trục dao động

Một kính phân cực tuyến tính lý tưởng chỉ truyền thành phần điện trường song song với trục truyền. Với ánh sáng hoàn toàn không phân cực, mọi hướng ngang xuất hiện như nhau về trung bình nên kính phân cực lý tưởng đầu tiên truyền I = I_unpol/2. Sau đó ánh sáng đã phân cực tuyến tính, không thể cứ qua mỗi kính lại nhân thêm 1/2. Hệ số 1/2 của kính đầu tiên cũng suy ra từ phép chiếu. Biên độ theo một trục là E=E₀cosθ, còn cường độ tỉ lệ với bình phương biên độ; lấy trung bình mọi hướng ngẫu nhiên cho ⟨cos²θ⟩=1/2. Phép trung bình này chỉ dành cho ánh sáng chưa phân cực.

Định luật Malus

Với ánh sáng đã phân cực tuyến tính có cường độ I₀, nếu trục của kính phân tích tạo góc θ với hướng phân cực thì I = I₀ cos²θ. θ = 0° cho truyền tối đa lý tưởng, θ = 90° cho 0. Nếu I₀ đã là cường độ sau kính phân cực đầu tiên thì không áp dụng lại hệ số một nửa. Bình phương trong định luật Malus không phải hiệu chỉnh kinh nghiệm: ta chiếu biên độ điện trường một lần rồi bình phương để chuyển từ biên độ sang cường độ. Viết I∝cosθ sẽ trộn hai đại lượng khác nhau. Hai kính vuông góc lý tưởng cho 0, nhưng đặt một kính thứ ba ở giữa có thể tạo truyền khác 0 do các phép chiếu diễn ra từng bước.

Phản xạ cũng có thể phân cực ánh sáng

Phản xạ trên bề mặt phi kim thường ưu tiên một hướng phân cực, vì thế kính mát phân cực có thể giảm chói từ đường hoặc mặt nước. Ở góc Brewster, tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc nhau và trong trường hợp lý tưởng ánh sáng phản xạ phân cực hoàn toàn theo một hướng. Vật liệu thật có hấp thụ, tán xạ và tỉ số tắt hữu hạn. Giảm chói bằng phân cực không chỉ là làm mọi ánh sáng tối đi. Kính chọn lọc làm yếu thành phần phân cực chiếm ưu thế trong ánh sáng phản xạ trong khi giữ lại nhiều thành phần khác. Tính chọn lọc này là khác biệt quan trọng so với một kính lọc xám trung tính đơn thuần.

Ba kiểm tra trước khi dùng định luật Malus

Trước khi tính, hãy xác định ba điều: ánh sáng tới phần tử hiện tại đã phân cực chưa, hướng phân cực ngay trước kính phân tích là gì, và θ có đúng là góc giữa hướng đó với trục truyền không. Hai lỗi phổ biến là đo θ từ hướng truyền và nhân hệ số 1/2 hai lần. Trong phép đo thật còn phải phân biệt hướng trục được đánh dấu, hướng phân cực điện trường thực và độ truyền không lý tưởng của từng phần tử. Nếu bài cho cường độ tương đối, xác định rõ I₀ thuộc giai đoạn nào; nếu cho cường độ tuyệt đối, theo dõi tỉ lệ qua từng phần tử theo đúng thứ tự.

Ví dụ có lời giải

1. Kính phân tích 60°

Ánh sáng phân cực tuyến tính 80 W·m⁻² tới kính phân tích lệch 60°.

2. Kính phân cực đầu tiên

Ánh sáng không phân cực lý tưởng 100 W·m⁻² qua kính phân cực lý tưởng đầu tiên.

3. Kính phân tích tiếp theo

Sau kính đầu, ánh sáng phân cực có 60 W·m⁻² rồi qua kính ở 30°.