Tập bài giảng Quang học

HIEPKHACHQUAY

Kiên Giang, tháng 3/2009

MỤC LỤC

Trang

Bản chất của bức xạ điện từ ............................................................................................... 1

Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng .................................................................................. 12

Nguồn phát ánh sáng khả kiến ........................................................................................ 20

Tốc độ ánh sáng ............................................................................................................... 28

Kĩ thuật hiển vi huỳnh quang ........................................................................................... 39

Sự phản xạ ánh sáng ........................................................................................................ 44

Sự khúc xạ ánh sáng ........................................................................................................ 52

Sự giao thoa ánh sáng ..................................................................................................... 62

Sự nhiễu xạ ánh sáng ....................................................................................................... 72

Sự phân cực ánh sáng ...................................................................................................... 79

Thấu kính và quang hình học .......................................................................................... 91

Các loại gương ................................................................................................................ 99

Lăng kính và bộ tách chùm tia ...................................................................................... 110

Sự nhìn và cảm giác về màu sắc ..................................................................................... 121

Các màu cơ bản ............................................................................................................. 135

Quang sai ở hệ thấu kính ............................................................................................... 140

Hiện tượng lưỡng chiết .................................................................................................. 146

Ánh sáng và Năng lượng ............................................................................................... 157

Tổng quan về laser ........................................................................................................ 173

Kĩ thuật an toàn laser ..................................................................................................... 188

1

BẢN CHẤT CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng

một mô hình đơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra

lần đầu tiên vào cuối những năm 1600 bởi nhà vật lí người Hà Lan Christiaan

Huygens. Bức xạ điện từ, một gia đình rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểu sóng

mà ánh sáng khả kiến thuộc về nó (cũng còn gọi là năng lượng bức xạ), là phương tiện

truyền năng lượng chủ yếu trong vũ trụ mênh mông. Cơ chế mà ánh sáng khả kiến

được phát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất, và cách thức nó tác động lại dưới những

điều kiện khác nhau khi truyền trong không gian và trong khí quyển, hình thành nên cơ

sở cho sự tồn tại của màu sắc trong vũ trụ.

Hình 1. Phổ bức xạ điện từ

Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những

tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống

sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng

truyền trong không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ

bức xạ điện từ (như đã phân loại trong hình 1), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia

gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô

tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp.

Mối liên hệ giữa ánh sáng, điện và từ không rõ ràng ngay trước mắt những nhà

khoa học buổi đầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánh sáng và vật chất.

Ánh sáng hồng ngoại, có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến, là dạng

“vô hình” đầu tiên của bức xạ điện từ được phát hiện. Nhà khoa học và thiên văn học

người Anh William Herschel đã nghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt và ánh sáng bằng

một nhiệt kế và một lăng kính khi ông nhận thấy nhiệt độ đạt tới cao nhất trong vùng

nằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến. Herschel cho rằng phải có một loại ánh

sáng khác trong vùng này mà mắt người không nhìn thấy được.

Bức xạ cực tím, nằm ở phía bên kia của phổ khả kiến, được phát hiện bởi

Wilhelm Ritter, một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu năng lượng liên

quan đến ánh sáng khả kiến. Bằng cách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu khác

nhau làm kích thích sự sẫm màu của một tờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat,

2

Ritter phát hiện thấy một dạng vô hình khác của ánh sáng, nằm ngoài đầu xanh của

quang phổ, có tốc độ này cao nhất.

Điện và từ được liên hệ với nhau lần đầu tiên vào năm 1820, khi nhà vật lí

người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòng điện chạy qua một dây

dẫn có thể tạo ra sự lệch hướng của kim nam châm. Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa

học người Pháp Andrie Ampère, chứng minh được hai dây dẫn mang dòng điện có thể

hút hoặc đẩy lẫn nhau theo kiểu giống như tương tác của các cực từ. Trong vài thập

niên sau đó, các nghiên cứu khác theo hướng này không ngừng tạo ra những bằng

chứng cho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi với nhau.

Cuối cùng, vào năm 1865, nhà khoa học người Scotland, James Clerk Maxwell

đã mở rộng thuyết động học chất khí của ông về mặt toán học để giải thích mối liên hệ

giữa điện và từ. Maxwell cho rằng hai hiện tượng quan hệ gần gũi đó thường xuất hiện

cùng nhau dưới dạng điện từ, và ông phát hiện thấy dòng điện biến thiên sẽ tạo ra các

sóng gồm hai thực thể truyền vào không gian với tốc độ ánh sáng. Từ những quan sát

này, ông kết luận ánh sáng khả kiến là một dạng của bức xạ điện từ.

Sóng điện từ di chuyển hay truyền theo hướng vuông góc với hướng dao động

của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ đến

đích ở xa vô hạn. Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau (như minh họa

trên hình 2) và dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học. Các vectơ điện trường

và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền

sóng. Để đơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn

điện trường và từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại.

Hình 2. Sóng điện từ

Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một lò

lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím phát ra

từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính chất sóng

cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, kể cả ánh sáng khả kiến, đều dao động

theo kiểu tuần hoàn với những chỗ lồi và lõm, và biểu lộ một biên độ, bước sóng, và

tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức

xạ.

Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ được biểu diễn trên hình 2,

minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền

trong không gian. Để cho tiện, đa số các minh họa biểu diễn bức xạ điện từ thường cố

ý bỏ qua thành phần từ, chỉ biểu diễn vectơ điện trường là một sóng sin trong hệ tọa độ

hai chiều x và y xác định. Người ta quy ước thành phần y của sóng sin biểu diễn biên

3

độ của điện trường, còn thành phần x biểu diễn thời gian, khoảng cách truyền, hay mối

quan hệ pha với một sóng sin khác.

Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ là độ lớn của bước sóng (trong chân

không), thường dùng ở đơn vị nano mét (một phần ngàn của micromet) đối với phần

ánh sáng khả kiến của quang phổ. Bước sóng được định nghĩa là khoảng cách giữa hai

đỉnh (hay hai lõm) sóng liên tiếp của dạng sóng (xem hình 2). Tần số tương ứng của

một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho

trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng dài

ứng với bức xạ tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với bức xạ tần số càng

cao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps).

Hertz được chọn làm đơn vị chuẩn của tần số bức xạ điện từ để ghi nhận kết quả

nghiên cứu của nhà vật lí người Đức Heinrich Hertz, người đã thành công trong việc tự

tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau

khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần

1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến. David Hughes, một

nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp

của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền

sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông

quyết định không công bố nghiên cứu của mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới

nhiều năm sau này.

Các dạng phong phú của bức xạ điện từ có bước sóng và tần số khác nhau,

nhưng về cơ bản giống nhau ở chỗ chúng truyền đi với vận tốc như nhau, khoảng

chừng 186.000 dặm một giây (hoặc xấp xỉ 300.000 km một giây), một vận tốc thường

được biết đến là tốc độ của ánh sáng (và được kí hiệu là c). Bức xạ điện từ (bao gồm cả

ánh sáng khả kiến) truyền đi 149 triệu km (93 triệu dặm) từ Mặt Trời tới Trái Đất mất

khoảng 8 phút. Trái lại, một ô tô chạy với tốc độ 100 km/h (60 dặm/h) cần đến 177

năm mới đi hết quãng đường trên. Chỉ trong một giây, ánh sáng có thể đi vòng quanh

Trái Đất 7 lần.

Bước sóng của ánh sáng, và tất cả dạng khác của bức xạ điện từ, liên hệ với tần

số bằng một phương trình tương đối đơn giản:

= c/

trong đó c là tốc độ ánh sáng (m/s), là tần số ánh sáng (Hz), là bước sóng

ánh sáng (m). Từ mối liên hệ này, người ta có thể kết luận bước sóng ánh sáng tỉ lệ

nghịch với tần số của nó. Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tương ứng bước sóng

ánh sáng, với một độ tăng tương ứng dưới dạng năng lượng của các photon có trong

ánh sáng. Khi đi vào một môi trường mới (như từ không khí đi vào thủy tinh hoặc

nước), tốc độ và bước sóng ánh sáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn không thay đổi.

Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong một môi trường đồng tính,

như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó

tương tác với môi trường hoặc vật liệu khác khiến nó đổi hướng, qua sự khúc xạ (bẻ

cong) hoặc phản xạ. Cường độ ánh sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu

sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc

phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng. Phù hợp với định luật nghịch

đảo bình phương nổi tiếng, cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với

4

bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai

lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.

Hình 3. Sự hấp thụ và phát bức xạ

Ánh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời

cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có

năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon.

Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn

thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự

kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ có năng

lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và

vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của

một nguyên tử với nguyên tử khác. Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các

electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp

vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng. Nhiều

electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài (xem hình

3), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền.

Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát

ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền

trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron

hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp.

Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng

lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân. Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp

hơn nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả các sóng

này lại chứa ít năng lượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X và sóng gamma. Như một quy

luật, các năng lượng bức xạ điện từ cao liên quan đến các bước sóng ngắn nhiều hơn

các dạng bức xạ có năng lượng thấp. Mối liên hệ giữa năng lượng của một sóng điện từ

và tần số của nó được cho bởi phương trình:

E = h = hc/

trong đó E là năng lượng (kJ/mol), h là hằng số Planck, và các biến khác đã được định

nghĩa ở phần trên. Theo phương trình này, năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ trực tiếp

với tần số của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Như vậy, khi tần số tăng (với sự giảm

bước sóng tương ứng), thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại. Các đặc trưng

chọn lọc của các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bước sóng, tần số

và các mức năng lượng của nó, sẽ lần lượt được trình bày trong phần sau đây.

5

Mặc dù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng

sóng, nhưng những tính chất đặc trưng khác cũng quan trọng khi xem xét cách thức

sóng truyền trong không gian. Hình 4 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho

các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện

từ. Do ánh sáng khả kiến là loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các ví dụ minh

họa trong hình 4 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ này. Ví dụ, ánh sáng đơn sắc

gồm các sóng có cùng bước sóng và tần số, hay ở cấp độ vĩ mô, có cùng màu trong ánh

sáng khả kiến. Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánh sáng

trắng do sự đóng góp của hỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằm trong vùng phổ

từ 400 đến 700 nanomet.

Hình 4. Dạng sóng của các trạng thái bức xạ điện từ

Khi ánh sáng không phân cực (hình 4), các vectơ điện trường dao động trong

mọi mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phản xạ từ một bề

mặt phẳng tại góc tới hạn, hoặc truyền qua các bộ lọc phân cực, sẽ định hướng theo

mặt phẳng phân cực, với tất cả các vectơ điện trường dao động trong một mặt phẳng

vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời, và đa số các nguồn

phát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đèn nóng sáng hoặc huỳnh quang, là không

phân cực, còn ánh sáng nhìn qua các thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theo

chiều đứng. Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị phân cực elip hoặc phân cực

tròn khi truyền qua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chất khúc xạ kép).

Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo phát ra ánh sáng không kết hợp, thể

hiện nhiều mối quan hệ pha giữa các bước sóng có mặt trong quang phổ (hình 4).

Trong trường hợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái dao động trong từng sóng

không đồng bộ với nhau trong không gian hoặc thời gian. Ánh sáng kết hợp gồm các

bước sóng đồng pha với nhau, và hành xử theo kiểu rất khác với ánh sáng không kết

hợp đối với các tính chất quang học và tương tác với vật chất. Mặt đầu sóng do ánh

sáng kết hợp tạo ra có các dao động đỉện và từ cùng pha, có góc phân kì thấp, và

thường gồm ánh sáng đơn sắc hoặc các bước sóng có độ phân bố hẹp. Laser là nguồn

phổ biến phát ra ánh sáng kết hợp.

Những sóng ánh sáng có đường đi đồng trục, tương đối không phân kì khi

truyền trong không gian được gọi là chuẩn trực. Dạng có tổ chức này của ánh sáng

không trải ra, hay không phân kì, một mức độ đáng kể trên những khoảng cách tương

đối xa. Ánh sáng chuẩn trực tạo ra chùm tia rất sít sao, nhưng không cần thiết phải có

dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), một mối quan hệ pha chung, hoặc một

6

trạng thái phân cực đã được định rõ. Mặt đầu sóng của ánh sáng chuẩn trực là mặt

phẳng và vuông góc với trục truyền. Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực,

lại trải ra một mức độ rộng khi truyền trong không gian, và phải cho đi qua một thấu

kính hoặc một lỗ nhỏ mới làm cho nó chuẩn trực, hoặc hội tụ.

Tia gamma – Là bức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (và bước sóng ngắn

nhất), tia gamma được phát ra do sự chuyển trạng thái bên trong hạt nhân nguyên tử,

bao gồm hạt nhân của những chất phóng xạ (tự nhiên và nhân tạo) nhất định. Sóng

gamma cũng phát ra từ các vụ nổ hạt nhân và các nguồn đa dạng khác trong không

gian vũ trụ. Những tia uy mãnh này có khả năng đâm xuyên khủng khiếp và được báo

cáo là có thể truyền qua 3 mét bêtông ! Mỗi photon tia gamma giàu năng lượng đến

mức chúng dễ dàng được nhận ra, nhưng bước sóng cực kì nhỏ của chúng đã hạn chế

các quan sát thực nghiệm về những tính chất sóng. Tia gamma phát ra từ những vùng

nóng nhất của vũ trụ, bao gồm các vụ nổ sao siêu mới, sao neutron, pulsar và lỗ đen,

truyền qua khoảng cách bao la trong không gian để đến Trái Đất. Dạng bức xạ năng

lượng cao này có bước sóng ngắn hơn một phần trăm của nanomet (10 picomet), năng

lượng photon lớn hơn 500 kiloelectron-volt (keV) và tần số mở rộng tới 300 exahertz

(EHz).

Hình 5. Ảnh chụp tia X của các vì sao

Việc phơi ra trước tia gamma có thể gây ra các đột biến, các sai lạc nhiễm sắc

thể, và còn hủy hoại tế bào, như thường quan sát thấy ở một số dạng bức xạ gây nhiễm

độc khác. Tuy nhiên, bằng việc điều khiển sự phát tia gamma, các chuyên gia tia X có

thể làm chủ các mức năng lượng cao để chiến đấu với bệnh tật và giúp điều trị một số

dạng ung thư. Thiên văn học tia X là một ngành tương đối mới có nhiệm vụ thu thập

các sóng năng lượng cao này để lập bản đồ vũ trụ như minh họa trên hình 5. Kĩ thuật

này cho các nhà khoa học cơ hội quan sát các hiện tượng thiên thể ở xa trong cuộc tìm

kiếm những khái niệm vật lí mới, và kiểm tra những lí thuyết không thể thử thách bằng

những thí nghiệm thực hiện trên Trái Đất này.

Tia X – Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng tử ngoại (nhưng thấp hơn tia

gamma) được phân loại là tia X, và đủ uy mãnh để xuyên qua nhiều vật liệu, như các

mô mềm của động vật. Tính đâm xuyên cao của các sóng uy mãnh này, cùng với khả

năng phơi sáng nhũ tương nhiếp ảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia

X trong y học, để nghiên cứu cấu trúc cơ thể người, và trong một số trường hợp khác,

là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật. Giống như với tia gamma năng lượng

cao, việc phơi ra không có điều khiển trước tia X có thể dẫn tới đột biến, sai lệch

nhiễm sắc thể, và một số dạng hủy hoại tế bào khác. Phương pháp chụp ảnh vô tuyến

truyền thống về cơ bản không gì hơn là thu lấy cái bóng của vật liệu đặc, chứ không

phải chụp chi tiết hình ảnh. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong kĩ thuật hội tụ tia

7

X bằng gương đã mang lại những hình ảnh chi tiết hơn nhiều của các đối tượng đa

dạng bằng việc sử dụng kính thiên văn tia X, kính hiển vi tia X và giao thoa kế tia X.

Các chất khí khí nóng trong không gian vũ trụ phát ra phổ tia X rất mạnh, chúng

được các nhà thiên văn học sử dụng để thu thập thông tin về nguồn gốc và đặc trưng

của các vùng nằm giữa các vì sao của vũ trụ. Nhiều thiên thể cực kì nóng, như Mặt

Trời, lỗ đen, pulsar, chủ yếu phát ra trong vùng phổ tia X và là đối tượng nghiên cứu

của thiên văn học tia X. Phổ tần số của tia X kéo dài ra một vùng rất rộng, với bước

sóng ngắn nhất đạt tới đường kính của nguyên tử. Tuy nhiên, toàn bộ vùng phổ tia X

nằm trên thang độ dài giữa gần 10 nanomét và 10 picomét. Vùng bước sóng này khiến

cho bức xạ tia X là công cụ quan trọng đối với các nhà địa chất và hóa học trong việc

mô tả tính chất của các chất kết tinh, chúng có đặc điểm cấu trúc tuần hoàn trên cỡ độ

dài tương đương với bước sóng tia X.

Ánh sáng tử ngoại – Thường được viết tắt (uv - ultraviolet), bức xạ tử ngoại

truyền đi ở tần số chỉ trên tần số của ánh sáng tím trong phổ ánh sáng khả kiến. Mặc dù

đầu năng lượng thấp của vùng phổ này liền kề với ánh sáng khả kiến, nhưng các tia tử

ngoại ở đầu tần số cao trong ngưỡng tần số của chúng có đủ năng lượng để giết chết tế

bào, và tạo ra sự phá hủy mô nghiêm trọng. Mặt Trời là một nguồn phát bức xạ tử

ngoại không đổi, nhưng bầu khí quyển của Trái Đất (chủ yếu là các phân tử ozon) đã

ngăn chặn có hiệu quả phần lớn các bước sóng ngắn của dòng bức xạ có khả năng gây

chết chóc này, do đó tạo được môi trường sống thích hợp cho cây cối và động vật.

Năng lượng photon trong tia tử ngoại đủ để làm ion hóa các nguyên tử từ một số phân

tử khí trong khí quyển, và đây là quá trình mà tầng điện li được tạo ra và duy trì liên

tục. Mặc dù một liều nhỏ ánh sáng có năng lượng tương đối cao này có thể xúc tiến

việc tổng hợp vitamin D trong cơ thể, và ít làm sạm da, nhưng quá nhiều bức xạ tử

ngoại có thể dẫn tới sự cháy sạm da nghiêm trọng, làm hỏng võng mạc vĩnh viễn, và

gây ra ung thư da.

Ánh sáng tử ngoại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khoa học để khảo sát

tính chất của những hệ hóa học và sinh học phong phú, và nó cũng quan trọng trong

các quan trắc thiên văn về hệ Mặt Trời, thiên hà, và các phần khác của vũ trụ. Các vì

sao và những thiên thể nóng khác là những nguồn phát mạnh ra bức xạ tử ngoại. Phổ

bước sóng tử ngoại trải từ khoảng 10 đến xấp xỉ 400 nanomét, có năng lượng photon

từ 3,2 đến 100 eV. Loại bức xạ này có ứng dụng trong việc xử lí nước và thực phẩm, là

tác nhân diệt khuẩn, là xúc tác quang học giữ các hợp chất, và được dùng trong điều trị

y khoa. Hoạt động sát trùng của ánh sáng tử ngoại xảy ra ở những bước sóng dưới 290

nanomét. Việc ngăn chặn và lọc các hợp chất dùng trong các mỹ phẩm dành cho da,

kính mát, và cửa sổ đổi màu, là điều khiển sự phơi sáng trước ánh sáng tử ngoại đến từ

Mặt Trời.

Một số côn trùng (nhất là ong mật) và chim chóc có thị giác đủ nhạy trong vùng

tử ngoại để phản ứng lại những bước sóng dài, và có thể dựa vào khả năng này để điều

hướng. Con người bị giới hạn thị giác với bức xạ tử ngoại, do giác mạc hấp thụ các

bước sóng ngắn, và thủy tinh thể của mắt hấp thụ mạnh các bước sóng dài hơn 300

nanomét.

8

Hình 6. Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến

Ánh sáng khả kiến – Các màu cầu vồng liên quan đến phổ ánh sáng khả kiến

chỉ đại diện cho khoảng 2,5% của toàn bộ phổ điện từ, và gồm các photon có năng

lượng từ xấp xỉ 1,6 đến 3,2 eV. Màu sắc tự nó không phải là tính chất của ánh sáng,

mà nhận thức về màu sắc xảy ra qua phản ứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh

não – mắt người. Vùng nhìn thấy của phổ điện từ nằm trong một dải tần số hẹp, từ xấp

xỉ 384 đến 769 terahertz (THz) và được nhận biết dưới dạng màu từ màu đỏ đậm (bước

sóng 780nm) đến màu tím đậm (400nm).

Màu đỏ năng lượng thấp, bước sóng dài (622 – 780nm) theo sau trong chuỗi

màu là màu cam (597 – 622nm), vàng (577 – 597nm), lục (492 – 577nm), lam (455 –

492nm), và cuối cùng là màu tím năng lượng tương đối cao, bước sóng ngắn (từ

455nm trở xuống). Một cách giúp ghi nhớ thứ tự (theo chiều tăng tần số) của các màu

trong phổ ánh sáng khả kiến là ghi nhớ câu “đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím” [ở

những nước sử dụng tiếng Anh, họ dùng các từ viết tắt ROY G BIV (Red, Orange,

Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet)], như người ta đã dạy cho hàng triệu học sinh

trong các nhà trường trong một thế kỉ qua (mặc dù một số nhà khoa học không còn coi

màu chàm là một màu cơ bản nữa).

Việc phân chia phổ ánh sáng khả kiến thành các vùng màu dựa trên tính chất

vật lí là dễ hiểu, nhưng cách mà màu sắc được cảm nhận thì không rõ ràng được như

vậy. Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mang tính chủ quan của hệ cảm

giác của con người với những vùng tần số phong phú của phổ khả kiến, và những kết

hợp đa dạng của các tần số ánh sáng có thể tạo ra cùng một phản ứng thị giác “nhìn

thấy” một màu cụ thể nào đó. Ví dụ, con người có thể cảm nhận được màu lục, khi

phản ứng với sự kết hợp của ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, nhưng trong đó

không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục”.

Ánh sáng khả kiến là cơ sở cho mọi sự sống trên Trái Đất, và nó được bắt bởi

những nhà máy nguyên thủy hay các sinh vật tự dưỡng, như cây xanh chẳng hạn.

Những thành viên cơ sở này của chuỗi thức ăn sinh vật khai thác ánh sáng Mặt Trời

như một nguồn năng lượng dùng cho việc sản xuất thức ăn riêng và những viên gạch

cấu trúc sinh hóa của chúng. Đáp lại, các sinh vật tự dưỡng giải phóng sản phẩm là khí

oxi, thứ chất khí mà mọi động vật đều cần đến.

9

Vào năm 1672, ngài Isaac Newton đã nghiên cứu tương tác của ánh sáng khả

kiến với lăng kính thủy tinh và lần đầu tiên nhận thấy ánh sáng trắng thật ra là hỗn hợp

của các ánh sáng khác nhau đại diện cho toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến. Ánh sáng phát

ra từ các nguồn nóng sáng tự nhiên và nhân tạo phong phú như Mặt Trời, các phản ứng

hóa học (như lửa), và các dây tóc volfram nóng sáng. Phổ phát xạ rộng của các nguồn

thuộc loại này thường được gọi là bức xạ nhiệt. Các nguồn phát ánh sáng khả kiến

khác, như ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánh sáng trong ngưỡng tần số hẹp,

hoàn toàn xác định (tương ứng với một màu) phụ thuộc vào sự chuyển mức năng

lượng đặc biệt trong các nguyên tử chất nguồn. Sự cảm nhận mạnh mẽ về một màu nào

đó cũng là do sự hấp thụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi

sáng bằng ánh sáng trắng. Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại của một loại thuốc

nhuộm tổng hợp phổ biến, Iris Blue B, được minh họa trong hình 6. Dung dịch phân tử

hữu cơ có màu sắc rực rỡ này hấp thụ ánh sáng trong cả vùng khả kiến và tử ngoại của

quang phổ, và xuất hiện trước đa số mọi người dưới màu xanh vừa phải.

Bức xạ hồng ngoại – Thường được viết tắt là IR (Infrared Radiation), dải bước

sóng hồng ngoại trải rộng từ phần ngoài vùng đỏ của phổ ánh sáng khả kiến (khoảng

700 – 780nm) đến bước sóng khoảng 1mm. Với năng lượng photon từ xấp xỉ 1,2

milielectron-volt (meV) đến dưới 1,7 eV một chút. Sóng hồng ngoại có tần số tương

ứng từ 300 gigahertz (GHz) đến xấp xỉ 400 terahertz (THz). Loại bức xạ này liên quan

đến vùng nhiệt, nơi ánh sáng khả kiến không nhất thiết phải có mặt. Ví dụ, cơ thể

người không phát ra ánh sáng khả kiến, mà phát ra các bức xạ hồng ngoại yếu, có thể

được cảm nhận và ghi lại dưới dạng nhiệt. Phổ phát xạ bắt đầu tại khoảng 3000

nanomét và trải ra ngoài vùng hồng ngoại xa, đạt cực đại tại xấp xỉ 10.000 nanomét.

Phân tử của tất cả các đối tượng tồn tại trên không độ tuyệt đối (- 273 độ

Celsius) đều phát ra tia hồng ngoại, và lượng phát xạ nói chung là tăng theo nhiệt độ.

Khoảng chừng phân nửa năng lượng điện từ của Mặt Trời được phát ra trong vùng

hồng ngoại, và các thiết bị trong nhà như bếp lò và bóng đèn cũng phát ra lượng lớn tia

hồng ngoại. Bóng đèn dây tóc volfram nóng sáng là thiết bị phát sáng không hiệu quả

lắm, thực ra chúng phát nhiều sóng hồng ngoại hơn sóng khả kiến.

Hình 7. Ảnh chụp hồng ngoại từ vệ tinh

Dụng cụ phổ biến dựa trên việc dò bức xạ hồng ngoại là các kính nhìn đêm, các

máy dò điện tử, các bộ cảm biến trên vệ tinh và trên máy bay, và những thiết bị thiên

văn. Cái gọi là tên lửa tầm nhiệt do quân đội sử dụng được dẫn đường bằng máy dò

hồng ngoại. Trong vũ trụ, các bước sóng bức xạ hồng ngoại lập nên bản đồ đám bụi

thiên thể giữa các sao, như được chứng minh bằng mảng tối lớn nhìn thấy từ Trái Đất

khi quan sát Dải Ngân hà. Trong gia đình, bức xạ hồng ngoại giữ vai trò quen thuộc

khi sẩy khô quần áo, cũng như cho phép điều khiển từ xa hoạt động của những cánh

cửa đóng mở tự động và những đồ giải trí trong nhà.

10

Việc chụp ảnh hồng ngoại khai thác trong vùng phổ hồng ngoại gần, ghi hình

trên những tấm phim đặc biệt, có ích trong ngành pháp lí, cảm biến từ xa (khảo sát

rừng chẳng hạn), phục hồi tranh vẽ, chụp ảnh qua vệ tinh, và các ứng dụng theo dõi

quân sự. Thật kì lạ, hình chụp hồng ngoại của kính mát và những bề mặt quang học

khác có phủ chất lọc ánh sáng tử ngoại và khả kiến hiện ra trong suốt, và để lộ đôi mắt

phía sau thấu kính có vẻ mờ đục. Phim chụp ảnh hồng ngoại không ghi lại sự phân bố

bức xạ nhiệt do nó không đủ nhạy với những bức xạ có bước sóng dài (hồng ngoại xa).

Trên hình 7 là một vài hình chụp qua vệ tinh cảm biến hồng ngoại của hai thành phố ở

Mĩ và ngọn núi Vesuvius ở Italia.

Sóng vi ba – Hiện nay là cơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng

triệu hộ gia đình để đun nấu thức ăn, phổ bước sóng vi ba trải từ xấp xỉ 1mm đến

30cm. Sự hấp dẫn của việc sử dụng vi sóng đun nấu thức ăn là do trường hợp ngẫu

nhiên mà các phân tử nước có mặt trong đa số loại thực phẩm có tần số cộng hưởng

quay nằm trong vùng vi sóng. Ở tần số 2,45 GHz (bước sóng 12,2cm), các phân tử

nước hấp thụ hiệu quả năng lượng vi sóng và rồi bức xạ phung phí dưới dạng nhiệt

(hồng ngoại). Nếu sử dụng bình làm từ vật liệu không chứa nước để đựng thức ăn

trong lò vi sóng, thì chúng vẫn có xu hướng vẫn mát lạnh, đó là một tiện lợi đáng kể

của việc nấu nướng bằng vi sóng.

Sóng vi ba được tạo thành từ các sóng vô tuyến tần số cao nhất, được phát ra

bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bay và những đối tượng kích thước lớn khác.

Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập không gian, nó được xem là giải phỏng bởi

Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ. Các sóng vi ba tần số cao là cơ sở cho kĩ thuật radar,

viết tắt của cụm từ RAdio Detecting And Ranging (Dò và tầm vô tuyến), kĩ thuật phát

và thu nhận dùng theo dõi những đối tượng kích thước lớn và tính toán vận tốc và

khoảng cách của chúng. Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trái Đất để

nghiên cứu Dải Ngân hà và những thiên hà lân cận khác. Một lượng đáng kể thông tin

thiên văn có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một bước sóng phát xạ đặc biệt (21cm,

hoặc 1420 MHz) của các nguyên tử hydrogen không tích điện, chúng phân bố rộng

khắp trong không gian.

Sóng vi ba cũng được dùng trong truyền phát thông tin từ Trái Đất lên vệ tinh

nhân tạo trong các mạng viễn thông rộng lớn, chuyển tiếp thông tin từ các trạm phát

mặt đất đi những khoảng cách xa, và lập bản đồ địa hình. Thật ngạc nhiên, một số thí

nghiệm điện từ đầu tiên sắp đặt bởi Heinrich Hertz, Jagadis Chandra Bosevà

Guglielmo Marconi (cha đẻ của kĩ thuật vô tuyến hiện đại) được thực hiện bằng bức xạ

nằm trong hoặc gần vùng vi sóng. Những ứng dụng quân sự ban đầu sử dụng một băng

thông hẹp và tăng cường điều biến băng thông bằng các vi sóng có khả năng hội tụ,

chúng khó bị ngăn chặn và chứa một lượng thông tin tương đối lớn. Có một số tranh

cãi trong cộng đồng khoa học về khả năng gây hại cho sức khỏe, như gây ung thư, phá

hủy mô, liên quan tới bức xạ vi sóng liên tục và lũy tích lâu ngày phát ra từ các tháp

điện thoại, rò rĩ lò vi sóng, và hành động đặt điện thoại di động ở vị trí gần não trong

lúc sử dụng.

11

Hình 8. Điều biến tần số sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến – Phần tần số vô tuyến có xu hướng mở rộng của phổ điện từ

gồm các bước sóng từ khoảng 30cm đến hàng nghìn kilomét. Bức xạ trong vùng này

chứa rất ít năng lượng, và giới hạn trên về tần số (khoảng 1GHz) xảy ra tại cuối dải

tần, nơi phát chương trình vô tuyến và truyền hình bị hạn chế. Tại những tần số thấp

như vậy, photon (hạt) đặc trưng của bức xạ không biểu kiến, và sóng có vẻ truyền năng

lượng theo kiểu êm ả, liên tục. Không có giới hạn trên về mặt lí thuyết cho bước sóng

của bức xạ tần số vô tuyến. Ví dụ, dòng điện biến thiên tần số thấp (60Hz) mang bởi

dây dẫn có bước sóng khoảng 5 triệu mét (hay tương đương 3000 dặm). Sóng vô tuyến

dùng trong truyền thông được điều biến theo một trong hai kiểu kĩ thuật phát: điều biến

biên độ (AM) làm thay đổi biên độ sóng, và điều biến tần số (FM, xem hình 8) làm

thay đổi tần số sóng. Sóng vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, truyền

thông, y khoa, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI).

Phần âm thanh và hình ảnh động của truyền hình truyền đi qua bầu khí quyển

bằng các sóng vô tuyến ngắn có bước sóng dưới 1m, được điều biến giống hệt như

phát thanh FM. Sóng vô tuyến cũng được tạo ra bởi các ngôi sao trong những thiên hà

xa xôi, và các nhà thiên văn có thể dò ra chúng bằng những chiếc kính thiên văn vô

tuyến chuyên dụng. Những sóng dài, bước sóng vài triệu dặm, được phát hiện đang

phát về phía Trái Đất từ không gian sâu thẳm. Do tín hiệu quá yếu, nên các kính thiên

văn vô tuyến thường được sắp thành dãy song song gồm nhiều ănten thu khổng lồ.

Bản chất của mối liên hệ giữa tần số (số dao động trong một đơn vị thời gian)

và bước sóng (chiều dài của mỗi dao động) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiên

cứu phạm vi rộng phổ bức xạ điện từ. Các bức xạ điện từ tần số rất cao, như tia

gamma, tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bước sóng rất ngắn và lượng năng lượng khổng

lồ. Mặt khác, các bức xạ tần số thấp, như ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, sóng vi ba và

sóng vô tuyến có bước sóng tương ứng dài hơn và năng lượng thấp hơn. Mặc dù phổ

điện từ thường được mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bước sóng, nhưng thực

sự không có giới hạn trên hay giới hạn dưới nào đối với bước sóng và tần số của sự

phân bố liên tục này của bức xạ.

12

LƯỠNG TÍNH SÓNG-HẠT CỦA ÁNH SÁNG

Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người

trong nhiều thế kỉ. Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho

rằng mỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận rằng

ánh sáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương. Mặc dù những ý tưởng

này đã trải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20 vừa qua,

nhưng điều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra vẫn kéo dài

cho tới ngày nay.

Hình 1. Ánh sáng là sóng và là hạt

Một quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống như sóng trong tự nhiên, chúng tạo ra

năng lượng và truyền trong không gian theo kiểu tương tự như các gợn sóng lan dần ra

trên bề mặt của một ao nước phẳng lặng sau khi bị một hòn đá rơi xuống làm nhiễu

động. Quan điểm đối lập cho rằng ánh sáng gồm dòng các hạt đều đặn, rất giống với

những giọt nước nhỏ xíu phun ra từ một vòi tưới vườn. Trong vài thế kỉ qua, mỗi quan

điểm chỉ được nhất trí trong một khoảng thời gian nào đó, rồi lại bị lật đổ bởi bằng

chứng cho quan điểm kia. Chỉ trong thập kỉ đầu tiên của thế kỉ 20 cũng là bằng chứng

đủ sức thuyết phục mang tới câu trả lời toàn diện, và trước sự ngạc nhiên của nhiều

người, hóa ra cả hai lí thuyết đều chính xác, ít nhất là trong từng bộ phận.

Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới

chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lí thuyết ưa

chuộng của họ. Một nhóm nhà khoa học, những người tán thành thuyết sóng, tập trung

bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens. Còn

trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng

chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường

thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác. Mặc

dù chính Newton hình như cũng có một số nghi ngờ với thuyết tiểu thể của ông về bản

chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng khoa học có sức nặng quá lớn

nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những bằng chứng khác trong cuộc chiến

đấu khốc liệt của mình.

Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như

sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với

chiết suất của nó. Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay

khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó. Những người

ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại,

vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận

tốc sẽ tăng lên, chứ không giảm xuống. Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo

13

vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng hạn, nhưng

trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời. Thêm nữa, ánh sáng hình

như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó đi qua. Phải hơn

150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác cao để chứng minh

thuyết Huygens là đúng.

Hình 2. Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến

Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh

tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông. Một số người

tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang nhau, một số

hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng. Rõ ràng điều này

không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những hạt rời rạc được.

Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông

rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không

trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian. Công

cuộc săn lùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối

cùng phải dừng lại. Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm 1800, bằng

chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng

bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng, và mô hình chi tiết

của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này. Huygens tin rằng ête

dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng như thể là nó mang

sóng ánh sáng. Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tả tài tính

cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành

đầu sóng. Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra một lí thuyết chi tiết cho hiện tượng

khúc xạ, và cũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền

của chúng cắt nhau.

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì

chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường

thứ hai. Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ ra mỗi mô

hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 3). Theo thuyết sóng của

Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước

khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi

trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ

nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn.

Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi

trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền. Trái lại, thuyết hạt có lúc hơi khó giải

14

thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi trường này sang

môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một lực đặc biệt, hướng

vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc của các hạt khi chúng đi

vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này không được nghiên cứu và

không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho lí thuyết.

Hình 3. Sự khúc xạ của hạt và sóng

Một so sánh thú vị khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra

khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn.

Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi

chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại

tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 4). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều vào

khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần vẫn giữ

được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ

trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng.

Hình 4. Hạt và sóng phản xạ bởi gương

Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết

phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần

hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị phản

xạ bởi bề mặt nhẵn mịn. Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong chùm

ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau. Khi chạm lên mặt

gương, các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng trong chùm

sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược, như được minh họa trên hình 4. Cả

thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng sự phản xạ bởi một bề mặt phẳng.

Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng nếu bề mặt quá gồ ghề, thì các hạt bị nảy lên ở

nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng. Thuyết này rất phù hợp với

những quan sát thực nghiệm.

15

Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và

tạo nên bóng đổ (hình 5). Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản năm 1704

của ông rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong

thành bóng đổ”. Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn

truyền đi theo đường thẳng. Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng sẽ

không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động theo

đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn. Ở phạm vi vĩ mô, quan sát này hầu

như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ ánh

sáng xảy ra ở kích thước nhỏ hơn nhiều.

Hình 5. Nhiễu xạ của hạt và sóng

Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn

mong đợi. Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết

sóng ánh sáng. Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn

cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi sáng

trực tiếp bằng chùm tia sáng. Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn quanh phần

cuối của bè nổi, thay vì phản xạ ra xa.

Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lí thuyết của họ, một nhà vật

lí người Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh mẽ bản

chất giống sóng của ánh sáng. Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giải

thích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau. Để kiểm tra

giả thuyết này, ông dùng một màn chứa một khe hẹp để tạo ra chùm ánh sáng kết hợp

(gồm các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời. Khi các tia

sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt sóng.

Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần nhau,

thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 6).

Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với

nhau. Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thì

ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với ánh

sáng truyền từ khe phía bên kia. Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền tới điểm thứ hai

này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không còn đồng bộ với nhau, và có

thể hủy nhau tạo nên bóng tối.

Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh sáng từ bộ khe

thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và chồng chập lên nhau. Trong một số

trường hợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau. Tuy nhiên, trong một

16

số trường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau

hoặc chỉ đồng bộ một phần. Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ, chúng

cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng cường. Các sóng gặp nhau

không đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu. Ở giữa hai

thái cực này, những mức độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra

làm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng. Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng

giao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe. Sau khi

nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối dọc theo chiều

dài của màn hình.

Hình 6. Thí nghiệm hai khe Young

Mặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được chấp nhận

rọng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào thuyết hạt. Ngoài quan

sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm

các sóng có chiều dài khác nhau, một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện

nay. Trái lại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có

khối lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau.

Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng. Các sóng tạo ra trên mặt hồ,

hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự. Khi hai sóng gặp nhau

đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng cường.

Các sóng chạm nhau không đồng bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề

mặt phẳng trên nước.

Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được phát

hiện khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên

cứu tỉ mỉ (hình 7). Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh

sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng. Nói cách khác, kính phân cực có thể

được xem như một loại màn che Venice đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo

một hướng bên trong chất phân cực. Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân

cực, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể

truyền qua kính. Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định

17

hưởng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ

truyền qua được kính thứ hai.

Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng

truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng

vuông góc với kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ

nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai. Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết

sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như

thế nào bởi kính thứ hai. Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích thỏa đáng hiện

tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta xem là thuộc cùng

một hiện tượng.

Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng

gồm các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành

phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn

lại bởi một kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc

phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.

Hình 7. Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc

Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước

đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp.

Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh

James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ

liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây. Khám

phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi bình minh

của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lí thuyết quang học cuối

cùng đã được trả lời.

Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà

khoa học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể

đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 8). Mặc dù lúc đầu

chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh chóng

phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử của nhiều kim

18

loại, làm cho chúng tích điện dương. Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard trở nên bị lôi

cuốn vào những quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu ứng quang điện. Lenard

dùng một lăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành phần màu của nó, và rồi

cho hội tụ có chọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để tống khứ các electron ra khỏi

nó.

Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên. Đối với một bước

sóng ánh sáng cụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế

không đổi, hay một lượng năng lượng ổn định. Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng

tạo ra sự tăng hoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi electron

vẫn có năng lượng như cũ. Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết nguyên tử có

năng lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường độ ánh sáng.

Điều này trái với cái mà thuyết sóng mong đợi. Lenard cũng khám phá ra mối liên hệ

giữa bước sóng và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát sinh các electron có

năng lượng càng lớn.

Hình 8. Hiệu ứng quang điện

Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu

thập niên 1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không

phải là một dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu. Trên 500 vạch hẹp

ứng với các bước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lí người Đức Joseph

von Fraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất. Sau này, người

ta phát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng cụ thể bởi các

nguyên tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời. Những quan trắc này là một số liên hệ đầu

tiên giữa các nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó không được hiểu

rõ vào lúc ấy.

Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng

hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng.

Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng

các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh

sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như

thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon

tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có

năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên

cứu của Lenard.

Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm

của nhà vật lí người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung

19

lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán

đổi cho nhau. Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-

de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng

vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy công thức nổi

tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck:

E = mc2

= h

trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là

hằng số Planck và là tần số. Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng

với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một

lĩnh vực mới cuối cùng sẽ được dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống

hạt của ánh sáng. Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck, de

Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và những người nỗ lực giải thích bức xạ điện

từ bằng thuật ngữ lưỡng tính, hay là hành trạng vừa giống sóng vừa giống hạt. Có khi

ánh sáng hành xử như hạt, và đôi khi lại như sóng. Đặc trưng lưỡng tính của hành

trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặc điểm đã biết được quan sát thấy

bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa, và nhiễu xạ cho tới các hiệu ứng

phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện. Hai đặc trưng của ánh sáng sống hòa thuận

cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá những nét đẹp của vũ trụ.

20

NGUỒN PHÁT ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

Ánh sáng khả kiến bao gồm chỉ một phần rất nhỏ của toàn bộ phổ bức xạ điện

từ, nhưng nó chứa vùng tần số duy nhất mà các tế bào hình que và hình nón của mắt

người phản ứng được. Bước sóng mà con người bình thường có thể nhìn thấy được

nằm trong một vùng rất hẹp, khoảng chừng giữa 400 và 700 nanomét. Con người có

thể quan sát và phản ứng lại sự kích thích tạo ra bởi ánh sáng khả kiến là do mắt người

có những đầu dây thần kinh đặc biệt nhạy với vùng tần số này. Tuy nhiên, phần còn lại

của phổ điện từ thì không nhìn thấy được.

Hình 1. Phổ ánh sáng khả kiến

Có rất nhiều nguồn phát ra bức xạ điện từ, và người ta thường phân loại theo

phổ bước sóng mà các nguồn phát ra. Các sóng vô tuyến tương đối dài được tạo ra bởi

dòng điện chạy trong các ănten phát thanh truyền hình khổng lồ, còn sóng ánh sáng

khả kiến ngắn hơn nhiều được tạo ra bởi những xáo trộn trạng thái năng lượng của các

electron tích điện âm bên trong nguyên tử. Dạng ngắn nhất của bức xạ điện từ, sóng

gamma, là kết quả của sự phân rã các thành phần hạt nhân ở tâm nguyên tử. Ánh sáng

mà con người có thể nhìn thấy (hình 1) thường là tập hợp nhiều bước sóng có thành

phần thay đổi tùy theo nguồn phát.

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta bị “oanh tạc” dữ dội bởi phổ bức xạ điện

từ, chỉ một phần nhỏ của nó chúng ta mới thực sự “nhìn thấy” dưới dạng ánh sáng khả

kiến. Khi mạo hiểm bước ra ngoài trời thì một lượng khủng khiếp ánh sáng khả kiến

đập vào người chúng ta được phát ra từ Mặt Trời; Mặt Trời cũng tạo ra nhiều tần số

bức xạ khác không rơi vào vùng khả kiến. Còn khi ở trong nhà, chúng ta lại tắm mình

trong ánh sáng khả kiến phát ra từ các nguồn sáng nhân tạo, chủ yếu là bóng đèn

volfram nóng sáng và đèn huỳnh quang.

Ban đêm, ánh sáng tự nhiên được tạo ra bởi các thiên thể, như Mặt Trăng, các

hành tinh và các sao, ngoài ra còn có cực quang định kì (ánh sáng phương Bắc), và

thỉnh thoảng có sao chổi hoặc sao băng. Những nguồn sáng tự nhiên khác gồm có tia

chớp, núi lửa, lửa cháy rừng, cộng với một số nguồn phát sáng hóa sinh (phát quang

sinh học). Các nguồn sáng sinh học gồm có ánh chớp lập lòe của đom đóm quá đỗi

quen thuộc, và lung linh huyền ảo trên biển có các loài phát quang sinh học như một số

vi khuẩn, tảo, trùng roi, sứa, và một số loài cá.

Bảng 1. Bước sóng ánh sáng khả kiến và màu sắc nhận được

Bước sóng (nanomet) Màu sắc nhận được

340-400 Tử ngoại gần (không nhìn thấy) 400-430 Tím 430-500 Lam 500-570 Lục 570-620 Vàng - Cam 620-670 Đỏ chói 670-750 Đỏ sậm Trên 750 Hồng ngoại gần (không nhìn thấy)

21

Bảng 1 liệt kê sự phân bố màu sắc rạch ròi được nhận ra bởi con người đối với

một số dải bước sóng hẹp trong phổ ánh sáng khả kiến. Việc liên hệ các màu nhất định

với vùng bước sóng cho phép phân biệt giữa các sắc thái, màu sắc và bóng tối. Có thể

nhiều sự phân bố phổ khác nhau cùng tạo ra cảm giác màu giống nhau (một hiện tượng

được biết với cái tên đồng phân dị vị). Ví dụ, cảm giác màu vàng có thể gây ra bởi một

bước sóng ánh sáng, chẳng hạn 590nm, hoặc có thể là kết quả của việc nhìn hai lượng

ánh sáng bằng nhau có bước sóng riêng, ví dụ 580nm và 600nm. Cũng có thể xem màu

vàng là một phân bố hẹp gồm toàn bộ các bước sóng nằm giữa 580nm và 600nm. Đối

với hệ thị giác của con người, bước sóng giữ vai trò đó cho mọi màu sắc trong phổ khả

kiến. Những nghiên cứu gần đây cho thấy một số loài (nhất là chim chóc) có thể phân

biệt giữa các màu nhận được giống như con người.

Các nguồn nóng sáng

Loài người buổi đầu đã không có các nguồn sáng chắc chắn suốt những đêm

trường, nhưng họ thỉnh thoảng có thể tìm thấy và thu thập những thanh gỗ đang cháy

từ những đống lửa trong bụi rậm và rồi giữ lửa cháy rực trong một trại lửa trong một

thời gian ngắn. Theo tri thức tiến bộ thì loài người đã phát hiện thấy tia lửa điện, và

sau đó là lửa có thể phát ra bằng cách cọ xát những loại đá nhất định lên nhau (ví dụ

như đá lửa và sắt pirit) hoặc bằng cách chà xát linh hoạt gỗ với gỗ. Một khi đã làm chủ

được các kĩ thuật này, người ta có thể tạo ra bất cứ khi nào người ta muốn.

Khi lửa cháy, năng lượng hóa học được giải phóng dưới dạng nhiệt và ánh sáng.

Nhiên liệu cháy, hoặc là cỏ, gỗ, dầu, hoặc là một số chất dễ bắt lửa khác, phát ra chất

khí bị đun nóng bởi năng lượng hóa học khổng lồ phát sinh trong quá trình cháy, làm

cho các nguyên tử trong chất khí rực lên hoặc nóng sáng. Các electron trong nguyên tử

chất khí nhày lên mức năng lượng cao bởi kích thích nhiệt, và ánh sáng được giải

phóng dưới dạng photon khi các electron rơi xuống trạng thái cơ bản của chúng. Màu

của ngọn lửa là một dấu hiệu của nhiệt độ và lượng năng lượng được giải phóng. Ngọn

lửa màu vàng đục thì lạnh hơn nhiều so với ngọn lửa màu xanh chói, nhưng thậm chí

ngọn lửa lạnh nhất thì vẫn còn rất nóng (chừng 350 độ C).

Hình 2. Các nguồn sáng sơ khai

Mặc dù nhựa thuốc lá và giẻ rách được dùng để tạo ra những bó đuốc sơ khai, nhưng

bước tiến thiết thực đầu tiên trong việc điều khiển lửa chỉ xuất hiện khi đèn dầu được phát

22

minh. Những ngọn đèn sơ khai đã hơn 15.000 năm tuổi (hình 2) được phát hiện, làm từ đá và

mai động vật, chúng đốt cháy mỡ động vật và dầu thực vật. Trước khi đèn khí được phát

minh, có một nhu cầu khủng khiếp về dầu động vật. Nguồn cấp chủ yếu loại dầu này là mỡ

động vật khai thác từ việc nấu sôi các mô chất béo lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và

hải cẩu. Đèn dầu sau cùng tiến hóa thành những ngọn nến, chế tạo bằng cách đúc mỡ động vật

hoặc sáp ong đông cứng, như minh họa trong hình 2. Những ngọn nến buổi đầu phát ra một

chút khói, nhưng không sáng lắm. Cuối cùng, người ta phát hiện thấy sáp parafin, khi đổ

khuôn thích hợp với một bấc vải dễ thấm, sinh ra ngọn lửa tương đối sáng mà không có lượng

khói đáng kể.

Trong thế kỉ 19, việc thắp đèn khí thiên nhiên trở nên phổ biến ở nhiều đô thị chính tại

châu Âu, châu Á và Mĩ. Những ngọn đèn khí buổi đầu hoạt động bằng cách tạo ra một dòng

khí cháy (một việc làm khá nguy hiểm), còn các mẫu đèn sau này được lắp thêm măng sông,

hoặc một mạng vải mịn đã qua xử lí hóa học, chúng làm phân tán ngọn lửa và phát ra ánh

sáng sáng hơn nhiều.

Các nhà hiển vi học buổi đầu sử dụng nến, đèn dầu, và ánh sáng Mặt Trời tự nhiên để

cung cấp sự chiếu sáng cho các hệ quang cụ tương đối thô trong kính hiển vi của họ. Các

nguồn sáng ban sơ này chiếu sáng không đều, khi lập lòe, khi bùng phát rực rỡ, và thường

tiềm ẩn mối nguy hiểm về lửa. Ngày nay, các bóng đèn nóng sáng cường độ cao đế bằng

volfram là nguồn sáng chủ yếu dùng trong kính hiển vi hiện đại và chiếm đa số trong các hệ

thống chiếu sáng gia đình.

Hình 3. Phổ thu được từ một số nguồn sáng phổ biến

Hình 3 biểu diễn các đường cong phân bố phổ biểu thị năng lượng tương đối theo

bước sóng đối với một vài nguồn khác nhau phát ra ánh sáng trắng (là sự pha trộn của tất cả

hay đa số màu trong phổ khả kiến). Đường cong màu đỏ biểu diễn năng lượng tương đối của

ánh sáng đèn volfram trên toàn bộ phổ khả kiến. Như đã được chỉ rõ trong hình, năng lượng

ánh sáng đèn volfram tăng khi bước sóng tăng. Kết quả này ảnh hưởng đến nhiệt độ màu

trung bình của ánh sáng thu được, đặc biệt khi so sánh với nhiệt độ màu trung bình của ánh

sáng Mặt Trời và ánh sáng huỳnh quang (đèn hơi thủy ngân). Đường cong phổ màu vàng mô

tả sự phân bố ánh sáng khả kiến từ phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên phản xạ bởi Mặt Trăng.

Dưới những điều kiện bình thường, ánh sáng Mặt Trời chứa nhiều năng lượng nhất, nhưng

đường cong minh họa trong hình 3 đã được làm cho bình thường với phổ đèn volfram để tiện

so sánh. Đường cong màu xanh đậm đặc trưng cho đèn hơi thủy ngân, và biểu hiện một vài

chênh lệch đáng kể với phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên và đèn volfram. Một số cực đại năng

lượng có mặt trong phổ đèn hơi phóng điện xuất hiện là kết quả của từng đường phổ chồng

lên nhau phát sinh từ hơi thủy ngân.

23

Phổ ánh sáng khả kiến tạo ra bởi một diode phát quang (LED) phát ra ánh sáng trắng

được biểu diễn bằng đường cong màu xanh lá trong hình 3. Diode phát quang là dụng cụ vốn

dĩ đơn sắc, với màu sắc được xác định bởi dải khe giữa các chất liệu bán dẫn khác nhau dùng

chế tạo nên diode. Diode phát sáng đỏ, xanh lá, vàng và xanh dương là phổ biến, và được sử

dụng rộng rãi làm ánh sáng chỉ báo cho máy tính và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác, như

máy thu radio, máy thu truyền hình, máy hát đĩa compact, máy ghi đĩa, và máy hát đĩa kĩ thuật

số. LED phát ánh sáng trắng được chế tạo từ diode xanh gallium nitride bằng cách phủ ngoài

chất bán dẫn lớp chất phôtpho, chất này phát ra một phạm vi rộng bước sóng khả kiến khi bị

kích thích bởi ánh sáng phát ta từ diode xanh. Phổ laser, thu được từ laser diode hoặc laser

khí, rất hẹp, thường bao gồm chỉ một hoặc vài ba bước sóng nhất định. Ví dụ minh họa trong

hình 3 (đường cong màu xanh lá mạ) là cho laser diode bán dẫn dòng điện thấp có ích trong

nhiều ứng dụng đa dạng, như đọc mã vạch và kiểm tra dữ liệu đĩa quang.

Nguồn sáng volfram thường được gọi là nóng sáng, vì chúng phát ra ánh sáng khi bị

đun nóng bởi năng lượng điện. Dây tóc của các bóng đèn hiện đại thường làm bằng volfram,

một kim loại có hiệu suất phát sáng tương đối hiệu quả khi bị đun nóng điện trở bằng dòng

điện. Các đèn nóng sáng hiện đại có nguồn gốc từ đèn hồ quang carbon do Humphry Davy

phát minh, chúng tạo ra ánh sáng bằng sự phóng điện hồ quang giữa hai que than (hoặc các

điện cực dây tóc) khi thiết đặt một hiệu điện thế giữa các điện cực. Rốt cuộc, đèn hồ quang

carbon đã mang tới những chiếc đèn đầu tiên sử dụng dây tóc carbon chứa trong một vỏ bao

thủy tinh hàn kín. Dây tóc volfram, được sử dụng trước tiên vào năm 1910 bởi William David

Coolidge, bốc hơi chậm hơn nhiều so với sợi carbon có nguồn gốc cotton khi bị nung nóng

trong chân không của vỏ thủy tinh. Dây tóc hoạt động như một điện trở đơn giản, và phát ra

một lượng đáng kể ánh sáng, ngoài năng lượng nhiệt phát sinh bởi dòng điện.

Đèn volfram nóng sáng là vật bức xạ nhiệt phát ra phổ ánh sáng liên tục trải rộng từ

khoảng 300nm, trong vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng ngoại. Cấu trúc, việc

chế tạo và hoạt động của chúng rất đơn giản, và có rất nhiều chủng loại đèn này được dùng

làm nguồn nóng sáng. Loại đèn tiêu biểu gồm một bóng thủy tinh hàn kín (xem hình 4), bên

trong chứa đầy một chất khí trơ, và một sợi dây tóc bằng volfram hoạt động mạnh mẽ khi có

dòng điện đi qua. Bóng đèn tạo ra một lượng rất lớn ánh sáng và nhiệt, nhưng ánh sáng chỉ

chiếm có 5 đến 10% tổng năng lượng mà chúng phát ra.

Đèn volfram có xu hướng kém tiện lợi, ví dụ như cường độ của nó giảm theo tuổi thọ

và nó làm đen vỏ đựng bên trong do volfram bốc hơi chậm lắng trở lại thủy tinh. Nhiệt độ

màu và độ chói của đèn volfram biến thiên theo hiệu điện thế áp dụng, nhưng giá trị trung

bình cho nhiệt độ màu biến thiên trong khoảng từ 2200K đến 3400K. Nhiệt độ bề mặt của dây

tóc volfram lúc hoạt động rất cao, thường trung bình khoảng 2550 độ C đối với một bóng đèn

thương mại chuẩn 100 watt. Đôi khi bên trong bóng đèn volfram chứa các chất khí quý tộc

như krypton hoặc xenon (chất khí trơ), chúng là một sự chọn lựa nhằm tạo ra chân không để

bảo vệ dây tóc volfram nóng bỏng. Các chất khí này làm tăng hiệu suất của đèn nóng sáng vì

chúng làm giảm lượng volfram bốc hơi rồi lắng xuống bên trong bóng thủy tinh bao ngoài.

Các đèn halogen, phiên bản hiệu suất cao của đèn volfram nóng sáng, thường chứa

một ít iode hoặc brom trong chất khí bên trong để mang volfram bốc hơi quay trở lại dây tóc

hiệu quả hơn nhiều so với những chiếc đèn sử dụng chất khí khác. Đèn volfram-halogen, được

phát triển đầu tiên bởi công ty General Electronic vào những năm 1950 dành cho việc thắp

sáng các đầu mút cánh máy bay phản lực siêu âm, có khả năng tạo ra ánh sáng rất đều trong

suốt quãng tuổi thọ của đèn. Ngoài ra, đèn halogen nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn so với đèn

volfram có cường độ tương ứng. Tuổi thọ của một bóng đèn volfram-halogen có thể lên tới 10

năm, dưới những điều kiện lí tưởng nhất.

24

Hình 4. Một số kiểu đèn volfram và halogen

Dây tóc của đèn volfram-halogen thường là những sợi xoắn rất chặt gắn trong một vỏ

bao thủy tinh borosilicate-halide (thường gọi là thạch anh nấu chảy). Nhiệt độ cao lúc hoạt

động đã giới hạn việc sử dụng bóng đèn volfram-halogen cho các đèn chiếu sáng trong nhà

được thông hơi tốt có đế nhiệt hình cánh quạt để loại bớt lượng nhiệt khổng lồ phát sinh bởi

những bóng đèn này. Nhiều đèn thắp sáng trong nhà được trang bị là đèn volfram-halogen 300

– 500 watt, và tạo ra một lượng lớn ánh sáng tràn ngập căn phòng tốt hơn nhiều các bản sao

volfram của chúng phát sáng yếu hơn. Khi ghép với ống dẫn sáng sợi quang, bộ lọc hấp thụ

hoặc bộ lọc lưỡng sắc, các đèn volfram-halogen chiếu sáng trong nhà mang lại cường độ rọi

cao cho nhiều ứng dụng hiển vi quang học đa dạng, nhưng điều bất tiện chủ yếu là chúng tạo

ra một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại dưới dạng bức xạ nhiệt có thể dễ dàng làm suy thoái

mẫu vật nghiên cứu.

Nguồn sáng huỳnh quang

Có nhiều nguồn phát sáng khả kiến không nóng sáng dùng cho việc thắp sáng trong

nhà và ngoài đường, cũng như có những ứng dụng quan trọng trong kính hiển vi quang học.

Đa số các nguồn sáng này hoạt động trên cơ sở phóng điện qua chất khí như thủy ngân, hoặc

các khí trơ neon, argon và xenon. Sự phát sinh ánh sáng khả kiến trong đèn phóng điện khí

dựa trên sự va chạm giữa các nguyên tử và ion trong chất khí với dòng điện truyền qua giữa

một cặp điện cực đặt ở hai đầu bóng đèn.

Ống thủy tinh của đèn huỳnh quang thông thường được phủ một lớp phosphor ở mặt

bên trong và ống chứa đầy hơi thủy ngân ở áp suất rất thấp (xem hình 5). Dòng điện được

thiết lập giữa các điện cực đặt ở hai đầu ống, tạo ra dòng electron chạy từ điện cực này tới

điện cực kia. Khi các electron trong dòng va chạm với các nguyên tử hơi thủy ngân, chúng

kích thích electron trong các nguyên tử này lên trạng thái năng lượng cao. Năng lượng này

được giải phóng dưới dạng bức xạ tử ngoại khi các electron trong nguyên tử thủy ngân rơi trở

lại trạng thái cơ bản. Bức xạ tử ngoại sau đó tiếp thêm sinh lực cho lớp phosphor phủ bên

trong, làm cho nó phát ra ánh sáng trắng rạng rỡ mà chúng ta nhìn thấy từ đèn huỳnh quang.

Đèn huỳnh quang có hiệu suất phát ánh sáng khả kiến gấp khoảng 2 đến 4 lần, tạo ra ít hao

phí nhiệt hơn, và có tuổi thọ gấp 10 đến 20 lần so với các đèn nóng sáng.

Hình 5. Đèn huỳnh quang hơi thủy ngân

Một đặc trưng vô song của nguồn sáng huỳnh quang là chúng phát ra một loạt bước

sóng thường tập trung trong những dải hẹp gọi là phổ vạch. Kết quả là các nguồn sáng này

không tạo ra phổ chiếu sáng liên tục đặc trưng của các nguồn nóng sáng. Một ví dụ tiêu biểu

cho nguồn phát ánh sáng khả kiến không nóng sáng đơn bước sóng là đèn hơi natri thường

25

dùng để chiếu sáng đường phố. Những bóng đèn loại này phát ra ánh sáng màu vàng rất

mạnh, với hơn 95% ánh sáng phát xạ gồm ánh sáng 589nm và hầu như không có bước sóng

nào khác nữa. Có thể chế tạo các đèn phóng điện khí phát ra phổ gần như liên tục, ngoài phổ

vạch cố hữu của các đèn thuộc loại này. Giải pháp kĩ thuật phổ biến nhất là phủ lên bề mặt

bên trong ống các hạt phosphor, chúng sẽ hấp thụ bức xạ do dòng khí phát ra và biến đổi nó

thành phổ ánh sáng khả kiến rộng, trải từ lam tới đỏ.

Dưới những điều kiện bình thường, đa số cá nhân không thể nào phân biệt được sự

khác biệt giữa phổ vạch và phổ liên tục của các bước sóng. Tuy nhiên, một số vật thể lại phản

xạ màu sắc đặc biệt trong ánh sáng phát ra từ một nguồn không liên tục, nhất là dưới sự thắp

sáng huỳnh quang. Đây là lí do vì sao mà vải vóc, cùng một số hàng hóa dễ bắt màu khác, treo

trong cửa hàng thắp sáng bằng đèn huỳnh quang lại trông có màu hơi khác chút xíu so với khi

nhìn dưới ánh sáng Mặt Trời hoặc rọi sáng bằng đèn volfram liên tục.

Trong kĩ thuật hiển vi nổi ánh sáng phản xạ, đặc biệt khi khảo sát các mẫu nghiệm

nhạy nhiệt, đèn huỳnh quang thường dùng là bóng đèn volfram, do hiệu suất cao và công suất

nhiệt thấp của chúng. Đèn huỳnh quang hiện đại có thể cấu hình cho ống thẳng hoặc đèn chiếu

sáng vòng mang đến cho các nhà hiển vi học ánh sáng cường độ mạnh, khuếch tán. Nguồn

ánh sáng trắng nhân tạo này cạnh tranh được với ánh sáng Mặt Trời (không có nhiệt đi kèm) ở

nhiệt độ màu, và loại bỏ đặc tính bập bùng điển hình của các ống huỳnh quang thương mại. So

với đèn volfram, volfram-halogen, hoặc đèn hồ quang, thì đèn huỳnh quang chiếu sáng kính

hiển vi có thể cho khoảng thời gian phục vụ chất lượng cao tương đối lâu (khoảng 7000 giờ).

Là nguồn ánh sáng khuếch tán, đèn huỳnh quang tạo ra trường rọi sáng đồng đều mà không có

các điểm nóng khó chịu, hoặc ánh chói. Kĩ thuật rọi sáng tia catôt lạnh mới hứa hẹn sẽ là một

nguồn sáng chuyên dụng dùng trong kĩ thuật hiển vi quang học, nhất là cho những sự kiện có

thời gian sống ngắn được làm tăng thêm bằng sự kích thích huỳnh quang, và cho những ứng

dụng mà nhiệt hao phí hoặc thời gian sưởi ấm trong nguồn sáng có thể làm cản trở mẫu vật

hoặc việc quan sát.

Một phương pháp thích hợp để chụp ảnh các mẫu vật đang chuyển động, đặc biệt có

ích trong kính hiển vi rọi sáng yếu, là sử dụng các hệ thống flash chụp ảnh điện tử. Các đơn vị

flash điện tử hoạt động nhờ sự in hóa trong ống thủy tinh chứa khí xenon được điều khiển bởi

sự phóng điện của tụ điện lớn. Xung điện thế cao, thời gian sống ngắn phát ra từ máy biến thế

làm cho khí xenon ion hóa, cho phép tụ phóng điện qua chất khí lúc này đã dẫn điện. Một sự

bùng phát ánh sáng rực rỡ đột ngột xuất hiện, sau khi khí xenon nhanh chóng rơi trở lại trạng

thái không dẫn điện, và tụ điện nạp điện. Ống đèn flash cho độ rọi 5500K trong sự bùng lên

tức thời có thể ghi nhận một lượng đáng kể chi tiết vật thể, thích hợp dùng trong kĩ thuật chụp

ảnh, ghi hình kĩ thuật số, và chụp ảnh hiển vi.

Hình 6. Đèn phóng điện hồ quang

Đèn phóng điện hồ quang, bên trong chứa các chất khí như hơi thủy ngân và xenon,

thường được dùng làm nguồn rọi sáng cho một số dạng chuyên dụng của kính hiển vi huỳnh

quang. Một đèn hồ quang tiêu biểu sáng gấp 10 đến 100 lần bản sao volfram của nó, và có thể

26

mang lại sự rọi sáng đơn sắc rực rỡ khi kết hợp với các bộ lọc giao thoa lưỡng sắc phủ bên

ngoài đặc biệt. Không giống như đèn volfram, đèn volfram-halogen, đèn hồ quang không có

dây tóc, nhưng lại phụ thuộc vào sự ion hóa chất hơi, mặc dù sự phóng điện hồ quang năng

lượng cao giữa hai điện cực sinh ra ánh sáng cường độ mạnh của chúng. Nói chung, đèn hồ

quang có thời gian sống trung bình 100-200 giờ, và đa số các nguồn cung cấp ngoài được

trang bị một máy bấm giờ cho phép các nhà hiển vi học giám sát bao nhiêu thời gian trôi qua.

Đèn hồ quang thủy ngân (thường gọi là mỏ đèn, xem đèn thủy ngân và xenon minh họa trong

hình 6) có công suất từ 50 đến 200 watt và thường gồm hai điện cực hàn kín dưới áp suất hơi

thủy ngân cao bên trong ống thủy tinh thạch anh.

Đèn hồ quang thủy ngân và xenon không cho cường độ rọi đồng đều trong toàn bộ phổ

bước sóng từ tử ngoại tới hồng ngoại. Phần lớn sức mạnh của đèn hồ quang thủy ngân tiêu

hao trong phổ tử ngoại gần và xanh lam, với đa số cực đại cường độ cao xuất hiện trong

ngưỡng 300-450nm, trừ một vài cực đại có bước sóng cao hơn nằm trong vùng phổ xanh lục.

Trái lại, đèn hồ quang xenon có sản lượng rộng hơn và đồng đều hơn trong phổ khả kiến, và

không biểu hiện các cực đại cường độ phổ rất cao đặc trưng như đèn hồ quang thủy ngân. Tuy

nhiên, đèn xenon lại kém hiệu quả trong vùng tử ngoại, và tiêu hao một lượng lớn sức mạnh

của chúng trong vùng hồng ngoại, nên đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận và phải loại trừ tình

trạng quá nhiệt nếu sử dụng các đèn này.

Hình 7. Cấu tạo của diode phát ánh sáng trắng

Thời kì sử dụng diode phát quang làm nguồn chiếu sáng kĩ thuật bắt đầu vào thế kỉ 21,

và diode là phần bù lí tưởng cho sự hợp nhất công nghệ bán dẫn và hiển vi quang học. Sự tiêu

thụ năng lượng tương đối thấp (1 đến 3 volt, 10 đến 100 miliampe) và thời gian hoạt động lâu

dài của diode phát quang khiến cho những dụng cụ này trở thành nguồn sáng hoàn hảo khi chỉ

yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức trung bình. Các kính hiển vi nối với máy tính

giao tiếp qua cổng USB, hoặc được cấp nguồn bằng pin, có thể sử dụng LED làm nguồn sáng

bên trong nhỏ gọn, ít tổn hao nhiệt, công suất thấp và giá thành rẻ, dùng cho việc quan sát

bằng mắt hoặc ghi ảnh kĩ thuật số. Một số kính hiển vi dùng trong học tập và nghiên cứu hiện

đang diode phát ánh sáng trắng bên trong, cường độ cao làm nguồn sáng sơ cấp.

Diode phát quang hiện nay đã được kiểm tra và thương mại hóa trong nhiều ứng dụng

đa dạng, như làm tín hiệu giao thông, mật hiệu, đèn flash, và đèn chiếu sáng kiểu vòng gắn

ngoài cho kính hiển vi. Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ nhiệt độ màu tương tự với

đèn hơi thủy ngân, loại đèn thuộc danh mục chiếu sáng ban ngày. Phổ phát xạ của đèn LED

trắng được biểu diễn trong hình 3, cực đại phát tại 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi

diode bán dẫn gallium nitride, còn vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm

là do ánh sáng thứ cấp phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer. Sự tổng hợp các

bước sóng tạo ra ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối cao, là vùng bước sóng thích

hợp cho việc chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học.

27

Nguồn sáng laser

Một nguồn phát ánh sáng khả kiến nữa đang có tầm quan trọng ngày càng cao trong

cuộc sống hàng ngày của chúng ta, đó là laser. Laser là tên viết tắt từ Light Amplification

by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ

cưỡng bức). Một trong những đặc điểm vô song của laser là chúng phát ra chùm ánh

sáng liên tục gồm một bước sóng riêng biệt (hoặc đôi khi là một vài bước sóng), cùng

pha, đồng nhất, gọi là ánh sáng kết hợp. Bước sóng ánh sáng do laser phát ra phụ thuộc

vào loại chất cấu tạo nên laser là tinh thể, diode hay chất khí. Laser được sản xuất đa

dạng về hình dạng và kích thước, từ những chiếc laser diode bé xíu đủ nhỏ để lắp khít

vào lỗ kim, cho tới những thiết bị quân sự và nghiên cứu chiếm đầy cả một tòa nhà.

Hình 8. Cấu trúc laser khí Argon-Ion

Laser được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều ứng dụng, từ các đầu đọc đĩa

compact cho tới các thiết bị đo đạc và dụng cụ phẫu thuật. Ánh sáng đỏ quen thuộc của

laser helium-neon (thường viết tắt là He-Ne) được dùng để quét mã vạch hàng hóa,

nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống hiển vi quét laser đồng tiêu.

Ứng dụng laser trong kính hiển vi quang học cũng ngày càng trở nên quan trọng, vừa

là nguồn sáng duy nhất, vừa là nguồn sáng kết hợp với các nguồn sáng huỳnh quang

và/hoặc nguồn nóng sáng. Mặc dù giá thành tương đối cao, nhưng laser cũng tìm thấy

ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật huỳnh quang, chiếu sáng đơn sắc, và trong các lĩnh

vực đang phát triển nhanh chóng như kĩ thuật quét laser đồng tiêu, phản xạ nội toàn

phần, truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang, và kính hiển vi nhân quang.

Laser argon-ion (hình 8) tạo ra phổ phát xạ mạnh mẽ ở 488 và 514nm, còn laser

khí krypton biểu hiện các cực đại lớn tại bước sóng 647,1 và 752,5nm. Cả hai loại

laser này thường được dùng làm nguồn kích thích trong kính hiển vi laser quét đồng

tiêu. Laser xung mode khóa tinh thể sapphire pha tạp chất titan được dùng làm nguồn

kích thích nhân quang do cường độ cực đại cao của chúng, nhưng chúng cũng bộc lộ

công suất trung bình thấp và chu kì công suất ngắn. Là nguồn sáng được ưa chuộng

hơn dùng cho kính hiển vi nhân quang, laser xung đắt hơn nhiều và khó hoạt động hơn

so với các laser nhỏ, làm nguội bằng không khí dùng trong kính hiển vi đồng tiêu.

Công nghệ laser mới gồm các diode laser nền bán dẫn và laser gắn trên chip,

làm giảm kích thước và yêu cầu công suất đối với nguồn sáng. Diode laser, ví dụ như

28

neodymium:yttrium lithium fluoride (Nd:YLF) và neodymium:yttrium vanadate

(Nd:YVO(4)), thường đáp ứng nhanh hơn nhiều so với LED, nhưng cũng tương đối

nhỏ và yêu cầu công suất thấp. Bất lợi của việc sử dụng laser trong kính hiển vi gồm

giá thành thêm vào cho nguồn sáng, sự rủi ro gây thiệt hại đắt tiền, làm tăng giá thành

liên đới với thấu kính và gương phủ ngoài, phá hủy mẫu vật, và có thể làm hỏng võng

mạc của nhà hiển vi học nếu như quy trình bào vệ và kĩ thuật điều khiển bị xem nhẹ.

Tóm lại, mặc dù có nhiều nguồn chiếu sáng đa dạng hiện có sẵn, nhưng chúng

ta thường chỉ sử dụng vài nguồn sáng trong cuộc sống hàng ngày. Vào ban ngày, Mặt

Trời đóng vai trò là nguồn chiếu sáng chủ yếu của chúng ta ở ngoài trời, còn thường

thì chúng ta sử dụng đèn huỳnh quang và đèn volfram để thắp sáng trong nhà và vào

ban đêm. Như đã nói ở phần trên, ba nguồn sáng cơ bản này có tính chất và đặc trưng

phổ khác nhau, nhưng cường độ cực đại của chúng đều rơi vào vùng ánh sáng khả

kiến. Não người tự động điều chỉnh trước các nguồn sáng khác nhau, và chúng ta cảm

nhận được màu sắc của đa số các vật xung quanh mình khi chúng được nhìn dưới

những điều kiện chiếu sáng khác nhau.

29

TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG

Ở một nơi đó trong không gian ngoài kia, cách Trái Đất hàng tỉ năm ánh sáng,

ánh sáng nguyên thủy liên quan tới Vụ nổ Lớn của vũ trụ đang chiếu sáng những vùng

đất mới khi nó tiếp tục truyền đi ra xa. Trái ngược lại hoàn toàn, một dạng khác của

bức xạ điện từ phát sinh trên Trái Đất, các sóng vô tuyến phát đi từ một chương trình

truyền hình nào đó cũng đang lan truyền ra không gian sâu thẳm ngoài kia, mặc dù

cường độ của nó yếu hơn nhiều.

Hình 1. Thiên hà xoắn ốc NGC 4603

Khái niệm cơ bản ẩn sau cả hai sự kiện trên có liên quan tới tốc độ của ánh sáng

(và tất cả những dạng khác của bức xạ điện từ), đã được các nhà khoa học xác định

một cách kĩ lưỡng, và ngày nay được biểu diễn dưới dạng một giá trị không đổi có mặt

trong các phương trình với kí hiệu c. Không hẳn là một hằng số, đúng hơn là tốc độ

cực đại trong chân không, tốc độ của ánh sáng, gần 300.000 km/giây, có thể điều chỉnh

bằng cách làm thay đổi môi trường hoặc với sự giao thoa lượng tử.

Ánh sáng truyền trong một chất, hay môi trường, đồng chất theo đường thẳng,

với tốc độ gần như không đổi, trừ khi nó bị khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ hoặc bị nhiễu

loạn theo một số cách khác. Thực tế khoa học đã được hiểu rõ này không phải là sản

phẩm của kỉ nguyên Nguyên tử hay thời kì Phục hưng, mà đã được xúc tiến khởi đầu

bởi nhà bác học Hi Lạp cổ đại, Euclid, khoảng 350 năm trước Công nguyên, trong

chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông, Optica. Tuy nhiên, cường độ của ánh sáng

(và các bức xạ điện từ khác) tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách truyền đi.

Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi được hai lần một khoảng cách cho trước thì cường

độ của nó giảm đi bốn lần.

Khi ánh sáng truyền trong không khí đi vào một môi trường khác, chẳng hạn

như thủy tinh hoặc nước, tốc độ và bước sóng của ánh sáng giảm đi (xem hình 2), mặc

dù tần số vẫn giữ nguyên không đổi. Ánh sáng truyền đi xấp xỉ 300.000 km trên giây

trong chân không, môi trường có chiết suất bằng 1,0, nhưng vận tốc sẽ giảm xuống còn

225.000 km/giây trong nước (chiết suất 1,3, xem hình 2), và 200.000 km/giây trong

thủy tinh (chiết suất 1,5). Trong kim cương, với chiết hơi cao 2,4, tốc độ của ánh sáng

giảm đi khá nhiều (125.000 km/giây), chỉ còn khoảng 60% tốc độ của nó trong chân

không.

Do hành trình khổng lồ mà ánh sáng truyền đi trong không gian bên ngoài giữa

các thiên hà (xem hình 1) và bên trong Dải Ngân hà, nên sự giãn nở của các sao có thể

đo được không chỉ bằng km, mà còn bằng năm ánh sáng, quãng đường mà ánh sáng đi

30

được trong một năm. Một năm ánh sáng bằng 9,5 nghìn tỉ km, hoặc khoảng 5,9 nghìn

tỉ dặm. Khoảng cách từ Trái Đất tới ngôi sao gần nhất ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta,

Proxima Centauri, xấp xỉ 4,24 năm ánh sáng. Có thể so sánh như thế này, Dải Ngân hà

có đường kính ước tính chừng 150.000 năm ánh sáng, và khoảng cách đến thiên hà

Andromeda là chừng 2,21 triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là ánh sáng rời thiên

hà Andromeda 2,21 triệu năm về trước mới tới được Trái Đất, trừ khi trên đường đi nó

đã chạm phải các thiên thể phản xạ hoặc các mảnh vỡ khúc xạ.

Hình 2. Tốc độ của ánh sáng

Khi các nhà thiên văn ngắm nhìn bầu trời đêm là lúc họ đang quan sát một hỗn

hợp thời gian thực, quá khứ đã qua, và lịch sử thời cổ đại. Ví dụ, trong thời kì mà các

nhà tiên phong người Babilon, các nhà chiêm tinh người A Rập, các nhà thiên văn Hi

Lạp mô tả các chòm sao, thì Scorpius (Scorpio đối với các nhà chiêm tinh học) vẫn có

hình dạng con bọ cạp. Sao đuôi và các sao khác trong chòm sao này đã xuất hiện dưới

dạng sao siêu mới trên bầu trời khoảng giữa năm 500 và 1000 trước Công nguyên,

nhưng không còn nhìn thấy nữa đối với các nhà nghiên cứu ngày nay. Mặc dù một số

sao quan sát thấy trên bầu trời đêm trên Trái Đất đã chết từ lâu, nhưng sóng ánh sáng

mang hình ảnh của chúng vẫn còn chạm tới mắt người và kính viễn vọng. Trong thực

tế, ánh sáng từ sự hủy diệt của chúng (và bóng tối của sự vắng mặt của chúng) chưa đi

hết khoảng cách khổng lồ trong không gian sâu thẳm vì chưa đủ thời gian.

Empedocles thuộc vùng Acragas, người sống vào khoảng năm 450 trước Công

nguyên, là một trong những triết gia đầu tiên được ghi nhận đã nhận định rằng ánh

sáng truyền đi với một vận tốc giới hạn. Gần một thiên niên kỉ sau này, khoảng chừng

năm 525 sau Công nguyên, nhà bác học và nhà toán học người La Mã Anicius

Boethius đã thử dẫn chứng bằng tài liệu tốc độ của ánh sáng, nhưng sau khi bị buộc tội

phản quốc và làm ma thuật, ông đã bị chém đầu vì nỗ lực mang tính khoa học của

mình. Kể từ những ứng dụng sớm nhất của loại bột đen dùng làm pháo hoa và tín hiệu

bởi người Trung Hoa, người ta đã tự hỏi về tốc độ của ánh sáng. Với lóe sáng và màu

sắc trước khi có tiếng nổ chừng vài giây, thật chẳng đòi hỏi phải có một tính toán gì

ghê gớm để nhận ra rằng tốc độ của ánh sáng hiển nhiên vượt quá tốc độ của âm thanh.

31

Bí mật ẩn sau các vụ nổ của người Trung Hoa đã dẫn đường cho họ tới phương

Tây trong giữa thế kỉ 19, và cùng với họ, đã mang theo những nghi vấn về tốc độ của

ánh sáng. Trước thời gian này, các nhà nghiên cứu phải xem lóe sáng của tia chớp theo

sau là tiếng sấm rền, thường xuất hiện trong những đám mưa to sấm dữ, nhưng không

đưa ra được bất cứ lời giải thích khoa học nào hợp lí về sự chậm trễ đó. Nhà bác học

người A Rập Alhazen là nhà khoa học nghiên cứu quang học nghiêm túc đầu tiên cho

rằng (vào khoảng năm 1000 sau Công nguyên) ánh sáng có một tốc độ hữu hạn, và vào

năm 1250, nhà quang học tiên phong người Anh Roger Bacon đã viết rằng tốc độ của

ánh sáng là hữu hạn, mặc dù rất nhanh. Tuy nhiên, đa số các nhà khoa học trong thời kì

này vẫn giữ quan điểm cho rằng tốc độ của ánh sáng là vô hạn và không thể nào đo

được.

Năm 1572, nhà thiên văn học nổi tiếng người Đan Mạch Tycho Brahe là người

đầu tiên mô tả sao siêu mới, xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia. Sau khi quan sát

một “ngôi sao mới” đột ngột xuất hiện trên nền trời, cường độ sáng của nó giảm dần,

và rồi biến mất dần khỏi tầm nhìn trong thời gian 18 tháng, nhà thiên văn cảm thấy bối

rối, nhưng lại kích thích trí tò mò. Những quan trắc các thiên thể mới lạ này khiến cho

Brahe và những người đương thời với ông đi tới chỗ nghi vấn về khái niệm phổ biến

cho rằng vũ trụ hoàn hảo và không thay đổi có tốc độ ánh sáng vô hạn. Niềm tin cho

rằng ánh sáng có tốc độ vô hạn khó bị thay thế, mặc dù một vài nhà khoa học đã bắt

đầu nghi vấn về tốc độ của ánh sáng vào thế kỉ thứ 16. Mãi tới năm 1604, nhà vật lí

người Đức Johannes Kepler chứng minh rằng tốc độ của ánh sáng là tức thời. Ông bổ

sung thêm ghi chú cho công trình công bố của ông rằng khoảng chân không trống rỗng

không hề làm chậm tốc độ của ánh sáng, làm cản trở, với một mức độ hữu hạn, cuộc

truy tìm của những người đương thời của ông tìm kiếm chất ête được cho là lấp đầy

không gian và đã mang ánh sáng đi.

Hình 3. Hình vẽ sự che khuất vệ tinh Io của sao Mộc của Roemer

Không lâu sau khi phát minh và một số cải tiến tương đối thô đối với kính thiên

văn, nhà thiên văn người Đan Mạch Ole Roemer (năm 1676) là nhà khoa học đầu tiên

thực hiện một cố gắng nghiêm khắc để ước tính tốc độ của ánh sáng. Bằng cách nghiên

cứu vệ tinh Io của sao Mộc và những che khuất thường xuyên của nó, Roemer có thể

tiên đoán được tính tuần hoàn của chu kì che khuất đối với vệ tinh này (hình 3). Tuy

nhiên, sau một vài tháng, ông lưu ý rằng những tiên đoán của ông trở nên kém chính

xác trước những khoảng thời gian tương đối lâu, tiến tới sai số cực đại khoảng 22 phút

(một sự chênh lệch tương đối lớn, nhất là khi xem xét quãng đường mà ánh sáng đi

được trong khoảng thời gian này). Rồi sau đó, đúng là kì quặc, những tiên đoán của

ông lại trở nên chính xác hơn trong một vài tháng, với chu kì tự lặp lại. Làm việc tại

32

Đài thiên văn Paris, Roemer sớm nhận ra rằng những sai lệch quan sát thấy là do sự

thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc, do quỹ đạo của các hành tinh này. Khi

sao Mộc đi xa khỏi Trái Đất, ánh sáng phải truyền một khoảng cách xa hơn, nên cần

nhiều thời gian hơn để tới được Trái Đất. Áp dụng những tính toán tương đối không

chính xác cho khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc được biết vào thời kì đó, Roemer

có thể ước tính tốc độ của ánh sáng chừng 137.000 nghìn dặm (hoặc 220.000 km) trên

giây. Hình 3 minh họa mô phỏng hình vẽ nguyên thủy của Roemer phác họa phương

pháp của ông dùng để xác định tốc độ ánh sáng.

Công trình của Roemer làm xôn xao cộng đồng khoa học, và nhiều nhà nghiên

cứu bắt đầu xem xét lại các luận cứ của họ về tốc độ vô hạn của ánh sáng. Chẳng hạn,

ngài Isaac Newton đã viết trong một chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông vào

năm 1687, Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Các nguyên lí toán học của triết học tự

nhiên), “Bây giờ có thể khẳng định từ hiện tượng các vệ tinh của Mộc tinh, được xác

nhận bởi quan trắc của các nhà thiên văn khác, rằng ánh sáng truyền đi liên tục và cần

khoảng 7 hoặc 8 phút để truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất”, đây thật sự là một ước tính

rất gần với tốc độ chính xác của ánh sáng. Quan điểm đáng kính và danh tiếng rộng rãi

của Newton là phương tiện để khởi động cuộc cách mạng khoa học, và giúp khởi

xướng các nghiên cứu mới bởi các nhà khoa học tán thành rằng tốc độ của ánh sáng là

hữu hạn.

Người tiếp theo mang tới một ước tính hữu ích cho tốc độ của ánh sáng là nhà

vật lí người Anh James Bradley. Năm 1728, một năm sau khi Newton qua đời, Bradley

đã ước tính tốc độ ánh sáng trong chân không xấp xỉ 301.000 km/giây, sử dụng

phương pháp quang sai của các sao. Những hiện tượng này là hiển nhiên bởi các thay

đổi biểu kiến vị trí của các sao do chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời.

Mức độ quang sai của các sao có thể xác định từ tỉ số của tốc độ quỹ đạo của Trái Đất

và tốc độ của ánh sáng. Bằng cách đo góc quang sai sao và áp dụng dữ liệu về tốc độ

quỹ đạo của Trái Đất, Bradley có thể đi tới một ước tính đặc biệt chính xác.

Năm 1834, Charles Wheatstones, nhà nghiên cứu kính vạn hoa và là nhà tiên

phong trong khoa âm học, đã thử đo tốc độ của dòng điện. Wheatstones phát minh ra

một dụng cụ sử dụng gương xoay và sự phóng điện qua chai Leyden để làm phát ra và

đo thời gian chuyển động của tia lửa điện qua gần như tám dặm dây dẫn. Thật không

may, các tính toán của ông (và có lẽ là do dụng cụ của ông) có sai sót nên Wheatstones

đã ước tính vận tốc của dòng điện là 288.000 dặm/giây, một sai lầm dẫn ông tới chỗ tin

rằng dòng điện truyền nhanh hơn ánh sáng. Nghiên cứu của Wheatstones sau này được

mở rộng bởi nhà khoa học người Pháp Dominique Francis Jean Arago. Mặc dù thất bại

khi cố gắng hoàn thành công trình của mình trước khi bị hỏng thị lực vào năm 1850,

nhưng Arago đã nhận định đúng đắn rằng ánh sáng truyền trong nước chậm hơn so với

trong không khí.

Trong khi đó, ở Pháp, các nhà khoa học kình địch nhau là Armand Fizeau và

Jean-Bernard-Leon Foucault độc lập nhau đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng, không dựa

trên các sự kiện thiên thể, mà khai thác những thuận lợi của khám phá của Arago và

mở rộng thiết kế gương xoay của Wheatstones. Năm 1849, Fizeau chế tạo được một

dụng cụ làm lóe ra một chùm ánh sáng qua một bánh xe răng cưa (thay cho gương

xoay) và rồi đi tới một gương cố định đặt cách đấy 5,5 dặm. Bằng cách quay bánh xe ở

tốc độ nhanh, ông có thể lái chùm tia qua khe nằm giữa hai răng cưa trên hành trình đi

33

ra xa và bắt lấy tia phản xạ trong khe lân cận trên hành trình quay trở lại. Với tốc độ

quay của bánh xe và khoảng cách truyền bởi xung ánh sáng đã biết, Fizeau có thể tính

được tốc độ ánh sáng. Ông cũng phát hiện thấy ánh sáng truyền trong không khí nhanh

hơn trong nước (xác nhận giả thuyết của Arago), một thực tế mà người đồng hương là

Foucault sau đó đã xác minh được bằng thực nghiệm.

Hình 4. Dụng cụ gương xoay của Foucault

Foucault dùng một gương xoay nhanh điều khiển bằng tuabin khí nén để đo tốc

độ ánh sáng. Trong thiết bị của ông (xem hình 4), một chùm ánh sáng hẹp truyền qua

một kẽ hở và rồi truyền qua một cửa sổ thủy tinh (đóng vai trò bộ tách chùm tia) có

mặt chia độ tinh vi trước khi chạm tới gương đang xoay nhanh. Ánh sáng phản xạ từ

gương xoay hướng qua một bộ gương cố định theo đường zigzag để tăng chiều dài

đường đi của thiết bị lên khoảng 20m mà không phải tăng tương ứng kích thước của

dụng cụ. Trong khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng phản xạ qua dãy gương và quay

trở lại gương xoay, một sự lệch nhỏ của vị trí gương xoay đã xảy ra. Rồi sau đó, ánh

sáng phản xạ từ vị trí bị lệch của gương xoay đi theo một hành trình mới trở lại nguồn

phát và đi vào kính hiển vi gắn trên thiết bị. Sự lệch nhỏ của ánh sáng có thể nhìn thấy

qua kính hiển vi và ghi lại. Bằng việc phân tích dữ liệu thu thập từ thí nghiệm của ông,

Foucault có thể tính được tốc độ ánh sáng là 298.000 km/giây (xấp xỉ 185.000

dặm/giây).

Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các

phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác ngoài không khí. Ông phát hiện

thấy tốc độ ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó

trong không khí, và ông cũng kết luận rằng tốc độ ánh sáng qua một môi trường cho

trước tỉ lệ nghịch với chiết suất. Kết quả đáng chú ý này phù hợp với những tiên đoán

về hành trạng ánh sáng đã được phát triển hàng trăm năm trước đó từ lí thuyết sóng

của sự truyền ánh sáng.

Dưới sự chỉ dẫn của Foucault, nhà vật lí người Mĩ gốc Ba Lan tên là Albert M.

Michelson đã nỗ lực gia tăng độ chính xác của phương pháp đó, và đã thành công

trong việc đo tốc độ ánh sáng vào năm 1878 với mẫu thiết bị phức tạp hơn đặt dọc theo

bức tường dài 2000 foot nằm trên đôi bờ sông Severn ở Maryland. Đầu tư các thấu

kính và gương chất lượng cao để hội tụ và phản xạ chùm ánh sáng trên quãng đường

dài hơn nhiều so với trong thí nghiệm của Foucault, Michelson tính được kết quả cuối

cùng là 186.355 dặm/giây (299.909 km/giây), cho phép sai số trong khoảng 30

dặm/giây. Do độ phức tạp tăng lên trong thiết kế thí nghiệm của ông, nên độ chính xác

34

của phương pháp Michelson cũng cao gấp hơn 20 lần so với phương pháp của

Foucault.

Hình 5. Giao thoa kế Michelson-Morley

Vào cuối những năm 1800, đa số các nhà khoa học vẫn tin rằng ánh sáng truyền

qua không gian bằng một môi trường trung chuyển gọi là ête. Michelson đã hợp sức

với nhà khoa học Edward Morley vào năm 1887 nghĩ ra một phương pháp thực

nghiệm tìm kiếm ête bằng cách quan sát sự thay đổi tương đối tốc độ của ánh sáng khi

Trái Đất hoàn thành vòng quay của nó xung quanh Mặt Trời. Để thực hiện mục tiêu

này, họ đã thiết kế một chiếc giao thoa kế tách một chùm ánh sáng và lại gửi mỗi chùm

tia đi theo hai đường khác nhau, mỗi đường dài 10m, bằng một dãy gương bố trí phức

tạp. Michelson và Morley giải thích rằng nếu như Trái Đất chuyển động qua môi

trường ête thì chùm tia phản xạ tới lui vuông góc với dòng ête sẽ phải truyền đi xa hơn

so với chùm tia phản xạ song song với dòng ête. Kết quả sẽ là sự trễ ở một trong hai

chùm tia có thể phát hiện khi hai chùm tia tái kết hợp qua hiện tượng giao thoa.

Thiết bị thí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng thật khổng lồ (hình 5).

Đặt trên một phiến đá đang quay từ từ rộng khoảng 5 feet vuông và dày 14 inch, thiết

bị được bảo vệ thêm bởi một hồ thủy ngân bên dưới đóng vai trò bộ giảm sốc không có

ma sát để loại bỏ các dao động ảnh hưởng từ phía Trái Đất. Một khi phiến đá được đưa

vào chuyển động, thu được tốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ, mất tới hàng giờ mới có

tạm dừng lần nữa. Ánh sáng truyền qua bộ tách chùm, và phản xạ bởi hệ thống gương,

được xác định với một chiếc kính hiển vi quan sát vân giao thoa, nhưng cả hai nhà

khoa học đều không quan sát thấy gì. Tuy nhiên, Michelson đã sử dụng giao thoa kế

của ông để xác định chính xác tốc độ của ánh sáng là 186.320 dặm/giây (299.853

km/giây), một giá trị vẫn được xem là chuẩn trong vòng 25 năm tiếp sau đó. Thất bại

trong việc phát hiện sự thay đổi tốc độ ánh sáng bởi thí nghiệm Michelson-Morley đã

đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận về ête, cuối cùng đã đưa tới lí thuyết của Albert

Einstein vào đầu thế kỉ 20.

Năm 1905, Einstein công bố thuyết tương đối đặc biệt của ông, sau đó là thuyết

tương đối tổng quát vào năm 1915. Lí thuyết thứ nhất đề cập tới sự chuyển động của

35

các vật thể ở vận tốc không đổi tương đối với nhau, còn lí thuyết thứ hai tập trung vào

gia tốc và mối liên hệ của nó với hấp dẫn. Do chúng thách thức những giả thuyết đã

tồn tại từ lâu, ví dụ như các định luật chuyển động của Isaac Newton, nên lí thuyết của

Einstein là một lực lượng cách mạng trong vật lí học. Ý tưởng về tính tương đối thể

hiện qua khái niệm cho rằng vận tốc của một vật chỉ có thể được xác định tương đối

với vị trí của nhà quan sát. Lấy ví dụ, một người đàn ông đang đi bên trong một chiếc

máy bay dân dụng cỡ lớn có vẻ đang đi ở tốc độ khoảng 1 dặm/giờ đối với hệ quy

chiếu là chiếc máy bay (còn chính chiếc máy bay đang chuyển động với vận tốc 600

dặm/giờ). Tuy nhiên, đối với một nhà quan sát ở mặt đất, người đàn ông đó đang

chuyển động ở vận tốc 601 dặm/giờ.

Einstein đã giả sử trong các tính toán của ông rằng tốc độ của ánh sáng truyền

giữa hai hệ quy chiếu vẫn giữ nguyên không đổi đối với các nhà quan sát ở cả hai nơi.

Do nhà quan sát ở hệ quy chiếu này sử dụng ánh sáng để xác định vị trí và vận tốc của

các vật trong hệ quy chiếu kia, nên điều này làm thay đổi cách mà nhà quan sát có thể

liên hệ vị trí và vận tốc của các vật. Einstein sử dụng khái niệm này để tìm ra một vài

công thức quan trọng mô tả cách các vật thể trong một hệ quy chiếu xuất hiện khi nhìn

từ hệ quy chiếu kia đang chuyển động đều tương đối với hệ quy chiếu thứ nhất. Kết

quả của ông đưa tới một số kết quả khác thường, mặc dù hiệu ứng chỉ trở nên đáng kể

khi vận tốc tương đối của vật đạt gần tới tốc độ ánh sáng. Tóm lại, hàm ý chính của

những lí thuyết cơ bản của Einstein và phương trình tương đối tính thường được trích

dẫn của ông

E= mc2

có thể tóm tắt như sau:

Chiều dài của một vật giảm, tương đối đối với nhà quan sát, khi vận tốc của

vật tăng.

Khi một hệ quy chiếu đang chuyển động, các khoảng thời gian trở nên ngắn

hơn. Nói cách khác, một nhà du hành vũ trụ chuyển động với tốc độ ánh

sáng hoặc gần tốc độ ánh sáng có thể rời Trái Đất trong nhiều năm và quay

trở lại trải qua khoảng thời gian mất có vài ba tháng.

Khối lượng của một vật đang chuyển động tăng theo vận tốc của nó, và khi

vận tốc đạt tới tốc độ ánh sáng thì khối lượng tiến tới vô cùng. Vì lí do này

nên người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng là

không thể có được, bởi vì để gia tốc đến khối lượng vô hạn cần một lượng

năng lượng vô hạn.

Mặc dù lí thuyết của Einstein ảnh hưởng đến toàn bộ thế giới vật lí, nhưng nó

có những quan hệ đặc biệt quan trọng đối với những nhà khoa học đang nghiên cứu

ánh sáng. Lí thuyết giải thích được tại sao thí nghiệm Michelson-Morley thất bại trong

việc tạo ra những kết quả như mong đợi, thúc đẩy các nghiên cứu khoa học nghiêm túc

hơn về bản chất của ête xem là môi trường trung chuyển ánh sáng. Nó cũng chứng

minh được rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân

không, và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không thay đổi. Trong khi đó, các

nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sử dụng các thiết bị ngày càng phức tạp để đo giá

trị chính xác của tốc độ ánh sáng và giảm sai số trong các phép đo này.

36

Các phép đo vận tốc ánh sáng

Năm Nhà nghiên cứu Phương pháp Giá trị ước tính

km/giây

1667 Galileo Galilei Đèn lồng có mái che 333,5

1676 Ole Roemer Vệ tinh của sao Mộc 220.000

1726 James Bradley Hiện tượng quang sai 301.000

1834 Charles Wheatstone Gương quay 402.336

1838 Francis Arago Gương quay

1849 Armand Fizeau Bánh xe quay 315.000

1862 Leon Foucault Gương quay 298.000

1868 James Clerk Maxwell Tính toán lí thuyết 284.000

1875 Marie-Alfred Cornu Gương quay 299.990

1879 Albert Michelson Gương quay 299.910

1888 Heinrich Rudolf Hertz Bức xạ điện từ 300.000

1889 Edward Bennett Rosa Phép đo điện 300.000

1890s Henry Rowland Quang phổ kế 301.800

1907 Edward Bennett Rosa và Noah Dorsey Phép đo điện 299.788

1923 Andre Mercier Phép đo điện 299.795

1926 Albert Michelson Gương quay (giao thoa kế) 299.798

1928 August Karolus và Otto Mittelstaedt Lá chắn Kerr 299.778

1932 - 1935 Michelson và Pease Gương quay (giao thoa kế) 299.774

1947 Louis Essen Hộp cộng hưởng 299.792

1949 Carl I. Aslakson Radar Shoran 299.792,4

1951 Keith Davy Froome Giao thoa kế vô tuyến 299.792,75

1973 Kenneth M. Evenson Laser 299.792,457

1978 Peter Woods và Colleagues Laser 299.792,4588

Vào cuối thế kỉ 19, những tiến bộ đạt được trong công nghệ vô tuyến và vi sóng

đã mang lại phương pháp mới lạ cho việc đo tốc độ ánh sáng. Năm 1888, hơn 200 năm

sau những quan trắc thiên thể tiên phong của Roemer, nhà vật lí người Đức Heinrich

Rudolf Hertz đo được tốc độ của sóng vô tuyến. Hertz thu được giá trị gần 300.000

km/giây, xác nhận lí thuyết của James Clerk Maxwell cho rằng sóng vô tuyến và ánh

sáng đều là các dạng của bức xạ điện từ. Một bằng chứng nữa thu thập trong những

năm 1940 và 1950, khi nhà vật lí người Anh Keith Davy Froome sử dụng sóng vô

tuyến và Louis Essen sử dụng vi sóng tiến hành đo đạc chính xác hơn tốc độ của bức

xạ điện từ.

Maxwell cũng được ghi nhận với việc định nghĩa tốc độ ánh sáng và các dạng

khác của bức xạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suy luận toán học. Trong

nghiên cứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liên hệ giữa điện và từ, Maxwell đã lí thuyết

hóa rằng một điện trường biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến thiên, một điều ngược lại

với định luật Faraday. Ông đề xuất rằng sóng điện từ bao gồm các sóng dao động điện

và từ kết hợp, và tính được vận tốc của những sóng này truyền trong không gian như

sau:

Vận tốc (v) = 1/ ( . )1/2

trong đó là hằng số điện môi, và là độ từ thẩm của không gian tự do, hai hằng số

này có thể đo được với mức độ chính xác tương đối cao. Kết quả là một giá trị rất gần

với tốc độ ánh sáng đo được.

Năm 1891, tiếp tục những nghiên cứu của ông về tốc độ ánh sáng và thiên văn

học, Michelson chế tạo một giao thoa kế cỡ lớn sử dụng kính thiên văn khúc xạ tại Đài

quan sát Lick ở California. Những quan trắc của ông dựa trên sự trễ thời gian tới của

37

ánh sáng khi quan sát các vật thể ở xa, ví dụ như các sao, có thể phân tích định lượng

để đo được cả kích thước của thiên thể và tốc độ ánh sáng. Gần 30 năm sau, Michelson

di chuyển thí nghiệm của ông tới Đài quan sát núi Wilson, và áp dụng cùng kĩ thuật

trên với kính thiên văn 100 inch, kính thiên văn lớn nhất thế giới lúc bấy giờ.

Bằng cách hợp nhất thêm một gương xoay hình bát giác vào thiết kế thí nghiệm

của ông, Michelson đạt tới giá trị 299.845 km/giây cho tốc độ ánh sáng. Mặc dù

Michelson chết trước khi hoàn tất thí nghiệm của ông, nhưng người cộng sự của ông

tại núi Wilson, Francis G. Pease, tiếp tục sử dụng kĩ thuật có tính sáng kiến chỉ đạo

nghiên cứu trong những năm 1930. Sử dụng một giao thoa kế cải tiến, Pease thực hiện

hàng loạt phép đo trong vài năm và cuối cùng đã xác định được giá trị chính xác cho

tốc độ ánh sáng là 299.774 km/giây, phép đo chính xác nhất thu được tính đến thời

điểm đó. Vài năm sau, vào năm 1941, cộng đồng khoa học đã đặt ra một chuẩn cho tốc

độ ánh sáng. Giá trị này, 299.773 km/giây, dựa trên một tài liệu biên soạn từ những

phép đo chính xác nhất của thời kì đó. Hình 6 biểu diễn những phép đo tốc độ ánh sáng

trong vòng 200 năm qua.

Hình 6. Những phép đo tốc độ ánh sáng (1878 – 1983)

Vào cuối thập niên 1960, laser trở thành công cụ nghiên cứu ổn định với tần số

và bước sóng có tính xác định cao. Một điều nhanh chóng trở nên hiển nhiên là một

phép đo đồng thời cả tần số và bước sóng sẽ mang lại giá trị rất chính xác cho tốc độ

ánh sáng, tương tự như phương pháp thực nghiệm đã được tiến hành bởi Keith Davy

Froome bằng vi sóng vào năm 1958. Một vài nhóm nghiên cứu ở Mĩ và một số nước

khác đã đo tần số của vạch 633 nanomét từ laser helium-neon và thu được kết quả

chính xác cao. Năm 1972, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (Mĩ) đã dùng kĩ

thuật laser đo được tốc độ 299.792.458 m/s (186.282 dặm/giây), kết quả cuối cùng

trong việc định nghĩa lại đơn vị mét qua một ước tính chính xác cao cho tốc độ ánh

sáng.

Khởi đầu với những cố gắng mang tính đột phá vào năm 1676 của Roemer, tốc

độ ánh sáng đã được đo ít nhất là 163 lần bằng nhiều kĩ thuật đa dạng bởi hơn 100 nhà

nghiên cứu (xem bảng ở trên). Khi các phương pháp và dụng cụ khoa học được cải

tiến, giới hạn sai số của sự ước tính được thu hẹp, mặc dù tốc độ ánh sáng không thay

đổi đáng kể kể từ những tính toán hồi thế kỉ thứ 17 của Roemer. Cuối cùng, vào năm

1983, hơn 300 năm sau cố gắng đo đạc nghiêm túc đầu tiên, tốc độ ánh sáng được định

nghĩa là 299.792,458 km/s bởi Đại hội toàn thể lần thứ 17 về Cân nặng và Đo lường.

38

Như vậy, mét được định nghĩa là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi được trong chân

không trong khoảng thời gian 1/299.792.458 giây. Tuy nhiên, nói chung (cả trong

nhiều tính toán khoa học), tốc độ ánh sáng được làm tròn là 300.000 km (hoặc 186.000

dặm) trên giây. Việc đạt được một giá trị chuẩn cho tốc độ ánh sáng có tầm quan trọng

đối với việc thiết lập một hệ đơn vị quốc tế cho phép các nhà khoa học từ khắp nơi trên

thế giới so sánh dữ liệu và tính toán của họ với nhau.

Có một cuộc tranh luận ôn hòa về bằng chứng tồn tại cho thấy tốc độ ánh sáng

đang giảm đi kể từ thời Big Bang, lúc nó có thể di chuyển nhanh hơn nhiều, như một

số nhà nghiên cứu đã đề xuất. Mặc dù các luận cứ được đưa ra và phản đối kéo dài

cuộc tranh luận này, nhưng đa số các nhà khoa học vẫn đoan chắc rằng tốc độ ánh sáng

là một hằng số. Các nhà vật lí cho rằng tốc độ ánh sáng thực sự như đã đo được bởi

Roemer và những người tiếp sau ông không có sự thay đổi đáng kể, mà chỉ có một loạt

cải tiến trong các thiết bị khoa học liên quan tới việc làm tăng độ chính xác của phép

đo dùng để thiết lập tốc độ ánh sáng. Ngày nay, khoảng cách giữa Mộc tinh và Trái

Đất được biết với độ chính xác cao, cũng như đường kính của hệ Mặt Trời và đường đi

quỹ đạo của các hành tinh. Khi các nhà nghiên cứu áp dụng dữ liệu này để làm việc lại

với những tính toán đã được thực hiện trong vài thế kỉ qua, họ thu được giá trị cho tốc

độ ánh sáng có thể so sánh được với giá trị thu được với những thiết bị hiện đại và

phức tạp hơn.

39

KĨ THUẬT HIỂN VI HUỲNH QUANG

Khi các mẫu vật, sống hay không sống, hữu cơ hoặc vô cơ, hấp thụ rồi tái phát

xạ ánh sáng, quá trình được gọi là hiện tượng phát sáng quang hóa. Nếu sự phát xạ ánh

sáng vẫn kéo dài tới vài giây sau khi năng lượng (ánh sáng) kích thích thôi tác dụng,

thì hiện tượng được gọi là lân quang. Còn hiện tượng huỳnh quang mô tả sự phát xạ

ánh sáng chỉ tiếp tục diễn ra khi đang hấp thụ ánh sáng kích thích. Khoảng thời gian

giữa lúc hấp thụ ánh sáng kích thích và lúc tái phát xạ ánh sáng trong hiện tượng

huỳnh quang là cực kì ngắn, thường dưới một phần triệu giây.

Hình 1. Quan sát của Stoke

Hiện tượng huỳnh quang được biết đến vào giữa thế kỉ 19. Nhà khoa học người

Anh George G. Stoke lần đầu tiên quan sát thấy khoáng vật fluorite biểu hiện huỳnh

quang khi được rọi bằng ánh sáng tử ngoại, và ông đã đặt ra từ “huỳnh quang”. Stoke

nhận thấy ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn ánh sáng kích thích, một hiện

tượng trở nên nổi tiếng dưới cái tên sự lệch Stoke. Trong hình 1, một photon bức xạ tử

ngoại (màu tím) va chạm với một electron trong một nguyên tử, kích thích và đưa

electron lên mức năng lượng cao hơn. Sau đó, electron kích thích rơi xuống mức thấp

hơn và phát ra ánh sáng dưới dạng một photon năng lượng thấp hơn (màu đỏ) trong

vùng ánh sáng khả kiến. Hình 2 là biểu đồ biểu diễn vùng ánh sáng khả kiến của bức

xạ điện từ, với bước sóng trải rộng từ xấp xỉ 400 đến 700 nanomét. Bao quanh vùng

khả kiến là ánh sáng tử ngoại có năng lượng cao hơn và ánh sáng hồng ngoại có năng

lượng thấp hơn.

Hình 2. Phổ ánh sáng “trắng”

Hiển vi huỳnh quang là một phương pháp tiên tiến để nghiên cứu vật chất có thể

làm cho phát huỳnh quang, hoặc dưới dạng tự nhiên (gọi là sự tự phát huỳnh quang,

hoặc huỳnh quang sơ cấp), hoặc sau khi xử lí với các hóa chất có khả năng huỳnh

quang (gọi là huỳnh quang thứ cấp). Hiển vi huỳnh quang là sáng chế vào đầu thế kỉ

19 của August Kor, Carl Reichert, và Heinrich Lehmann, và nhiều người khác. Tuy

nhiên, tiềm năng của thiết bị này không được nhận ra trong nhiều thập kỉ, và kính hiển

40

vi huỳnh quang hiện nay là một công cụ quan trọng (có lẽ là không thể thiếu) trong

ngành sinh học tế bào.

Những nghiên cứu ban đầu cho thấy nhiều mẫu vật, gồm các vi khoáng vật, tinh

thể, nhựa thông, thuốc thô, bơ, chất diệp lục, vitamin, và các hợp chất vô cơ, biểu hiện

huỳnh quang tự phát khi được chiếu sáng bằng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, mãi cho

đến những năm 1930 thì nhà nghiên cứu người Áo Max Haitinger và các nhà khoa học

khác mới phát triển được kĩ thuật huỳnh quang thứ cấp, sử dụng phẩm màu

fluorochrome nhuộm các thành phần mô đặc biệt, vi khuẩn, và những mầm bệnh khác

không thể phát huỳnh quang tự phát. Các phẩm màu fluorochrome này, gắn với các

mục tiêu hóa sinh đặc biệt, đã khích lệ việc sử dụng kính hiển vi huỳnh quang. Giá trị

của thiết bị này được nâng cao đáng kể vào những năm 1950 khi Albert Coons và

Nathan Kaplan chứng minh được sự định vị của kháng nguyên trong mô phản ứng với

kháng thể gắn fluorescein.

Công việc chính của hiển vi huỳnh quang là cho phép ánh sáng kích thích chiếu

sáng mẫu vật, và rồi tách ánh sáng huỳnh quang phát xạ yếu hơn nhiều ra khỏi ánh

sáng kích thích mạnh hơn. Như vậy, chỉ có ánh sáng phát ra từ mẫu vật đi tới mắt hoặc

một máy dò khác nào đó (thường là một camera kĩ thuật số hoặc camera phim thông

thường). Những vùng huỳnh quang thu được chiếu sáng rực rỡ trên nền tối với độ

tương phản đủ để phát hiện được. Phông nền phía sau chất không huỳnh quang càng

tối thì thiết bị càng có hiệu quả.

Hình 3 biểu diễn một hình dung có tính hình học về sự kiện xảy ra khi một mẫu

vật huỳnh quang được quan sát bằng một kính hiển vi huỳnh quang. Ánh sáng tử ngoại

có bước sóng hoặc tập hợp bước sóng nhất định được tạo ra bằng cách cho ánh sáng

phát ra từ nguồn phát tử ngoại đi qua bộ lọc kích thích. Ánh sáng tử ngoại được lọc sẽ

chiếu sáng mẫu vật, trong trường hợp này là tinh thể fluorite, chất sẽ phát ra ánh sáng

huỳnh quang khi được rọi sáng bằng ánh sáng tử ngoại. Ánh sáng khả kiến phát ra từ

mẫu vật, có màu đỏ trong hình 3, sau đó được lọc qua một tấm lọc chắn không cho ánh

sáng tử ngoại phản xạ đi qua. Cần chú ý rằng đây là phương thức hiển vi duy nhất

trong đó mẫu vật, sau khi bị kích thích, tạo ra ánh sáng riêng của nó. Ánh sáng phát xạ

tỏa ra theo mọi hướng (góc 360 độ), không cần biết đến hướng của ánh sáng kích

thích.

Hình 3. Nguyên lí kích thích và phát xạ

41

Hiển vi huỳnh quang là công cụ nghiên cứu vô giá và phổ biến nhanh chóng.

Lợi thế của nó dựa trên những thuộc tính mà các công nghệ hiển vi quang khác không

dễ gì có được. Việc sử dụng fluorochrome khiến nó có thể nhận dạng được các tế bào

và các thành phần tế bào hạ hiển vi và những thực thể khác có mức độ đặc trưng cao

nằm giữa vật chất không huỳnh quang. Hơn nữa, hiển vi huỳnh quang có thể phát hiện

sự có mặt của chất huỳnh quang với độ nhạy tinh vi. Một số lượng rất nhỏ phân tử

huỳnh quang (cỡ 500 phân tử trên micro mét khối) có thể được phát hiện. Trong một

mẫu vật cho trước, qua việc sử dụng phẩm nhuộm bội, các đầu dò khác nhau sẽ phát

hiện sự có mặt của từng phân tử mục tiêu một. Mặc dù kính hiển vi huỳnh quang

không cho độ phân giải không gian dưới giới hạn nhiễu xạ của mẫu vật tương ứng,

nhưng sự có mặt của các phân tử huỳnh quang ở dưới giới hạn đó vẫn có thể nhìn thấy

rõ rệt.

Kĩ thuật hiển vi huỳnh quang có thể áp dụng cho chất hữu cơ, chất sống (sinh

vật) thuở xưa, hoặc cho các chất sống (với việc sử dụng huỳnh quang trong ống

nghiệm hoặc trong cơ thể sống) hoặc cho chất vô cơ (đặc biệt trong việc nghiên cứu

các chất gây ô nhiễm trong bánh xốp bán dẫn). Cũng có một số nghiên cứu đang tăng

triển sử dụng đầu dò huỳnh quang để ghi lại sự thay đổi nhanh chóng sự tập trung ion

sinh lí, như calcium và magnesium, và độ pH trong tế bào sống.

Nhiều mô thực vật và động vật, cũng như các mẫu vật chất, vốn đã huỳnh quang

khi bị rọi sáng bằng ánh sáng bước sóng ngắn (huỳnh quang tự phát hay sơ cấp). Sự

huỳnh quang tự phát cũng tìm thấy ứng dụng trong nghiên cứu thực vật, hóa thạch than

đá, thạch học đá trầm tích, và trong công nghiệp bán dẫn. Trong nghiên cứu mô động

vật hoặc mầm bệnh, huỳnh quang tự phát ít có tác dụng. Có ích lợi nhiều hơn là các

mẫu vật fluorochrome ngoại lai (còn gọi là fluorophore) được kích thích bằng cách rọi

sáng, và lượng ánh sáng phát ra có cường độ mạnh hơn. Sự huỳnh quanh như vậy gọi

là huỳnh quang thứ cấp.

Fluorochrome là phẩm màu, tự gắn chúng với vật chất hữu cơ nhìn thấy hoặc

dưới ngưỡng nhìn thấy. Các chất fluorochrome này, có khả năng hấp thụ và rồi tái phát

xạ ánh sáng, thường có độ lợi lớn trong tỉ số hấp thụ - phát xạ (một khái niệm được gọi

là độ lợi lượng tử). Điều này khiến cho fluorochrome cực kì có giá trị trong các ứng

dụng sinh vật học. Việc tăng cường sử dụng hiển vi huỳnh quang liên quan chặt chẽ

với sự phát triển hàng trăm chất fluorochrome có đường cong cường độ kích thích (hấp

thụ) và phát xạ đã biết và các mục tiêu cấu trúc sinh học đã được hiểu rõ.

Minh họa trong hình 4 là hai loại chất fluorochrome được sử dụng phổ biến nhất

trong hiển vi huỳnh quang. Acid nucleic nhuộm 4',6-diamidino-2-phenylindole

(DAPI), phân tử phía bên trái trong hình 4, là một dẫn xuất indole có hai nửa

nucleophilic amidino cao, thường dùng đánh dấu huỳnh quang cho acid nucleic, và

được sử dụng rộng rãi trong phép phân tích huỳnh quang nhằm nhận dạng nhanh mầm

bệnh. Ban đầu được tổng hợp dưới dạng chất chống trypanosomal tiềm năng, DAPI

thường thích gắn nó với các vùng cặp bazơ adenosine và thymidine (A-T) trong DNA

và được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại với độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 355nm.

Phẩm nhuộm này phát huỳnh quang trong vùng xanh lam của phổ ánh sáng khả kiến.

Phân tử DAPI phía bên phải (hình 4) là một loại fluorochrome khác, Texas Red, có

tính chất huỳnh quang kết hợp đã được nghiên cứu kĩ lưỡng. Loại fluorochrome này

được phát triển cho việc đánh dấu kép trong một ứng dụng gọi là dòng cytometry,

42

nhưng được dùng rộng rãi ở nơi có rhodamine (một loại chất fluorochrome khác) để dò

tìm kháng thể trong hiển vi huỳnh quang.

Trong nhiều trường hợp, Texas Red được dùng chung với DAPI và fluorescein

isothiocyanate (FITC) để nhuộm các mẫu vật có thể quan sát được do sự phát huỳnh

quang đỏ, lam và lục của thuốc nhuộm. Khi quyết định chọn loại nhãn sử dụng cho

hiển vi huỳnh quang, cần phải ghi nhớ rằng fluorochrome được chọn phải rất có thể

hấp thụ và kích thích ánh sáng và vẫn phải gắn với phân tử mục tiêu. Fluorochrome

cũng phải có khả năng cho lượng ánh sáng huỳnh quang phát xạ thỏa đáng.

Hình 4. Các chất fluorofore phổ biến

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hiển vi huỳnh quang là trong

lĩnh vực huỳnh quang miễn dịch. Một sinh vật sống tạo ra vô số kháng thể được sử

dụng cùng với các tế bào bạch cầu để làm trung hòa các cá thể ngoại lai xâm nhập vào

như virus, vi khuẩn, và các protein ngoại lai, chứa hoặc sinh ra kháng nguyên. Phản

ứng kháng nguyên - kháng thể rất đặc trưng, thường có thể hình dung như mối quan hệ

giữa chìa khóa và ổ khóa. Huỳnh quang miễn dịch có sự thành công trong việc kết hợp

hài hòa giữa độ nhạy của kính hiển vi quang học và mức độ đặc trưng cao biểu hiện

bởi miễn dịch học.

Trong kĩ thuật huỳnh quang miễn dịch trực tiếp, một kháng thể nào đó được

đánh dấu bằng cách gắn hóa chất fluorochrome để tạo ra một cái gọi là một tiếp hợp,

sau đó phết lên bản kính của kính hiển vi nghi ngờ có mặt một kháng nguyên nào đó,

gọi là kích thích việc sản sinh kháng thể. Nếu kháng nguyên có mặt, thì tiếp hợp kháng

thể được đánh dấu sẽ kết hợp với kháng nguyên và vẫn gắn chặt trong mẫu vật sau khi

rửa sạch. Sự có mặt của tiếp hợp huỳnh quang được gắn bằng hóa chất và kháng

nguyên được chứng minh khi fluorochrome bị kích thích tại cực đại kích thích của nó,

và sau đó cường độ phát xạ ở các bước sóng khác nhau có thể quan sát được bằng mắt

hoặc ghi lại bằng một hệ máy dò (camera kĩ thuật số hoặc camera truyền thống).

Một kĩ thuật cũng được sử dụng phổ biến nữa gọi là huỳnh quang miễn dịch

gián tiếp, trong đó huyết thanh có khả năng chứa kháng thể chưa đánh dấu và kháng

nguyên liên quan của nó, nhưng chưa rõ, ủ chung với nhau. Cho fluorochrome tiếp hợp

với kháng thể chống lại cơ thể người (nếu sử dụng mẫu vật của con người) rồi đặt lên

bản kính chứa kháng thể - kháng nguyên chưa được đánh dấu. Nếu thực là như vậy thì

sẽ có phản ứng kháng nguyên – khảng thể, kháng thể chống lại cơ thể người được đánh

dấu bằng fluorochrome tự gắn nó với phức hợp hình thành bởi kháng nguyên và kháng

thể. Sau đó, sự tạo nhóm của kháng nguyên, kháng thể đánh dấu, và kháng thể chống

lại cơ thể người được đánh dấu fluorochrome được kích thích ở bước sóng cực đại sao

cho fluorochrome và bất cứ sự phát xạ nào cũng đều quan sát được. Kĩ thuật huỳnh

43

quang miễn dịch gián tiếp làm giảm nhu cầu phải giữ trong kho dự trữ một số lượng

lớn kháng thể đánh dấu, và cũng thường thu được cường độ huỳnh quang mạnh hơn.

Một lĩnh vực nghiên cứu huỳnh quang quan trọng nữa có liên quan tới việc

nhuộm mô hóa học và hóa học tế bào. Fluorochrome được dùng để nhận dạng nhiễm

sắc thể, DNA, protein, cấu trúc tế bào, hóocmôn và vitamin. Hiển vi huỳnh quang là

công cụ mạnh mẽ trong những nghiên cứu đó do độ nhạy tinh vi của chất

fluorochrome được chọn và nét đặc trưng của chúng đối với những đại lượng cực kì

ngắn trong mẫu vật. Thật vậy, mặc dù kính hiển vi huỳnh quang bị giới hạn độ phân

giải trong không gian của nó theo các quy luật thông thường chi phối bởi giới hạn

nhiễu xạ và khẩu độ, nhưng các đầu dò huỳnh quang có thể, thông qua ánh sáng phát

xạ, phát hiện sự có mặt của chất huỳnh quang bằng cách làm cho những chất đó trở

nên nhìn thấy được thậm chí cả khi chúng chỉ có mặt dưới độ phân giải của kính

(chẳng hạn chỉ vài ba phân tử).

Một nhóm ứng dụng đang được triển khai của kĩ thuật hiển vi huỳnh quang là

việc sử dụng các đầu dò huỳnh quang (fluorochrome) đối với vật chất sống, cả trong

ống nghiệm và trong cơ thể sống. Khó khăn nhân lên đối với các đầu dò này là do

chúng có thể có tính độc. Ngoài ra cũng phải chú ý nhiều đến các khoảng thời gian trôi

qua do bản chất thay đổi không ngừng của các quá trình sống và sự di chuyển cấu trúc

nội bào. Nghiên cứu huỳnh quang được ứng dụng làm thay đổi sự tập trung ion, liên

kết và không liên kết, đối với các ion sinh học quan trọng như hydrogen (pH), calcium

và magnesium.

Nổi tiếng nhất là các nghiên cứu về calcium nội bào sử dụng đầu dò huỳnh

quang phổ biến Fura-2. Đối với phẩm nhuộm này, sự kích thích kép ở bước sóng

khoảng 340 và 380 nanomét (bằng công tắc ánh sáng và bộ lọc kích thích kép) có thể

ghi lại ở một bước sóng phát xạ, bước sóng này được đo độc lập đối với mỗi dải kích

thích. Một máy tính chủ điều khiển kính hiển vi được dùng để tính toán tỉ lệ giới hạn

calcium nội bào tự do qua sự thay đổi cường độ phát xạ huỳnh quang. Lợi thế của

phương pháp tỉ lệ nằm ở chỗ là về cơ bản tất cả các yếu tố được giữ không đổi, trừ khi

các bước sóng kích thích kép tử ngoại gần, mỗi bước sóng tạo ra sự phát xạ trong phần

lục của phổ ánh sáng khả kiến. Một loại chụp ảnh tỉ số tương tự được thực hiện với

đầu dò có tên là Indo-1. Đối với chất fluorochrome này, cũng dùng để xác định

calcium liên kết hoặc không liên kết nội bào, người ta sử dụng một bước sóng kích

thích, nhưng sự phát xạ đo được có hai bước sóng phân biệt calcium liên kết và

calcium không liên kết.

44

SỰ PHẢN XẠ ÁNH SÁNG

Sự phản xạ ánh sáng (và các dạng khác của bức xạ điện từ) xảy ra khi sóng

chạm phải một bề mặt hoặc một ranh giới khác không hấp thụ năng lượng bức xạ và

lảm bật sóng ra khỏi bề mặt đó. Thí dụ phản xạ ánh sáng đơn giản nhất là bề mặt của

một hồ nước phẳng lặng, ở đó ánh sáng tới bị phản xạ theo kiểu có trật tự, tạo ra ảnh rõ

ràng của quang cảnh xung quanh hồ. Ném một hòn đá xuống hồ (xem hình 1), và nước

bị nhiễu loạn hình thành sóng, làm phá vỡ sự phản xạ bởi làm tán xạ các tia sáng phản

xạ theo mọi hướng.

Hình 1. Sự phản xạ từ mặt nước

Một số lời giải thích sớm nhất cho sự phản xạ ánh sáng xuất phát từ nhà toán

học Hy Lạp cổ đại Euclid, người đã dẫn ra một loạt thí nghiệm vào khoảng năm 300

trước Công nguyên, và có vẻ đã có một sự hiểu biết tốt về cách ánh sáng bị phản xạ.

Tuy nhiên, phải mất hơn một thiên niên kỉ và 5 thế kỉ nữa thì nhà khoa học người Arab

Alhazen mới đề ra được một định luật mô tả chính xác điều xảy ra với tia sáng khi nó

chạm phải một bề mặt phẳng và rồi bật trở lại vào không gian.

Sóng ánh sáng đến gọi là sóng tới, và sóng bật khỏi bề mặt gọi là sóng phản xạ.

Ánh sáng trắng khả kiến có hướng đi đến bề mặt gương ở một góc (tới) bị phản xạ trở

lại vào không gian bởi mặt gương ở một góc khác (góc phản xạ) bằng với góc tới, như

biểu diễn trên hình 2 cho hoạt động của chùm tia sáng phát ra từ đèn flash tác dụng lên

bề mặt gương phẳng, nhẵn. Như vậy, góc tới bằng với góc phản xạ đối với ánh sáng

khả kiến cũng như mọi bước sóng khác thuộc phổ bức xạ điện từ. Ý tưởng này thường

được gọi là định luật phản xạ. Điều quan trọng cần lưu ý là ánh sáng không tách thành

các màu thành phần của nó do nó không bị “bẻ cong” hoặc bị khúc xạ, và mọi bước

sóng đều bị phản xạ ở góc bằng nhau. Bề mặt phản xạ ánh sáng tốt nhất phải rất nhẵn,

ví dụ như gương thủy tinh hoặc mặt kim loại láng bóng, mặc dù tất cả mọi bề mặt đều

phản xạ ánh sáng ở mức độ nào đó.

Do ánh sáng hành xử trong một số kiểu giống như sóng và trong một số kiểu

khác lại giống như hạt, nên một vài lí thuyết phản xạ ánh sáng độc lập nhau đã ra đời.

Theo thuyết sóng, sóng ánh sáng trải ra từ nguồn phát theo mọi hướng, và va chạm lên

gương, bị phản xạ ở góc được xác định bởi góc mà ánh sáng đi tới. Quá trình phản xạ

làm đảo ngược sóng sau ra trước, đó là lí do tại sao người ta lại nhìn thấy ảnh lộn

ngược. Hình dạng của sóng ánh sáng phụ thuộc vào kích thước của nguồn sáng và

khoảng cách mà ánh sáng truyền đi để chạm tới gương. Mặt sóng phát ra từ một nguồn

45

ở gần gương sẽ bị cong nhiều, còn mặt sóng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ gần như là

thẳng, nhân tố sẽ ảnh hưởng tới góc phản xạ.

Hình 2. Góc phản xạ bằng góc tới

Theo thuyết hạt, khác biệt với ý tưởng sóng ở một vài chi tiết quan trọng, thì

ánh sáng đi đến gương dưới dạng một dòng hạt nhỏ xíu, gọi là photon, chúng bật khỏi

bề mặt gương khi chạm phải. Vì các hạt quá nhỏ, chúng truyền đi rất gần nhau (hầu

như liên tục) và nảy trở lại từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng bị đảo

ngược lại, tạo ra ảnh gương. Tuy nhiên, dù cho ánh sáng là sóng hay là hạt thì kết quả

của sự phản xạ đều như nhau. Ánh sáng phản xạ tạo ra ảnh gương.

Lượng ánh sáng bị phản xạ bởi một vật, và cách thức nó bị phản xạ, phụ thuộc

nhiều vào mức độ nhẵn hoặc kết cấu của bề mặt vật. Khi các khiếm khuyết bề mặt nhỏ

hơn bước sóng của ánh sáng tới (như trường hợp gương), thì hầu như tất cả ánh sáng bị

phản xạ giống nhau. Tuy nhiên, trong thế giới thực, đa số các vật có bề mặt gồ ghề

biểu hiện sự phản xạ khuếch tán, với ánh sáng tới bị phản xạ theo mọi hướng. Nhiều

vật mà chúng ta nhìn thấy ngẫu nhiên trong cuộc sống hàng ngày (con người, xe hơi,

nhà cửa, động vật, cây cối,...) tự chúng không phát ra ánh sáng khả kiến mà phản xạ

ánh sáng Mặt Trời tự nhiên và ánh sáng nhân tạo đi tới chúng. Thí dụ, một quả táo

trông có màu đỏ chói vì nó có bề mặt tương đối nhẵn phản xạ ánh sáng đỏ và hấp thụ

các bước sóng không phải màu đỏ (như màu xanh lá cây, xanh dương, và vàng) của

ánh sáng. Sự phản xạ ánh sáng có thể phân loại thô thành hai loại phản xạ. Sự phản xạ

phản chiếu được định nghĩa là ánh sáng phản xạ từ một bề mặt nhẵn ở mộc góc xác

định, còn sự phản xạ khuếch tán được tạo ra bởi những bề mặt gồ ghề có xu hướng

phản xạ ánh sáng theo mọi hướng (như minh họa trong hình 3). Trong môi trường sống

hàng ngày của chúng ta, sự phản xạ khuếch tán xảy ra nhiều hơn so với phản xạ phản

chiếu.

Để hình dung sự khác nhau giữa phản xạ phản chiếu và phản xạ khuếch tán, hãy

xét hai bề mặt rất khác nhau, một cái gương nhẵn bóng và một bề mặt hơi đỏ gồ ghề.

Cái gương phản xạ mọi thành phần của ánh sáng trắng (như các bước sóng đỏ, lục,

lam) hầu như giống nhau, và ánh sáng phản xạ phản chiếu đi theo lộ trình có cùng góc

bình thường như ánh sáng tới. Tuy nhiên, bề mặt màu đỏ gồ ghề thì không phản xạ hết

mọi bước sóng, do nó hấp thụ hết đa phần thành phần lục và lam, và phản xạ ánh sáng

đỏ. Ánh sáng khuếch tán phản xạ từ những bề mặt gồ ghề cũng bị tán xạ ra theo mọi

hướng.

46

Hình 3. Phản xạ phản chiếu và phản xạ khuếch tán

Có lẽ thí dụ tốt nhất của sự phản xạ phản chiếu, mà chúng ta bắt gặp trong cuộc

sống hàng ngày, là ảnh gương tạo bởi một cái gương trong nhà mà ai cũng đã từng

nhiều lần đứng trước nó soi ngắm dung nhan mình. Bề mặt thủy tinh phản chiếu nhẵn

bóng của gương tạo ra một ảnh ảo của người quan sát do ánh sáng phản xạ đi thẳng trở

lại vào mắt. Ảnh này được gọi là ảo do nó không thật sự tồn tại (không có ánh sáng

được tạo ra) và xuất hiện phía sau mặt phẳng gương do giả định mà não người vốn dĩ

gây ra. Cách thức đơn giản nhất để thấy xuất hiện ảnh này là hãy hình dung khi nhìn sự

phản xạ của một vật đặt nằm về một phía của người quan sát, sao cho ánh sáng đi từ

vật chạm tới gương ở một góc nào đó và bị phản xạ ở một góc bằng như vậy tới mắt

của người quan sát. Khi mắt nhận được các tia phản xạ, não người đã giả định rằng ánh

sáng đi tới mắt theo lộ trình đường thẳng trực tiếp. Lần ngược theo các tia sáng đi về

phía gương, não thu được một ảnh nằm phía sau gương. Đặc điểm thú vị của sự phản

xạ này là ảnh của vật được quan sát thấy phía sau mặt phẳng gương, nằm cách gương

một khoảng bằng với khoảng cách từ gương tới vật thật nằm ở phía trước gương.

Loại phản xạ nhìn thấy trong gương phụ thuộc vào hình dạng của gương và,

trong một số trường hợp, còn phụ thuộc vào khoảng cách từ vật tới gương. Các gương

không phải lúc nào cũng phẳng và có thể tạo ra nhiều hình thể đa dạng mang lại những

đặc trưng phản xạ lí thú và hữu ích. Các gương lõm, thường thấy trong những chiếc

kính thiên văn quang học cỡ lớn, được dùng để thu thập ánh sáng yếu ớt phát ra từ

những ngôi sao rất xa xôi. Bề mặt cong của gương tập trung các tia sáng song song đến

từ khoảng cách lớn vào một điểm cho cường độ cao. Thiết kế gương này cũng thường

thấy ở gương cạo hoặc gương trang điểm, nơi ánh sáng phản xạ tạo ra ảnh phóng to

của khuôn mặt. Phần bên trong của một cái thìa sáng bóng là ví dụ phổ biến của bề mặt

gương lõm, và có thể được dùng để chứng minh một số tính chất của loại gương này.

Nếu phần bên trong của cái thìa được giữ ở gần mắt, sẽ nhìn thấy một ảnh phóng to

trực diện của mắt (trong trường hợp này, mắt gần với tiêu điểm của gương hơn). Nếu

cái thìa được mang ra xa, sẽ nhìn thấy một ảnh thu nhỏ lộn ngược của toàn bộ gương

mặt. Ở đây, ảnh bị lộn ngược do nó hình thành sau khi các tia phản xạ đi qua tiêu điểm

của bề mặt gương.

Một loại gương có bề mặt cong khác, gương lồi, thường dùng làm kính chiếu

hậu cho ô tô, xe máy, bề mặt gương uốn cong ra phía ngoài tạo ra tầm nhìn cảnh tượng

phía sau nhỏ hơn, toàn cảnh hơn. Khi các tia sáng song song chạm tới bề mặt gương

lồi, sóng ánh sáng bị phản xạ ra ngoài sao cho chúng phân kì. Khi não lần theo dấu vết

tia sáng, chúng có vẻ đến từ phía sau gương, nơi chúng sẽ phân kì, tạo ra ảnh thẳng

đứng nhỏ hơn (ảnh thẳng đứng vì ảnh ảo được hình thành trước khi các tia sáng đi qua

tiêu điểm). Gương lồi cũng được sử dụng làm gương góc nhìn rộng đặt ở các hành lang

47

và nơi buôn bán vì mục đích bảo mật và an toàn. Ứng dụng vui vẻ nhất của gương lồi

là những chiếc gương kì lạ tìm thấy ở các hội chợ, hội hè, và nhà cười. Những chiếc

gương này thường là kết hợp các bề mặt lồi và lõm hỗn hợp, hoặc các bề mặt thay đổi

độ cong chút ít, để tạo ra sự phản xạ kì quái, méo mó khi người ta nhìn vào hình của

chính mình.

Hình 4. Sự phản xạ ở các bề mặt lõm và lồi

Những chiếc thìa có thể dùng để mô phỏng gương lồi và gương lõm, như minh

họa trong hình 4 cho sự phản xạ của một người phụ nữ trẻ đứng bên cạnh một hàng rào

gỗ. Khi hình người phụ nữ và hàng rào bị phản xạ từ bề mặt hình bát bên ngoài (lồi)

của cái thìa, thì ảnh là thẳng đứng, nhưng bị méo mó ở cạnh ngoài do độ cong cái thìa

thay đổi. Trái lại, khi lật ngược cái thìa (bề mặt hình bát bên trong, hay bề mặt lõm) để

phản xạ quang cảnh thì ảnh của người phụ nữ và hàng rào bị lộn ngược.

Hình ảnh phản xạ thu được từ hai loại gương lồi và gương lõm được biểu diễn

trong hình 5. Gương lõm có bề mặt phản xạ cong vào trong, giống như phần bên trong

của một hình cầu. Khi ánh sáng song song với trục chính, hoặc trục quang, bị phản xạ

bởi bề mặt gương lõm (trong trường hợp này, ánh sáng đi từ chân của con cú mèo),

chúng hội tụ tại tiêu điểm (điểm màu đỏ) nằm phía trước gương. Khoảng cách từ bề

mặt phản xạ đến tiêu điểm được gọi là tiêu cự của gương. Kích thước của ảnh phụ

thuộc vào khoảng cách từ vật đến gương và vị trí của nó đối với gương. Trong trường

hợp, con cú mèo đặt nằm ngoài tâm cầu và ảnh phản xạ bị lộn ngược và nằm giữa tâm

cầu của gương và tiêu điểm của nó.

Hình 5. Sự phản xạ của mặt gương lõm và gương lồi

Gương lồi có bề mặt phản xạ cong ra phía ngoài, giống như phần phía ngoài của

hình cầu. Tia sáng song song với trục chính bị phản xạ khỏi bề mặt theo hướng phân kì

48

khỏi tiêu điểm nằm phía sau gương (hình 5). Ảnh hình thành với gương lồi luôn luôn

cùng chiều với vật và kích thước nhỏ lại. Những ảnh này cũng được gọi là ảnh ảo, vì

chúng xuất hiện nơi các tia phản xạ có vẻ phân kì từ tiêu điểm nằm phía sau gương.

Phương pháp cắt đá quý là một trong những ứng dụng quan trọng về mặt thẩm

mĩ và vui thích của nguyên lí phản xạ ánh sáng. Đặc biệt trong trường hợp kim cương,

vẻ đẹp và giá trị kinh tế của từng viên đá này chủ yếu được xác định bởi tương quan

hình học ở các mặt ngoài của đá. Các mặt được cắt vào viên kim cương sao cho đa

phần ánh sáng rơi vào mặt trước của viên đá đều phản xạ trở lại phía người quan sát

(hình 6). Một phần ánh sáng bị phản xạ trực tiếp từ những mặt bên ngoài phía trên, còn

một số đi vào kim cương, sau khi phản xạ nội, lại bị phản xạ ra khỏi viên đá từ những

bề mặt bên trong của các mặt phía sau. Những lộ trình tia sáng nội này và sự phản xạ

bội là nguyên nhân gây ra vẻ lấp lánh của kim cương, thường được gọi là “lửa” của nó.

Một hệ quả thú vị của một viên đá được cắt hoàn hảo là nó sẽ cho sự phản xạ rực rỡ

khi nhìn từ phía trước, nhưng trông nó sẽ tối hơn hoặc mờ đi nếu nhìn từ phía sau, như

minh họa trong hình 6.

Hình 6. Sự phản xạ của các mặt viên kim cương

Các tia sáng phản xạ khỏi gương theo mọi góc mà từ đó chúng tới. Tuy nhiên,

trong một số trường hợp nhất định, ánh sáng chỉ có thể phản xạ từ một số góc chứ

không theo những góc khác, đưa đến một hiện tượng gọi là sự phản xạ nội toàn phần.

Hiện tượng này có thể được minh họa bởi một tình huống trong đó một người thợ lặn

đang làm việc phía dưới mặt nước hoàn toàn êm đềm chiếu một lóe sáng trực tiếp

thẳng lên bề mặt nước. Nếu ánh sáng chạm vuông góc với bề mặt nước, nó sẽ tiếp tục

đi ra khỏi nước theo phương thẳng đứng vào không khí. Nếu chùm ánh sáng đi tới bề

mặt với một góc nhỏ, sao cho nó chạm tới bề mặt ở một góc xiên, thì chùm tia sẽ ló ra

khỏi nước, nhưng sẽ bị bẻ cong bởi sự khúc xạ về phía mặt phẳng nước. Góc hợp giữa

chùm tia ló và mặt nước sẽ nhỏ hơn góc hợp giữa chùm ánh sáng và bề mặt dưới nước.

Nếu người thợ lặn tiếp tục điều chỉnh góc ánh sáng sớt qua bề mặt nước, thì

chùm tia đi ra khỏi nước ngày càng gần bề mặt hơn, cho đến một số điểm nó sẽ song

song với bề mặt. Vì ánh sáng bị bẻ cong do khúc xạ, nên chùm tia ló sẽ trở nên song

song với bề mặt trước khi ánh sáng phía dưới nước chạm tới cùng một góc đó. Điểm

mà ở đó chùm tia ló trở nên song song với bề mặt xuất hiện gọi là góc tới hạn đối với

nước. Nếu ánh sáng được chiếu góc nhỏ hơn nữa thì không có tia nào ló ra cả. Thay vì

khúc xạ, toàn bộ ánh sáng sẽ phản xạ ở mặt nước trở lại nước giống như sự phản xạ ở

mặt gương.

Nguyên lí phản xạ nội toàn phần là cơ sở cho sự truyền ánh sáng trong sợi

quang mang lại các thủ tục y khoa như phép nội soi, truyền tín hiệu điện thoại mã hóa

dưới dạng xung ánh sáng, và những dụng cụ như các loại đèn rọi sáng sợi quang dùng

rộng rãi trong kính hiển vi và những công việc khác yêu cầu hiệu ứng chiếu sáng chính

49

xác. Lăng kính được dùng trong ống nhòm và camera phản xạ một thấu kính cũng sử

dụng sự phản xạ nội toàn phần để hướng ảnh qua vài góc 90 độ và đi vào mắt người sử

dụng. Trong trường hợp truyền tin sợi quang, ánh sáng đi vào một đầu sợi bị phản xạ

nội vô số lần từ thành sợi theo đường zic zắc tới đầu bên kia, không có ánh sáng nào

thoát ra khỏi thành sợi mỏng mảnh cả. Phương pháp “thổi” ánh sáng này có thể duy trì

trên những khoảng cách xa với vô số điểm uốn dọc theo đường dẫn sợi quang.

Sự phản xạ nội toàn phần chỉ có thể xảy ra dưới những điều kiện nhất định. Ánh

sáng phải truyền trong môi trường có chiết suất tương đối cao, và giá trị này phải cao

hơn giá trị chiết suất của môi trường bao quanh. Nước, thủy tinh, và nhiều chất plastic,

do đó, có thể được sử dụng khi chúng được bao quang bởi không khí. Nếu chọn chất

thích hợp, sự phản xạ của ánh sáng bên trong sợi hay ống quang sẽ xảy ra ở góc cạn so

với bề mặt bên trong (xem hình 7), và tất cả ánh sáng sẽ được giữ toàn bộ bên trong

ống cho tới khi nó đi ra khỏi đầu phía bên kia. Tuy nhiên, ở đầu vào sợi quang, ánh

sáng phải chạm tới ở góc tới lớn để truyền qua lớp bao và đi vào sợi.

Hình 7. Sự phản xạ nội toàn phần trong sợi quang

Nguyên lí phản xạ được khai thác lợi ích to lớn trong nhiều thiết bị và dụng cụ

quang học và thường gồm áp dụng nhiều cơ chế khác nhau để làm giảm sự phản xạ

khỏi bề mặt tham gia vào sự tạo ảnh. Cơ sở của công nghệ chống phản xạ là điều khiển

ánh sáng sử dụng trong dụng cụ quang theo kiểu sao cho các tia sáng phản xạ khỏi bề

mặt nơi nó được mong đợi và có lợi, và không phản xạ khỏi bề mặt nơi có ảnh hưởng

có hại lên ảnh quan sát được. Một trong những tiến bộ nổi bật nhất trong việc chế tạo

thấu kính hiện đại, dùng trong kính hiển vi, camera hoặc những dụng cụ quang khác, là

thành tựu của công nghệ phủ chống phản xạ.

Những lớp phủ mỏng loại vật liệu nhất định, khi áp dụng với bề mặt thấu kính,

có thể giúp làm giảm sự phản xạ không mong muốn từ bề mặt có khả năng xảy ra khi

ánh sáng truyền qua hệ thấu kính. Những thấu kính hiện đại được hiệu chỉnh cao đối

với sự quang sai, nói chung có nhiều thấu kính riêng rẽ, hoặc các đơn vị thấu kính, và

thường được gọi đúng hơn là hệ thấu kính hoặc hệ quang cụ. Mỗi mặt phân giới không

khí-thủy tinh trong một hệ như vậy, nếu không được phủ chất làm giảm sự phản xạ, có

thể phản xạ từ 4 đến 5% chùm ánh sáng tới thông thường khỏi bề mặt, kết quả là giá trị

truyền chỉ đạt 95 đến 96% ở sự tới bình thường. Ứng dụng của lớp phủ chống phản xạ

dày 1/4 bước sóng có chiết suất đặc biệt được chọn có thể làm tăng giá trị truyền thêm

3 tới 4%.

50

Vật kính hiện đại dùng cho kính hiển vi, cũng như dùng cho camera và các

quang cụ khác, ngày càng trở nên phức tạp và tinh vi hơn, và có thể gồm 15 hoặc nhiều

hơn đơn vị thấu kính ghép lại với nhiều mặt phân giới thủy tinh-không khí. Nếu không

có đơn vị nào được phủ chất, sự thất thoát do phản xạ trong thấu kính khỏi tia trục sẽ

làm giảm giá trị truyền đi khoảng 50%. Trước đây, những lớp phủ đơn lẻ đã được sử

dụng để làm giảm ánh chói và làm tăng sự truyền sáng, nhưng những lớp này dần bị

thay thế bởi những lớp phủ nhiều lớp có thể mang lại giá trị truyền trên 99,9% đối với

ánh sáng khả kiến.

Hình 8. Cấu trúc của thấu kính có lớp phủ chống phản xạ

Hình 8 là giản đồ mô tả sóng ánh sáng phản xạ từ một đơn vị thấu kính có hai

lớp phủ chống phản xạ. Sóng tới chạm phải lớp thứ nhất (lớp A trong hình 8) tại một

góc, kết quả là một phần ánh sáng bị phản xạ (R0) và một phần truyền qua lớp thứ

nhất. Khi đi vào lớp chống phản xạ thứ hai (lớp B), một phần khác của ánh sáng (R1)

bị phản xạ theo góc như cũ và giao thoa với ánh sáng phản xạ từ lớp thứ nhất. Một số

ánh sáng còn lại tiếp tục đi tới mặt thủy tinh, ở đó chúng lại bị phản xạ một phần và

một phần truyền qua. Ánh sáng phản xạ khỏi mặt thủy tinh (R2) giao thoa (cả tăng

cường và triệt tiêu) với ánh sáng phản xạ từ các lớp chống phản xạ. Chiết suất của các

lớp chống phản xạ khác với chiết suất của thủy tinh và môi trường bao quanh (không

khí), và được lựa chọn cẩn thận theo thành phần của thủy tinh dùng trong đơn vị thấu

kính nhất định để tạo ra góc khúc xạ mong muốn. Khi sóng ánh sáng truyền qua các

lớp phủ chống phản xạ và mặt thấu kính thủy tinh, gần như toàn bộ ánh sáng (phụ

thuộc vào góc tới) cuối cùng được truyền qua đơn vị thấu kính và hội tụ để tạo nên

ảnh.

Magnesium fluoride là một trong nhiều chất được dùng làm lớp phủ mỏng

chống phản xạ quang, mặc dù đa số các nhà chế tạo kính hiển vi và thấu kính hiện nay

có công thức chất phủ độc quyền riêng của họ. Kết quả nói chung của những lớp phủ

chống phản xạ này là nó cải thiện sâu sắc chất lượng ảnh trong các quang cụ do nó làm

tăng sự truyền bước sóng khả kiến, làm giảm ánh chói từ sự phản xạ không mong

muốn, và loại trừ sự giao thoa từ những bước sóng không mong đợi nằm ngoài vùng

phổ ánh sáng khả kiến.

Sự phản xạ của ánh sáng khả kiến là một tính chất hành xử của ánh sáng đóng

vai trò nền tảng trong chức năng của mọi kính hiển vi hiện đại. Ánh sáng thường bị

51

phản xạ bởi một hoặc nhiều gương phẳng trong kính hiển vi hướng đường đi ánh sáng

qua thấu kính hình thành nên ảnh ảo mà chúng ta nhìn thấy trong mắt (thị kính). Kính

hiển vi cũng sử dụng các bộ tách chùm tia để cho phép một số ánh sáng phản xạ, đồng

thời truyền qua một phần ánh sáng đến những phần khác của hệ quang cụ. Những

thành phần quang khác trong kính hiển vi, như các lăng kính được chế tạo đặc biệt, các

bộ lọc, và những lớp phủ thấu kính, cũng thực hiện chức năng của chúng trong việc tạo

ảnh trên cơ sở hiện tượng phản xạ ánh sáng.

52

SỰ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG

Khi bức xạ điện từ, dưới dạng ánh sáng khả kiến, truyền từ một chất hoặc môi

trường này sang môi trường khác, sóng ánh sáng có thể trải qua một hiện tượng gọi là

khúc xạ, biểu lộ bởi sự bẻ cong hoặc thay đổi hướng truyền ánh sáng. Khúc xạ xảy ra

khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác chỉ khi nào có sự chênh lệch

chiết suất giữa hai chất đó. Hiệu ứng khúc xạ là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng

quen thuộc đa dạng, như sự uốn cong rõ ràng của một vật chìm một phần trong nước

và ảo ảnh nhìn thấy trên sa mạc cát, nóng bỏng. Sự khúc xạ sóng ánh sáng khả kiến

cũng là một đặc trưng quan trọng của thấu kính, cho phép chúng hội tụ chùm tia sáng

vào một điểm.

Hình 1. Tụ sáng khúc xạ của người thợ thêu

Hồi đầu thế kỉ 19, những người thợ thêu đã sử dụng những bình cầu thủy tinh

chứa nước để hội tụ hoặc tập trung ánh sáng ngọn nến lên khu vực làm việc nhỏ của

họ, giúp họ nhìn thấy những chi tiết tinh tế rõ ràng hơn. Hình 1 minh họa cái tụ sáng

của người thợ thêu hồi những năm 1800, gồm một vài bình cầu thủy tinh sắp xếp thành

hình tròn xung quanh một ngọn nến dựng đứng, cho phép ánh sáng phát ra từ ngọn nến

hội tụ hoặc tập trung vào một vài đốm sáng. Bề mặt cong của bình cầu thủy tinh đóng

vai trò làm bề mặt thu thập các tia sáng, sau đó chúng khúc xạ về phía một tiêu điểm

chính theo kiểu tương tự như thấu kính lồi. Thấu kính hội tụ hoặc tập trung cũng được

sử dụng trong kính hiển vi hiện đại và những quang cụ khác để tập trung ánh sáng, dựa

trên nguyên lí khúc xạ giống như hoạt động của cái tụ sáng của những người thợ thêu

buổi đầu.

Khi ánh sáng truyền từ chất này sang chất khác, nó sẽ truyền thẳng đi mà không

có sự thay đổi hướng khi nó trực giao với ranh giới giữa hai chất (tức là vuông góc,

góc tới 90 độ). Tuy nhiên, nếu ánh sáng chạm tới ranh giới này ở những góc khác, nó

sẽ bị bẻ cong, hoặc khúc xạ, với độ khúc xạ càng tăng khi chùm tia nghiêng một góc

càng lớn so với mặt phân giới. Thí dụ, một chùm ánh sáng chạm tới mặt nước theo

phương thẳng đứng sẽ không bị khúc xạ, nhưng nếu chùm tia đi vào nước ở một góc

nhỏ, nó sẽ bị khúc xạ ở mức độ nhỏ. Nếu góc của chùm tia tăng lên thì ánh sáng sẽ

khúc xạ với góc lớn hơn. Các nhà khoa học đã sớm nhận thấy rằng tỉ số giữa góc mà

ánh sáng cắt qua mặt phân giới môi trường và góc tạo ra sau khi khúc xạ là một đặc

trưng rất chính xác của chất liệu tạo ra hiệu ứng khúc xạ.

53

Trong nhiều thế kỉ, người ta đã lưu ý tới một sự thật khá kì quặc, nhưng lại hiển

nhiên. Khi một thanh hoặc một que thẳng ngập một phần trong nước, thanh không còn

thẳng nữa, mà nghiêng đi một góc hoặc một hướng khác (xem hình 2 minh họa hiện

tượng này với ống hút dựng trong một ly nước). Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi

nước, mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như vừa méo mó vừa trông gần hơn

so với thực tế. Ống hút trong hình 2 trông to hơn và hơi bị méo do sự khúc xạ của sóng

ánh sáng phản xạ từ bề mặt ống hút. Trước tiên sóng phải truyền qua nước, rồi truyền

qua mặt phân giới thủy tinh-nước và cuối cùng truyền vào không khí. Sóng ánh sáng

đến từ các mặt (trước và sau) của ống bị lệch ở mức độ nhiều hơn so với sóng đến từ

chính giữa ống, khiến nó trông có vẻ lớn hơn thực tế.

Ngay từ thế kỉ thứ nhất (sau Công nguyên), nhà thiên văn và địa lí Hy Lạp cổ

đại Ptolemy đã cố gắng giải thích bằng toán học lượng bẻ cong (khúc xạ) xảy ra,

nhưng quy luật mà ông đề xuất sau này được xác định là không xác thực. Trong những

năm 1600, nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snell đã thành công trong việc phát

triển một quy luật định nghĩa một giá trị liên hệ với tỉ số của góc tới và góc khúc xạ,

sau này được gọi là sức bẻ cong hay chiết suất của chất. Trong thực tế, một chất càng

có khả năng bẻ cong hay làm khúc xạ ánh sáng, người ta nói nó có chiết suất càng lớn.

Cái que trong nước trông có vẻ bị bẻ cong vì các tia sáng xuất phát từ que bị bẻ cong

đột ngột tại mặt phân giới nước-không khí trước khi đi tới mắt chúng ta. Với tâm trạng

chán ngán, Snell chưa bao giờ phát hiện được nguyên nhân cho hiệu ứng khúc xạ này.

Hình 2. Sự khúc xạ ánh sáng bởi ly nước

Năm 1678, một nhà khoa học người Hà Lan, Christian Huygens, đã nêu ra một

mối quan hệ toán học để giải thích các quan trắc của Snell và cho rằng chiết suất của

một chất liên quan tới tốc độ của ánh sáng truyền qua chất đó. Huygens xác định được

tỉ số liên hệ giữa góc của các đường đi ánh sáng trong hai chất có chiết suất khác nhau

phải bằng với tỉ số vận tốc ánh sáng khi truyền qua mỗi chất đó. Như vậy, ông cho

rằng ánh sáng truyền đi chậm hơn trong chất có chiết suất lớn hơn. Phát biểu cách

khác, vận tốc ánh sáng qua một môi trường tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Mặc dù

quan điểm này đã được xác nhận bằng thực nghiệm kể từ thời đó, nhưng nó không

hiển nhiên ngay đối với đa số các nhà nghiên cứu thế kỉ 17 và 18, những người không

có đủ phương tiện đo vận tốc ánh sáng. Đối với những nhà khoa học này, ánh sáng

hình như truyền đi ở cùng một tốc độ, không kể vật chất mà nó truyền trong đó là gì.

54

Hơn 150 năm sau khi Huygens qua đời, tốc độ ánh sáng mới được đo chính xác để

khẳng định lí thuyết của ông là đúng.

Mở rộng những ý tưởng có trước đây, chiết suất của một chất hoặc một vật liệu

trong suốt được định nghĩa là tương quan tốc độ ánh sáng truyền qua chất đó so với tốc

độ của nó trong chân không. Bằng quy ước, người ta định nghĩa chiết suất của chân

không có giá trị 1, đóng vai trò là một giá trị tham chiếu được chấp nhận rộng rãi.

Chiết suất của những vật liệu trong suốt khác, thường được kí hiệu là n, được định

nghĩa qua phương trình:

n = c/v

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, v là vận tốc ánh sáng trong chất liệu.

Do chiết suất của chân không được định nghĩa là 1 và ánh sáng đạt được tốc độ cực đại

của nó trong chân không (một điều không xảy ra trong bất cứ chất liệu nào khác), nên

chiết suất của tất cả các chất liệu trong suốt khác đều lớn hơn 1 và có thể được đo bằng

một số kĩ thuật. Trong đa số mục đích thực tế nhất, chiết suất của không khí (1,0003)

gần với chiết suất của chân không, nên nó có thể được dùng để tính chiết suất của

những chất liệu chưa biết. Chiết suất đo được của một vài chất liệu trong suốt phổ biến

được cho trong bảng 1. Các chất có chiết suất cao làm chậm ánh sáng nhiều hơn so với

những chất có chiết suất thấp. Trong thực tế, người ta nói những chất này có tính khúc

xạ hơn, và chúng biểu lộ một góc khúc xạ lớn hơn đối với các tia sáng tới truyền qua

mặt phân giới không khí.

Bảng 1. Chiết suất của một số môi trường

Chất Chiết suất

Không khí 1.0003

Nước 1.333

Glycerin 1.473

Dầu ngâm 1.515

Thủy tinh (Crown) 1.520

Thủy tinh (Flint) 1.656

Zircon 1.920

Kim cương 2.417

Chì Sulfide 3.910

Khi sóng ánh sáng truyền từ một môi trường khúc xạ kém (như không khí) sang

môi trường khúc xạ hơn (như nước), vận tốc sóng giảm đi. Ngược lại, khi ánh sáng

truyền từ môi trường khúc xạ hơn (nước) sang môi trường khúc xạ kém (không khí),

vận tốc sóng tăng lên. Pháp tuyến được định nghĩa là đường thẳng vuông góc với ranh

giới, hay mặt phân giới, giữa hai chất. Góc tới trong môi trường thứ nhất, so với pháp

tuyến, và góc khúc xạ trong môi trường thứ hai (cũng so với pháp tuyến) sẽ khác nhau

theo tỉ lệ với sự chênh lệch chiết suất giữa hai chất. Nếu ánh sáng truyền từ môi trường

chiết suất thấp sang môi trường chiết suất cao, nó bị bẻ cong về phía pháp tuyến. Tuy

nhiên, nếu sóng truyền từ môi trường chiết suất cao sang môi trường chiết suất thấp, nó

bị bẻ cong ra xa pháp tuyến. Định luật Snell mô tả mối quan hệ giữa góc của hai sóng

ánh sáng và chiết suất của hai chất liệu có dạng:

n1 x sin(1) = n2 x sin(2)

55

Trong phương trình Snell, n1 là chiết suất của môi trường mà tia sáng tới, còn n2

là chiết suất của môi trường mà tia khúc xạ truyền. 1 là góc (so với pháp tuyến) mà tia

tới chạm mặt phân cách, 2 là góc tia khúc xạ đi ra.

Có một số điểm quan trọng có thể thu được từ phương trình Snell. Khi

n1 < n2 thì góc khúc xạ luôn luôn nhỏ hơn góc tới (bẻ cong về phía pháp tuyến). Ngược

lại, khi n2 < n1 thì góc khúc xạ luôn luôn lớn hơn góc tới (bẻ cong ra xa pháp tuyến).

Khi hai chiết suất bằng nhau (n1 = n2) thì hai góc cũng phải bằng nhau, cho phép ánh

sáng truyền qua mà không khúc xạ.

Hình 3. Định luật Snell về hiện tượng khúc xạ

Hình 3 minh họa hai trường hợp n1 > n2 và n1 < n2 với góc tới tùy ý bằng 45 độ.

Môi trường gồm không khí và nước lần lượt có chiết suất là 1,000 và 1,333. Ở bên trái

hình 3, sóng ánh sáng truyền qua không khí tới mặt nước ở góc 45 độ, và bị khúc xạ

vào nước ở góc 32 độ so với pháp tuyến. Khi tình huống đảo ngược lại, tia sáng có

cùng góc tới trong nước bị khúc xạ ở góc 70 độ khi truyền qua không khí.

Sắp xếp lại theo một dạng khác, định luật Snell chứng tỏ tỉ số của sin góc tới và

sin góc khúc xạ bằng một hằng số, n, là tỉ số của vận tốc ánh sáng (hay chiết suất)

trong hai môi trường. Tỉ số này, n2/n1 được gọi là chiết suất tỉ đối của hai chất:

chiết suất tỉ đối = sin(1)/sin(2) = nr = n2/n1

Một khía cạnh khác của khái niệm chiết suất được minh họa bên dưới (hình 4) cho

trường hợp chùm tia sáng truyền từ không khí qua cả thủy tinh và nước và ló ra trở lại

vào không khí. Chú ý rằng cả hai chùm tia đi vào chất khúc xạ hơn qua góc tới như

nhau so với pháp tuyến (60 độ), sự khúc xạ trong thủy tinh lớn hơn chừng 6 độ so với

trong nước do thủy tinh có chiết suất cao hơn.

Hình 4. Sự khúc xạ ánh sáng qua thủy tinh và nước

56

Chùm tia bị khúc xạ lúc đi vào, và lại khúc xạ lúc đi ra khỏi chất chiết suất cao,

khúc xạ theo hướng ngược lại với hướng đi vào. Cả hai chùm ánh sáng đều đi ra với

cùng góc như khi chúng đi vào, nhưng điểm đi ra lệch nhau dọc theo mặt phân giới vì

góc truyền của hai chùm tia khác nhau khi mỗi tia truyền trong chất liệu có chiết suất

cao. Hiệu ứng khúc xạ này rất quan trọng trong việc chế tạo thấu kính dùng điều khiển

điểm hội tụ chính xác của các tia sáng tạo ảnh.

Khúc xạ ánh sáng là một đặc điểm vật lí quan trọng của thấu kính, đặc biệt liên

quan tới việc chế tạo một thấu kính đơn lẻ hoặc một hệ thấu kính. Ở một thấu kính lồi

đơn giản, sóng ánh sáng phản xạ từ vật thể được thu gom bởi thấu kính và khúc xạ về

phía trục chính để hội tụ vào tiêu điểm phía sau (hình 5). Vị trí tương đối của vật so

với tiêu điểm phía trước của thấu kính xác định cách vật được tạo ảnh. Nếu vật nằm

phía ngoài khoảng cách hai lần tiêu cự tính từ thấu kính ra thì nó trông nhỏ hơn và bị

lộn ngược và phải được tạo ảnh bằng một thấu kính nữa để phóng to kích thước. Tuy

nhiên, khi vật ở gần thấu kính hơn so với tiêu điểm phía trước, thì ảnh xuất hiện thẳng

đứng và lớn hơn, như có thể dễ dàng chứng minh bằng một cái kính lúp đơn giản.

Hình 5. Sự tạo ảnh ở thấu kính lồi

Một số hiện tượng có nguyên nhân từ sự khúc xạ ánh sáng thường gặp trong

cuộc sống hàng ngày. Một trong những hiện tượng phổ biến nhất là kinh nghiệm mà

nhiều người đã từng trải qua khi cố gắng tiến sát tới và chạm tay vào một vật gì đó

chìm trong nước. Vật nằm trong nước luôn trông có vẻ có chiều sâu khác với chiều sâu

thật sự của nó, do sự khúc xạ ánh sáng khi chúng truyền từ nước vào không khí. Mắt

và não người lần theo các tia sáng trở lại nước như thể chúng không bị khúc xạ, mà

truyền đến từ một vật nằm trên đường thẳng, tạo ra ảnh ảo của vật nằm ở chiều sâu cạn

hơn.

Hiện tượng này được minh họa tỉ mỉ bởi ảo giác, tạo ra bằng hiệu ứng khúc xạ,

về chiều sâu thực sự của một con cá nằm trong nước nông khi nhìn từ bờ hồ hoặc bể cá

(hình 6). Khi chúng ta nhìn xuyên qua nước để quan sát cá lội xung quanh bể, chúng

hình như ở gần mặt nước hơn so với thực tế. Mặt khác, từ điểm nhìn của con cá, thế

giới xuất hiện bị méo mó và bị nén lại phía trên mặt nước do ảnh ảo tạo ra bởi sự khúc

xạ của ánh sáng phản xạ và truyền qua đi tới mắt cá. Trong thực tế, vì khúc xạ nên

người đi câu ở trên bờ hồ trông sẽ xa hơn so với cá (từ điểm nhìn của cá) so với

khoảng cách thực tế.

57

Hình 6. Ảnh ảo quan sát thấy do khúc xạ

Hiện tượng này có thể dùng để xác định chiết suất của chất lỏng bằng kính hiển

vi quang học. Một lỗ phẳng có khả năng giữ chất lỏng có đánh dấu (hoặc chia độ) đặt

trên bề mặt thủy tinh bên trong được chế tạo (hoặc mua) dùng cho thí nghiệm này. Một

trong các thị kính của kính hiển vi phải có mặt kẻ ô đánh dấu nằm giữa mặt phẳng ảnh

chính dùng để đo bề rộng đường đánh dấu trong lỗ phẳng. Trước khi cho chất lỏng có

chiết suất chưa biết vào trong lỗ, kính hiển vi tập trung vào chỗ đánh dấu tại đáy lỗ và

đo vị trí đánh dấu trên mặt kẻ ô được lưu ý. Tiếp theo, cho một lượng nhỏ chất lỏng

vào lỗ và kính hiển vi tập trung vào nơi đánh dấu (qua chất lỏng) và tiến hành một

phép đo mới. Sau cùng, kính hiển vi tập trung lên mặt chất lỏng, và đọc giá trị thứ ba

bằng cách đo vị trí điểm đánh dấu trên mặt kẻ ô. Chiết suất của chất lỏng chưa biết có

thể được tính bằng phương trình sau:

chiết suất (n) = D (đo được) / D (biểu kiến)

trong đó D(đo được) là chiều sâu đo được (từ bề mặt chất lỏng tới vị trí đánh dấu trên

lỗ trống, không chất lỏng) bằng kính hiển vi, và D(khả kiến) là chiều sâu đo khi có và

không có chất lỏng.

Mặc dù nói chung thì ánh sáng truyền từ một chất này sang chất khác phải chịu

sự khúc xạ, nhưng có những tình huống mà những nhiễu loạn, như gradient nhiệt, có

thể tạo ra sự dao động đủ lớn về chiết suất trong một môi trường để phát sinh hiệu ứng

khúc xạ. Nếu chúng có nhiệt độ chênh lệch đáng kể, thì các lớp không khí chồng chất

trong khí quyển là nguyên nhân gây ra cái thường được gọi là ảo ảnh, hiện tượng trong

đó ảnh ảo của một vật được nhìn thấy nằm phía trên hoặc phía dưới của vật thật.

Sự phân thành lớp không khí nóng và lạnh đặc biệt phổ biến ở khu vực sa mạc,

đại dương, và mặt đường trải nhựa. Hiệu ứng ảo ảnh thực tế được mường tượng phụ

thuộc vào lớp không khí lạnh nằm trên lớp không khí nóng, hoặc ngược lại (hình 7a).

Một loại ảo ảnh xuất hiện dưới dạng ảnh ảo lộn ngược nằm ngay phía dưới vật thật và

xảy ra khi lớp không khí nóng ở gần mặt đất hoặc mặt nước bị chặn lại bởi lớp không

khí lạnh, đậm đặc hơn nằm phía trên. Ánh sáng từ vật truyền xuống lớp không khí

nóng gần kề mặt đất (hoặc mặt nước) bị khúc xạ trở lên phía đường chân trời. Tại một

số điểm, ánh sáng đạt tới góc tới hạn đối với không khí nóng, và bị bẻ cong trở lên bởi

sự phản xạ nội toàn phần, kết quả là ảnh ảo xuất hiện phía bên dưới vật.

58

Hình 7. Ảo ảnh và ảnh bóng mờ

Một dạng ảo ảnh khác, gọi là bóng mờ, xảy ra khi không khí nóng nằm trên lớp

không khí lạnh, và thường xuất hiện với những đối tượng kích thước lớn trên mặt nước

có thể vẫn còn tương đối lạnh khi không khí phía trên nước bị nung nóng vào ban ngày

(hình 7b). Các tia sáng đi từ vật, như con tàu trên mặt nước, truyền lên trên qua không

khí lạnh đi vào không khí nóng bị khúc xạ trở xuống hướng về ngang tầm nhìn của

người quan sát. Khi đó các tia có vẻ xuất phát từ một vật ở phía trên và hình như “nổi

lờ mờ” phía trên vị trí thực của nó. Thường thì những con tàu trên biển ở gần đường

chân trời nhìn có vẻ trôi nổi phía trên mặt nước.

Sự tán sắc của ánh sáng khả kiến

Mặc dù thường được xem là chuẩn và có giá trị không đổi, nhưng những phép

đo cẩn thận cho thấy chiết suất của một chất biến thiên theo tần số (và bước sóng) của

bức xạ, hoặc màu sắc của ánh sáng nhìn thấy. Nói cách khác, một chất có nhiều chiết

suất có thể khác nhau nhiều, hay ở mức độ đáng kể, khi màu sắc hoặc bước sóng của

ánh sáng thay đổi. Sự biến thiên này xảy ra với hầu hết các môi trường trong suốt và

được gọi là sự tán sắc. Mức độ tán sắc biểu hiện bởi một chất nhất định phụ thuộc vào

mức độ thay đổi theo bước sóng của chiết suất. Với một chất bất kì, khi bước sóng ánh

sáng tăng thì chiết suất (hay sự bẻ cong ánh sáng) giảm. Nói cách khác, ánh sáng màu

xanh dương, gồm vùng bước sóng ngắn nhất trong ánh sáng khả kiến, bị khúc xạ ở góc

lớn hơn đáng kể so với ánh sáng màu đỏ, loại ánh sáng có bước sóng dài nhất. Sự tán

sắc ánh sáng bởi thủy tinh thường là nguyên nhân gây ra sự tách ánh sáng thành các

thành phần màu của nó bởi lăng kính.

Vào cuối thế kỉ 17, Isaac Newton đã tiến hành một loạt thí nghiệm đưa tới khám

phá của ông về phổ ánh sáng khả kiến, và chứng minh được rằng ánh sáng trắng là hỗn

hợp của một dải màu sắc có trật tự bắt đầu với màu lam ở một phía, và tiến triển qua

màu lục, vàng, và cam, cuối cùng kết thúc với ánh sáng đỏ ở đầu bên kia. Làm việc

trong phòng tối, Newton đã đặt một lăng kính thủy tinh trước một chùm tia sáng Mặt

Trời ló ra từ lỗ khoan trên màn chắn cửa sổ. Khi ánh sáng Mặt Trời truyền qua lăng

kính, phổ màu sắc có trật tự được chiếu lên màn hứng đặt phía sau lăng kính.

59

Từ thí nghiệm này, Newton kết luận rằng ánh sáng trắng tạo ra từ hỗn hợp nhiều

màu sắc, và lăng kính làm trải ra hoặc làm “tán sắc” ánh sáng trắng bằng việc khúc xạ

mỗi màu sắc ở góc khác nhau sao cho chúng tách ra dễ dàng (hình 8). Newton không

thể nào chia nhỏ hơn nữa từng màu riêng rẽ, mặc dù ông đã cho truyền một màu của

ánh sáng tán sắc qua một lăng kính thứ hai. Tuy nhiên, khi ông đặt một lăng kính thứ

hai rất gần với cái thứ nhất, sao cho tất cả ánh sáng tán sắc đi vào lăng kính thứ hai,

Newton nhận thấy màu sắc kết hợp lại tạo ra ánh sáng trắng trở lại. Kết quả này mang

đến bằng chứng thuyết phục cho thấy ánh sáng trắng là hỗn hợp phổ màu sắc có thể dễ

dàng tách ra và hợp nhất trở lại.

Hình 8. Lăng kính tán sắc đều

Hiện tượng tán sắc ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quan trắc đa

dạng. Cầu vồng xuất hiện khi ánh sáng Mặt Trời bị khúc xạ bởi các giọt nước mưa

đang rơi qua bầu khí quyển, tạo ra sự hiển thị đẹp ngoạn mục của phổ màu sắc, nhại lại

giống hệt điều đã chứng minh với lăng kính. Ngoài ra, màu sắc lấp lánh tạo ra bởi

những viên đá quý được gia công sắc sảo, ví dụ như kim cương, là do ánh sáng trắng

bị khúc xạ và tán sắc bởi các mặt có góc định vị chính xác.

Khi đo chiết suất của một chất trong suốt, bước sóng nhất định sử dụng trong

phép đo phải đơn nhất. Vì sự tán sắc là hiện tượng phụ thuộc bước sóng, và chiết suất

đo được sẽ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng dùng để đo. Bảng 2 phân loại sự tán

sắc của ánh sáng khả kiến trong những môi trường khác nhau, như đã được chỉ rõ bởi

sự biến thiên chiết suất đối với ba bước sóng (ba màu) ánh sáng khác nhau.

Bảng 2. Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng

Chất Xanh dương (486.1 nm)

Vàng (589.3 nm)

Đỏ (656.3 nm)

Thủy tinh Crown 1.524 1.517 1.515

Thủy tinh Flint 1.639 1.627 1.622

Nước 1.337 1.333 1.331

Dầu Cargille 1.530 1.520 1.516

Carbon Disulfide 1.652 1.628 1.618

Bước sóng được sử dụng phổ biến nhất để đo giá trị chiết suất được phát ra bởi

đèn natri, đặt thành một cặp rất gần nhau, có bước sóng trung bình 589,3nm. Ánh sáng

này được gọi là phổ vạch D, và đại diện cho ánh sáng màu vàng liệt kê trong bảng 2.

Tương tự như vậy, phổ vạch F và vạch C tương ứng với bước sóng ánh sáng xanh

dương và đỏ (trong bảng 2) phát ra bởi hydrogen. Đối với các giá trị cho trong bảng, rõ

ràng là việc tăng bước sóng ánh sáng từ 486,1nm (màu xanh hoặc vạch F) lên 656,3nm

(màu đỏ, hay vạch C) tạo ra sự giảm chiết suất của môi trường nhất định. Độ tán sắc có

60

thể định nghĩa một cách định lượng, bằng ba bước sóng ánh sáng vàng, xanh dương, và

đỏ, như sau:

Độ tán sắc = = (n(D) – 1)/(n(F) – n(C))

trong đó n là chiết suất của chất tại bước sóng nhất định xác định bởi D, F và C, biểu

thị các vạch phổ natri và hydrogen như đã nói ở trên (xem bảng 2). Nhiều yếu tố giữ

vai trò then chốt trong giá trị tán sắc của các chất liệu khác nhau, bao gồm thành phần

cơ bản và phân tử, và hình thái học mạng tinh thể. Một số chất rắn vô cơ có độ tán sắc

cao khác thường, gồm các hợp chất cromate, dicromate, cyanide, vanadate, và halide.

Các chất hữu cơ cũng có thể đóng góp cho giá trị độ tán sắc cao khi được hợp nhất vào

những chất liệu nhất định.

Tán sắc cũng là nguyên nhân gây ra sự sắc sai, hiện tượng phát sinh từ sự thay

đổi chiết suất theo bước sóng. Khi ánh sáng trắng truyền qua một thấu kính lồi đơn lẻ,

một vài tiêu điểm phát sinh ở rất gần nhau, ứng với sự chênh lệch chiết suất không lớn

lắm của các bước sóng thành phần. Hiệu ứng này có xu hướng tạo ra quầng màu (đỏ

hoặc xanh, phụ thuộc vào tiêu điểm) bao quanh ảnh của vật. Việc hiệu chỉnh hiện

tượng sắc sai này được thực hiện bằng việc kết hợp hai hoặc nhiều thành phần thấu

kính cấu tạo từ loại vật liệu có tính chất tán sắc khác nhau. Một thí dụ tốt là hệ thấu

kính kép tiêu sắc chế tạo từ hai thành phần riêng rẽ bằng cả thủy tinh crown và thủy

tinh flint.

Góc phản xạ tới hạn

Một khái niệm quan trọng trong kính hiển vi quang học là góc phản xạ tới hạn,

yếu tố cần thiết để xem xét khi nào thì chọn dùng vật kính khô, khi nào thì chọn dùng

vật kính ngâm trong dầu, để quan sát mẫu vật ở độ phóng đại cao. Lúc truyền qua môi

trường có chiết suất cao đi vào môi trường có chiết suất thấp, đường đi của sóng ánh

sáng được xác định bởi góc tới so với ranh giới giữa hai môi trường. Nếu góc tới tăng

vượt quá một giá trị nào đó (phụ thuộc vào chiết suất của hai môi trường), nó sẽ đạt tới

một điểm mà ở đó góc là đủ lớn sao cho không có ánh sáng nào bị khúc xạ vào môi

trường có chiết suất thấp, như minh họa trong hình 9. Trong hình này, từng tia sáng

được biểu diễn bằng mũi tên màu đỏ hoặc màu vàng đi từ môi trường có chiết suất cao

(n2) sang môi trường có chiết suất thấp (n1). Góc tới đối với từng tia sáng được kí hiệu

là i, và góc khúc xạ được kí hiệu là r. Bốn tia sáng màu vàng có góc tới (i) đủ nhỏ nên

cho phép chúng truyền qua mặt phân giới giữa hai môi trường. Tuy nhiên, hai tia sáng

màu đỏ có góc tới vượt quá góc phản xạ tới hạn (khoảng 41 độ, đối với ví dụ nước và

không khí) và bị phản xạ hoặc theo ranh giới giữa hai môi trường hoặc quay trở lại môi

trường có chiết suất cao.

Hiện tượng góc tới hạn xảy ra khi góc khúc xạ (góc r trong hình 9) trở nên bằng

90 độ và định luật Snell suy biến thành

sin() = n1/n2

trong đó bây giờ gọi là góc tới hạn (trong hình kí hiệu là c). Nếu như môi trường có

chiết suất thấp là không khí (n = 1,00) thì phương trình suy biến thành

sin c = 1/n2

61

Hình 9. Sự phản xạ ở góc tới hạn

Khi góc tới hạn bị vượt quá đối với một sóng ánh sáng nhất định, nó biểu hiện

sự phản xạ nội toàn phần trở lại môi trường đó. Thông thường thì môi trường chiết suất

cao được xem là môi trường bên trong, vì không khí (có chiết suất bằng 1,0) trong đa

số trường hợp là môi trường bao xung quanh, hay môi trường bên ngoài. Khái niệm

này đặc biệt quan trọng đối với kính hiển vi quang học khi cố gắng tạo ảnh mẫu vật

với môi trường không phải không khí nằm giữa kính bọc ngoài và vật kính phía trước.

Môi trường ngâm thông dụng nhất (ngoài không khí) là loại dầu chuyên dụng có chiết

suất bằng với chiết suất của thủy tinh dùng làm vật kính và kính bao ngoài.

Các quang cụ khác nhau, từ kính hiển vi, kính thiên văn, cho tới camera, dụng

cụ tích điện kép, máy chiếu video, và cả mắt người, đều hoạt động dựa trên cơ sở là

ánh sáng có thể bị hội tụ, khúc xạ và phản xạ. Sự khúc xạ ánh sáng tạo ra nhiều hiện

tượng đa dạng, như ảo ảnh, cầu vồng, và những sự chiếu sáng kì lạ như làm cho con cá

có vẻ như đang bơi trong nước cạn hơn trong thực tế. Sự khúc xạ cũng làm cho miệng

chai bia thành mỏng trông có vẻ đầy hơn thực tế, và dối gạt chúng ta thấy rằng Mặt

Trời lặn muộn hơn một vài phút so với thực tế nó đã lặn. Hàng triệu con người đã và

đang sử dụng hệ số khúc xạ để hiệu chỉnh thị lực khiếm khuyết bằng kính keo mắt và

kính tiếp xúc, cho phép họ nhìn thấy thế giới rõ ràng hơn. Bằng việc tìm hiểu những

tính chất này của ánh sáng, và cách thức điều khiển chúng, chúng ta có thể quan sát

được những chi tiết không thể nhìn thấy bằng mắt trần, cho dù là chúng được đặt trên

bàn soi hiển vi hay trên một thiên hà xa xôi nào đó.

62

SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG

Sự tạo ảnh trong kính hiển vi phụ thuộc vào sự tác động qua lại phức tạp giữa

hai hiện tượng quang học quan trọng: nhiễu xạ và giao thoa. Ánh sáng truyền qua mẫu

vật bị tán xạ và nhiễu xạ thành các sóng phân kì bởi những chi tiết và đặc trưng nhỏ

xíu có mặt trong mẫu vật. Một số ánh sáng khuếch tán bị tán xạ bởi mẫu vật được mục

tiêu bắt lấy và hội tụ lên mặt phẳng ảnh ở giữa, nơi đó các sóng ánh sáng chồng chập

sẽ tái kết hợp hoặc cộng dồn qua quá trình giao thoa để tạo ra ảnh phóng to của mẫu

vật.

Hình 1. Hình ảnh giao thoa của màng xà phòng

Mối quan hệ có vẻ gần gũi giữa nhiễu xạ và giao thoa xảy ra do chúng thật ra là

biểu hiện của cùng một quá trình vật lí và ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Đa số chúng ta

đều nhìn thấy một số loại giao thoa quang hầu như mỗi ngày, nhưng không nhận ra sự

kiện xảy ra đằng sau sự biểu hiện thường rất huyền ảo của màu sắc sinh ra khi các

sóng ánh sáng giao thoa với nhau. Một trong những thí dụ tốt nhất của hiện tượng giao

thoa biểu hiện bởi ánh sáng phản xạ từ một màng dầu nổi trên mặt nước. Một thí dụ

nữa là màng mỏng của bọt xà phòng (minh họa trong hình 1), nó phản chiếu phổ màu

sắc tuyệt đẹp khi được rọi sáng bằng nguồn sáng tự nhiên hoặc nhân tạo.

Cơ chế tác động qua lại của màu sắc ở bọt xà phòng do sự phản xạ đồng thời

ánh sáng từ cả mặt bên trong lẫn mặt bên ngoài của màng xà phòng cực kì mỏng. Hai

bề mặt lại rất gần nhau (cách nhau chỉ vài micrô mét) và ánh sáng phản xạ từ mặt bên

trong vừa giao thoa tăng cường vừa giao thoa triệt tiêu với ánh sáng phản xạ từ mặt

bên ngoài. Hiệu ứng giao thoa quan sát thấy là do ánh sáng phản xạ từ mặt bên trong

của bọt phải truyền đi quãng đường xa hơn ánh sáng phản xạ từ mặt bên ngoài, và

chiều dày khác nhau của màng xà phòng tạo ra sự chênh lệch tương ứng về khoảng

cách mà các sóng ánh sáng phải truyền để tới được mắt người.

Khi các sóng phản xạ từ mặt bên trong và mặt bên ngoài của màng xà phòng tái

kết hợp, chúng sẽ giao thoa với nhau để hoặc là triệt tiêu hoặc là tăng cường một số

bước sóng của ánh sáng trắng bằng sự giao thoa triệt tiêu hoặc giao thoa tăng cường

(như minh họa trong hình 2). Kết quả là sự biểu hiện màu sắc rực rỡ có vẻ xoay

chuyển theo bề mặt của bọt khi nó giãn ra hoặc co lại theo luồng gió thổi. Thật dễ dàng

điểu chỉnh bọt xà phòng, hoặc đưa nó lại gần hoặc ra xa, làm cho màu sắc thay đổi,

hay thậm chí làm biến mất hoàn toàn màu sắc. Nếu như khoảng cách tăng thêm truyền

đi bởi sóng ánh sáng phản xạ từ mặt bên trong chính xác bằng với bước sóng của sóng

phản xạ từ mặt bên ngoài, thì các sóng ánh sáng sẽ tái kết hợp tăng cường nhau, hình

thành nên màu sáng. Trong những khu vực mà sóng không đồng bộ với nhau, cả chỉ

63

một số phần nhỏ bước sóng, hiệu ứng giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, làm suy yếu hoặc

hủy mất ánh sáng phản xạ (và màu sắc).

Hình 2. Đường đi của ánh sáng phản xạ qua bọt xà phòng

Những người say mê âm nhạc, phim ảnh và máy tính cũng thường gặp hiện

tượng giao thoa mỗi khi họ tải một đĩa compact vào máy hát audio hoặc đĩa CD-ROM.

Các rãnh ghi xoắn trôn ốc rất gần nhau trên đĩa compact hoặc đĩa video kĩ thuật số

gồm một loạt hố và phần phẳng được sử dụng để mã hóa hiện trạng dạng số của chuỗi

audio và/hoặc video ở trên đĩa. Sự định vị rất gần nhau của các rãnh ghi này bắt chước

các đường siêu tinh tế có mặt trên cách tử nhiễu xạ nhằm tạo ra hiệu ứng màu sắc đẹp

mắt giống như cầu vồng khi ánh sáng trắng thông thường bị phản xạ bởi bề mặt đó.

Giống như bọt xà phòng, màu sắc tuyệt đẹp có nguyên nhân do sự giao thoa giữa các

sóng ánh sáng phản xạ bật khỏi các rãnh lân cận nhau trên đĩa.

Giao thoa là nguyên nhân gây ra màu sắc óng ánh, rực rỡ của chim ruồi, nhiều

loài bọ cánh cứng và những loài côn trùng khác có cánh trông rực rỡ như kim loại, và

một số loài bướm đẹp lộng lẫy. Ví dụ, cánh của con bọ kim cương phủ một lớp cách tử

nhiễu xạ vi mô có chừng 2000 vạch trên một inch. Ánh sáng trắng phản xạ từ cánh của

con bọ biểu hiện hình ảnh giao thoa lộng lẫy giống như trường hợp phản xạ từ bề mặt

của đĩa compact. Hiệu ứng tương tự cũng được tạo ra bởi con bọ rùa, cánh của chúng

gồm nhiều lớp kitin, làm cho chúng óng ánh nhiều màu sắc phản xạ. Điều thú vị là loài

côn trùng này có khả năng làm thay đổi độ ẩm của màng mỏng để tạo ra sự không

đồng đều chiều dày, làm biến đổi màu giao thoa phản xạ nổi bật từ màu vàng cho tới

màu đỏ đồng.

Một thí dụ hấp dẫn nữa về hiện tượng giao thoa xảy ra trong tự nhiên là loài

bướm Morpho didius phát triển mạnh ở vùng rừng rậm Amazon, và biểu hiện một

trong những dạng óng sánh đẹp nhất mà người ta từng thấy trong thế giới côn trùng.

Màu cánh xanh đậm là hệ quả của cấu trúc sinh màu gắn chặt với các vảy nằm xếp lớp

bên dưới cánh bướm. Mỗi vảy gồm có hai phiến cực kì mỏng, một ở trên và một ở

dưới, cách nhau một khoang rỗng với các que đứng. Phiến mỏng mang trên nó một

mạng lưới còn nhỏ hơn nữa của các gợn hình cây thông Noel gồm các nhánh hay cành

nhô ra mạn bên từ thân ở giữa. Các nhánh gợn tăng dần từ lớp mỏng kitin ngăn cách

nhau bằng khoảng không khí ở khoảng cách bằng một nửa bước sóng ánh sáng màu

xanh, bắt chước một cách tử nhiễu xạ tự nhiên. Các gợn sóng phát triển cách nhau một

khoảng không gian chính xác sao cho sóng ánh sáng phản xạ từ các nhánh chịu sự giao

thoa tăng cường hoặc triệt tiêu. Kết quả là màu xanh sặc sỡ bao phủ gần hết toàn bộ

cấu trúc cánh, mặc dù không có ánh sáng màu xanh thật sự phản xạ từ các phiến cánh.

64

Hình 3. Cấu trúc giao thoa ở cánh bướm

Phương pháp cổ điển mô tả hiện tượng giao thoa là đưa ra miêu tả đồ họa sự tái

kết hợp của hai hay nhiều hơn hai sóng ánh sáng dạng sin trong đồ thị biên độ, bước

sóng và độ lệch pha tương đối. Trong thực tế, khi hai sóng cộng gộp với nhau, sóng

thu được có giá trị biên độ hoặc là tăng lên qua giao thoa tăng cường, hoặc là giảm bớt

qua giao thoa triệt tiêu. Để minh họa hiệu ứng, xét một cặp sóng ánh sáng xuất phát từ

cùng nguồn kết hợp (có mối quan hệ pha như nhau) và truyền song song với nhau

(biểu diễn trong phần bên trái hình 4).

Nếu các dao động tạo ra bởi vectơ điện trường (vuông góc với hướng truyền) từ

mỗi sóng song song với nhau (trong thực tế, các vectơ điện trường dao động trong

cùng mặt phẳng) thì sóng ánh sáng có thể kết hợp và chịu sự giao thoa. Nếu các vectơ

đó không nằm trong cùng mặt phẳng, và dao động ở một số góc từ 90 đến 180 độ đối

với nhau, thì sóng không thể giao thoa với nhau. Sóng ánh sáng minh họa trong hình 4

đều được xem là có vectơ điện trường dao động trong mặt phẳng trang giấy. Ngoài ra,

các sóng này đều có cùng bước sóng, và là kết hợp, nhưng khác nhau về biên độ. Các

sóng trong phần bên phải hình 4 có độ lệch pha 180 độ đối với nhau.

Giả sử tất cả các tiêu chuẩn liệt kê ở trên đều có, thì sóng có thể giao thoa hoặc

là tăng cường, hoặc là triệt tiêu để tạo ra sóng tổng hợp có biên độ hoặc là tăng thêm

hoặc là giảm bớt. Nếu như cực đại của sóng này trùng với cực đại của sóng kia thì biên

độ tổng hợp được xác định bằng cách lấy tổng số học biên độ hai sóng ban đầu. Ví dụ,

nếu biên độ của hai sóng bằng nhau, thì biên độ tổng hợp tăng gấp đôi. Trong hình 4,

sóng ánh sáng A có thể giao thoa tăng cường với sóng ánh sáng B, vì hai sóng kết hợp

có cùng pha, chỉ khác nhau về biên độ. Lưu ý rẳng cường độ ánh sáng biến thiên tỉ lệ

với bình phương của biên độ. Như vậy, nếu biên độ tăng gấp đôi thì cường độ tăng gấp

bốn lần. Sự giao thoa cộng gộp như vậy được gọi là giao thoa tăng cường và kết quả là

một sóng mới có biên độ tăng lên.

Nếu như cực đại của sóng này trùng với cực tiểu của sóng kia (trong thực tế, các

sóng lệch pha nhau 180 độ, hoặc là nửa bước sóng) thì biên độ tổng hợp giảm bớt,

hoặc thậm chí bị triệt tiêu hoàn toàn, như minh họa với sóng A và sóng C ở bên phải

65

hình 4. Đây là sự giao thoa triệt tiêu, và kết quả thường là sự giảm biên độ (hoặc

cường độ). Trong trường hợp biên độ bằng nhau, nhưng lệch pha nhau 180 độ, các

sóng sẽ khử nhau, tạo ra sự thiếu hụt màu sắc, hay là một màu đen hoàn toàn. Các ví

dụ trong hình 4 đều miêu tả các sóng truyền cùng hướng, nhưng trong nhiều trường

hợp, các sóng ánh sáng truyền theo những hướng khác nhau có thể gặp nhau trong

khoảng thời gian ngắn và chịu sự giao thoa. Tuy nhiên, sau khi các sóng đi qua nhau,

chúng sẽ tiếp tục cuộc hành trình ban đầu của mình, có biên độ, bước sóng và pha y

như lúc trước khi chúng gặp nhau.

Hình 4. Giao thoa giữa các sóng ánh sáng trùng khớp

Hiện tượng giao thoa trong thế giới thực tế không được xác định rõ ràng như

trường hợp đơn giản miêu tả ở hình 4. Ví dụ, phổ nhiều màu sắc biểu hiện bởi bọt xà

phòng là do cả giao thoa tăng cường và giao thoa triệt tiêu của các sóng ánh sáng khác

nhau về biên độ, bước sóng và độ lệch pha tương đối. Một kết hợp của các sóng có

biên độ xấp xỉ bằng nhau, nhưng có bước sóng và pha khác nhau, có thể tạo ra nhiều

phổ màu sắc và biên độ tổng hợp. Hơn nữa, khi hai sóng có cùng biên độ và bước sóng

lệch pha nhau 180 độ (nửa bước sóng) gặp nhau, chúng không thật sự bị phá hủy, như

biểu diễn trên hình 4. Mọi năng lượng photon có mặt trong những sóng này vì lí do

nào đó phải lấy lại hay là phân bố lại ở một hướng mới, theo định luật bảo toàn năng

lượng (photon không có khả năng tự hủy). Cho nên, khi gặp nhau, các photon sẽ được

phân phối lại các vùng cho phép gia thoa tăng cường, do đó kết quả phải được xem là

sự phân bố lại sóng ánh sáng và năng lượng photon chứ không phải sự tăng cường

hoặc triệt tiêu tự phát của ánh sáng. Vì vậy, những biểu đồ đơn giản, theo kiểu như

hình 4, chỉ nên xem là công cụ hỗ trợ việc tính toán năng lượng ánh sáng truyền theo

một hướng nào đó.

Thí nghiệm khe đôi của Thomas Young

Một trong số những người tiên phong của nền vật lí buổi đầu là nhà khoa học

người Anh hồi thế kỉ 19 tên là Thomas Young, người đã chứng minh được hết sức

thuyết phục bản chất giống sóng của ánh sáng qua hiện tượng giao thoa bằng kĩ thuật

nhiễu xạ. Thí nghiệm của Young cho bằng chứng trái ngược với quan điểm khoa học

phổ biến lúc bấy giờ, xây dựng trên thuyết tiểu thể (hạt) của Newton về bản chất ánh

sáng. Thêm nữa, ông cũng là người kết luận rằng màu sắc khác nhau của ánh sáng là

66

do các sóng có chiều dài khác nhau, và bất cứ màu nào cũng có thể thu được từ việc

pha trộn các đại lượng khác nhau của ánh sáng từ ba màu cơ sở: đỏ, lục và lam.

Năm 1801, Young tiến hành thí nghiệm khe đôi kinh điển và thường được trích

dẫn, mang đến bằng chứng quan trọng cho thấy ánh sáng khả kiến có những tính chất

sóng. Thí nghiệm của ông dựa trên giả thuyết cho rằng nếu ánh sáng là sóng trong tự

nhiên, thì nó phải hành xử theo kiểu giống như các gợn hay sóng trên ao nước. Nơi hai

sóng nước đối diện gặp nhau, chúng phải phản ứng theo kiểu riêng để hoặc là tăng

cường hoặc là triệt tiêu lẫn nhau. Nếu hai sóng đồng bộ (các cực đại gặp nhau) thì

chúng sẽ kết hợp để tạo ra sóng lớn hơn. Ngược lại, khi hai sóng gặp nhau không đồng

bộ (cực đại của sóng này gặp cực tiểu của sóng kia), hai sóng sẽ hủy nhau và tạo ra bề

mặt phẳng lặng tại khu vực đó.

Để kiểm tra giả thuyết của ông, Young đã nghĩ ra một thí nghiệm tài tình. Sử

dụng ánh sáng Mặt Trời nhiễu xạ qua một khe nhỏ làm nguồn chiếu sáng bán kết hợp,

ông đã chiếu tia sáng phát ra từ khe đó lên một màn chắn khác chứa hai khe đặt song

song nhau. Ánh sáng truyền qua các khe sau đó được cho rơi vào một màn chắn thứ ba

(màn hứng). Young quan sát thấy khi các khe lớn, đặt xa nhau và gần màn hứng, thì

hai mảng ánh sáng chồng lên nhau thu được trên màn hứng. Tuy nhiên, khi ông giảm

kích thước các khe và mang chúng đến gần nhau hơn, thì ánh sáng truyền qua các khe

và rơi vào màn hứng tạo ra những dải màu riêng biệt phân cách nhau bởi những vùng

tối theo một trật tự nhất định. Young đã đặt ra thuật ngữ vân giao thoa để mô tả các dải

sáng và nhận thấy rằng những dải màu này chỉ có thể được tạo ra nếu như ánh sáng xử

sự giống như sóng.

Hình 5. Thí nghiệm khe đôi của Thomas Young

Bố trí cơ bản của thí nghiệm khe đôi được minh họa trên hình 5. Ánh sáng màu

đỏ lọc ra từ ánh sáng Mặt Trời ban đầu đi qua một khe để thu được trạng thái bán kết

hợp. Sóng ánh sáng đi vào khe thứ nhất sau đó đi tới một cặp khe đặt gần nhau trên

màn chắn thứ hai. Màn hứng đặt trong vùng phía sau các khe để thu lấy các tia sáng

chồng chất truyền qua khe kép, và hình ảnh của dải vân giao thoa đỏ sáng và tối có thể

nhìn thấy trên màn hứng. Vấn đề chủ yếu với loại thí nghiệm này là sự kết hợp lẫn

nhau của ánh sáng nhiễu xạ từ hai khe trên màn chắn. Mặc dù Young đã thu được sự

67

kết hợp này qua sự nhiễu xạ của ánh sáng Mặt Trời từ khe thứ nhất, nhưng bất kì

nguồn sáng kết hợp nào (laser chẳng hạn) đều có thể thay thế cho ánh sáng truyền qua

một khe đơn.

Mặt đầu sóng kết hợp của ánh sáng chạm tới khe đôi thì tách thành hai mặt đầu

sóng mới hoàn toàn đồng bộ với nhau. Sóng ánh sáng từ mỗi khe phải truyền đi quãng

đường bằng nhau để chạm tới điểm A trên màn hứng như minh họa trong hình 5, và

phải chạm tới điểm đó đồng bộ hoặc có cùng độ lệch pha. Do hai sóng ánh sáng chạm

tới điểm A thỏa mãn yêu cầu cần thiết đối với sự giao thoa tăng cường, nên chúng

cộng gộp với nhau tạo ra vân giao thoa đỏ sáng trên màn hứng.

Trái lại, cả hai điểm B trên màn hứng đặt ở khoảng cách không bằng nhau tính

từ hai khe, nên ánh sáng từ khe này phải truyền đi quãng đường xa hơn so với ánh sáng

truyền từ khe kia. Sóng ánh sáng phát ra từ khe gần điểm B hơn (ví dụ như với các khe

và điểm B phía bên trái của hình 5) không phải truyền đi quãng đường xa để tới mục

tiêu như sóng phát ra từ khe kia. Kết quả là sóng phát ra từ khe gần hơn sẽ tới điểm B

hơi sớm hơn sóng phát ra từ khe xa hơn. Do các sóng này không tới điểm B đồng pha

(hoặc đồng bộ với nhau) nên chúng sẽ chịu sự giao thoa triệt tiêu tạo ra vùng tối (vân

giao thoa) trên màn hứng. Hình ảnh vân giao thoa không hạn chế với các thí nghiệm có

cấu hình khe đôi mà còn có thể tạo ra với bất kì sự kiện nào có kết quả là sự phân tách

ánh sáng thành các sóng có thể hủy nhau hoặc cộng gộp với nhau.

Thành công của thí nghiệm Young là bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ cho thuyết

sóng, nhưng không được chấp nhận ngay bởi những người đương thời với ông.

Nguyên nhân gây ra các hiện tượng như màu sắc cầu vồng thu được ở bọt xà phòng và

vòng Newton (sẽ thảo luận trong phần sau) mặc dù giải thích được bằng công trình

này, nhưng nó không hiển nhiên ngay đối với những nhà khoa học có niềm tin vững

chắc cho rằng ánh sáng truyền đi dưới dạng một dòng hạt. Những loại thí nghiệm khác

sau này được nghĩ ra và dẫn chứng cho bản chất sóng của ánh sáng và hiệu ứng giao

thoa. Đáng chú ý nhất là thí nghiệm gương đơn của Humphry Lloyd và thí nghiệm

gương đôi và thí nghiệm ba lăng kính do Augustin Fresnel nghĩ ra cho ánh sáng phân

cực trong các tinh thể có một trục. Fresnel kết luận rằng sự giao thoa giữa các chùm

ánh sáng phân cực chỉ có thể thu được với các chùm có cùng hướng phân cực. Trong

thực tế, các sóng ánh sáng phân cực có phương dao động của chúng định hướng song

song nhau có thể kết hợp để tạo ra giao thoa, trong khi các sóng ánh sáng phân cực

định hướng vuông góc nhau thì không giao thoa.

Isaac Newton, nhà toán học và nhà vật lí học người Anh nổi tiếng của thế kỉ 19,

là một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu hiện tượng giao thoa. Ông bị

hiếu kì trước sự hiển thị màu sắc sặc sỡ trên bề mặt của bong bóng xà phòng, đặc biệt

là khi xem các bong bóng được tạo thành từ dung môi xà phòng không màu. Newton

đã suy luận chính xác rằng màu sắc có thể là do sự quá gần nhau của bề mặt bên trong

và bên ngoài của bong bóng, và nghĩ ra một phương pháp thực nghiệm tiến hành để

nhại lại hình ảnh màu sắc quan sát được. Trong thí nghiệm vòng Newton nổi tiếng của

ông (xem hình 6), Newton đặt một thấu kính lồi có bán kính cong lớn trên một đĩa thủy

tinh phẳng và thiết đặt áp lực thông qua bộ khung bằng đồng để giữ thấu kính và đĩa

với nhau, nhưng vẫn cách nhau một khoảng trống rất mỏng chứa đầy không khí và có

cùng định hướng như ánh sáng nhìn thấy. Khi ông quan sát đĩa bằng ánh sáng phản xạ,

ông nhìn thấy một dải đồng tâm cả các vùng màu sáng và tối.

68

Hình 6. Thí nghiệm vòng Newton

Sự phát triển có trật tự của các vòng khiến Newton ngạc nhiên. Gần tâm của

điểm tiếp xúc, các vòng rộng hơn và hình ảnh màu sắc có trật tự bắt đầu với màu đen,

rồi phát triển yếu dần sang xanh dương, trắng, cam, đỏ, hồng, xanh dương, xanh lá cây

và vàng. Dải vân có cường độ lớn hơn và dày hơn ở vùng tâm, chúng mỏng hơn khi

phát triển ra phía ngoài, và cuối cùng thì trải theo rìa của khung bằng đồng. Newton

cũng nhận thấy nếu như ông rọi sáng thủy tinh bằng ánh sáng đỏ, thì màu sắc sẽ thay

đổi để tạo ra các vạch đỏ và đen xen kẽ. Một cách tương tự, ánh sáng xanh dương tạo

ra các vòng xanh dương và đen, còn ánh sáng xanh lá cây tạo ra các vòng xanh lá cây

và đen. Ngoài ra, Newton cũng nhận thấy khoảng cách giữa các vòng phụ thuộc vào

màu sắc ánh sáng. Các vòng màu xanh dương ở gần nhau hơn so với các vòng màu

xanh lá cây, các vòng màu xanh lá cây lại gần nhau hơn so với các vòng màu đỏ (kết

quả quan sát giống hệt như khoảng cách vân giao thoa trong thí nghiệm khe đôi nếu sử

dụng các bộ lọc màu khác nhau).

Newton nhận thấy các vòng biểu hiện sự có mặt của một số mức độ tuần hoàn,

nhưng vẫn không hiểu nổi kết quả thí nghiệm. Thật vậy, cơ sở vật lí cho sự hình thành

các vòng đã trở thành một bí ẩn tồn tại trên 75 năm sau khi Newton qua đời. Mãi cho

đến khi Young đưa ra thí nghiệm khe đôi thì các nhà khoa học mới nhận ra rằng ánh

sáng phản xạ từ mặt bên trên và mặt bên dưới của thủy tinh trở nên chồng chất, hoặc

kết hợp lại, và tạo ra hình ảnh giao thoa xuất hiện dưới dạng các vòng màu. Ngày nay,

nguyên lí cơ bản này được người ta áp dụng trong các xưởng chế tạo kính để kiểm tra

mức độ đồng đều của các bề mặt bóng láng lớn.

Sự phân bố vân giao thoa (như trong thí nghiệm khe đôi của Young hoặc dụng

cụ thí nghiệm vòng Newton) có cường độ biến đổi khi chúng hiện ra trên một nền

không đổi. Độ khả kiến của cường độ (V) được định nghĩa bởi Albert Michelson, nhà

vật lí đầu thế kỉ 19, là độ chênh lệch giữa cường độ cực đại và cực tiểu của một vân

chia cho tổng của chúng:

Độ khả kiến (V) = (I(max) – I(min))/(I(max) + I(min))

trong đó I(max) là cường độ cực đại đo được và I(min) là cường độ cực tiểu tương

ứng. Trong phương trình này, cường độ vân lí tưởng hóa luôn nằm giữa zero và 1,

nhưng trong thực tế cường độ vân phụ thuộc vào thiết kế hình học của thí nghiệm và

vùng phổ được sử dụng.

Bộ lọc giao thoa

69

Sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật hiển vi huỳnh quang, sử dụng các quan sát

tầm nhìn rộng quen thuộc hoặc dùng kết hợp với kĩ thuật laser quét đồng tiêu và nhân

quang, đã đưa tới sự phát triển nhanh chóng của công nghệ lọc mới cho phép các nhà

hiển vi học kích thích có chọn lọc các chất fluorophore và quan sát sự huỳnh quang thứ

cấp với sự nhiễu nền nhỏ nhất. Vì những ứng dụng này mà các bộ lọc có nhiều lớp phủ

mỏng chất lưỡng cực điện, thường được gọi là bộ lọc giao thoa, trở thành cơ cấu được

chọn cho việc chọn lọc bước sóng.

Nói chung, các bộ lọc giao thoa cấu tạo từ bản thủy tinh quang học phủ vật liệu

lưỡng cực điện thành lớp dày hoặc một phần hai hoặc một phần tư bước sóng, chúng

đóng vai trò ngăn cản và/hoặc tăng cường có chọn lọc sự truyền các dải bước sóng đặc

biệt qua sự kết hợp của giao thoa tăng cường và triệt tiêu (minh họa trong hình 7). Các

bộ lọc được thiết kế để cho truyền qua một phạm vi có giới hạn bước sóng được tăng

thêm sức mạnh bởi sự giao thoa tăng cường giữa sóng ánh sáng truyền qua và sóng

ánh sáng phản xạ. Các bước sóng không được chọn bởi bộ lọc không tăng cường lẫn

nhau, và bị loại bỏ bởi sự giao thoa triệt tiêu hoặc bị phản xạ ra xa bộ lọc.

Hình 7. Nguyên lí lọc giao thoa

Vật liệu lưỡng cực điện thường dùng trong các bộ lọc giao thoa là các muối kim

loại không dẫn điện và kim loại nguyên chất có giá trị chiết suất nhất định. Các muối

như kẽm sunfit, natri nhôm florit, và magiê florit, cũng như các kim loại, ví dụ như

nhôm, và một vài vật liệu chọn lọc khác được sử dụng cho việc thiết kế và chế tạo

những bộ lọc thuộc loại này. Các bộ lọc giao thoa, rất giống với cấu trúc kitin mỏng

trong côn trùng lóng lánh ngũ sắc hoặc màng xà phòng mỏng đã nói ở phần trên, dựa

vào những đặc tính vật lí tồn tại ở mặt phân giới giữa hai lớp vật liệu lưỡng cực điện

rất mỏng có chiết suất khác nhau để phản xạ, cho truyền qua, và xúc tiến sự giao thoa

giữa các sóng ánh sáng tới. Việc chọn lọc bước sóng phụ thuộc vào chiều dày lớp

lưỡng cực điện và chiết suất của lớp mỏng phủ bên ngoài dùng chế tạo nên bộ lọc.

Các lớp phủ ngoài bộ lọc giao thoa được chế tạo theo từng đơn vị gọi là khoang,

mỗi khoang chứa bốn hoặc năm lớp muối lưỡng cực xen kẽ, các khoang phân cách

nhau bởi lớp phân cách. Số lượng khoang xác định độ chính xác toàn thể của việc chọn

lọc bước sóng. Hiệu suất lọc và chọn lọc bước sóng có thể làm tăng đột ngột bằng cách

tăng số lượng khoang, ví dụ như bộ lọc hiệu suất cao hiện nay có tới 10-15 khoang và

có thể tạo ra dải thông của một bước sóng. Những bộ lọc có tính chọn lọc cao này đã

kích thích nghiên cứu truy tìm những loại thuộc thuốc nhuộm fluorophore mới, và đột

70

ngột đẩy mạnh việc tìm kiếm các biến thể đột biến của protein hoạt tính sinh học phổ

biến huỳnh quang màu xanh lá cây (GFP).

Tạo ảnh nổi ba chiều bằng sự giao thoa

Nguyên lí và lí thuyết tạo ảnh ảo ba chiều (hologram) bằng phương pháp giao

thoa đã được phác thảo bởi Dennis Gabor từ những năm 1940, nhưng ông đã không có

trong tay các nguồn laser kết hợp tinh vi để tạo ra những hình ảnh ảo ba chiều này.

Laser ra đời vào năm 1960 và hai năm sau đó, hai chàng sinh viên tốt nghiệp trường

đại học Michigan là Juris Upatnieks và Emmet Leith đã thành công trong việc tạo ra

hologram đầu tiên. Hologram về cơ bản là các bản ghi ảnh được chế tạo với hai bộ

sóng ánh sáng kết hợp. Một bộ sóng phản xạ lên phim ảnh bởi vật thể được ghi hình

(tương tự như cơ chế chụp hình thông thường), còn bộ sóng kia đi tới phim mà không

phản xạ, hoặc truyền qua, vật thể. Khi hai bộ sóng laser cuối cùng gặp nhau trên mặt

phẳng phim, chúng tạo ra hình ảnh giao thoa (vân) được ghi lại dưới dạng ảnh ba

chiều.

Hình 8. Đường đi của tia sáng trong kĩ thuật tạo ảnh ảo ba chiều

Trong kĩ thuật hologram phản xạ, cả chùm laser rọi vật thể và chùm laser tham

chiếu (thường là laser heli-neon) đều phản xạ trên một màng mỏng từ các phía ngược

nhau. Những chùm giao thoa với trường ánh sáng và các vùng tối này tương tác nhau

tạo ra một hình ảnh ba chiều. Kĩ thuật hologram phản xạ tìm thấy ngày càng nhiều ứng

dụng như làm vật nhận dạng bằng lái xe, thẻ tín dụng, dấu hiệu nhận dạng, và chống

giả mạo. Thường thì chúng hiển thị hình màu của logo, số nhận dạng, hoặc hình ảnh

nhất định tạo ra bằng ánh sáng laser có ba màu sơ cấp. Mỗi laser tạo ra một hình ảnh

giao thoa độc nhất vô nhị, và các ảnh sẽ chồng gộp lên nhau tạo nên ảnh cuối cùng. Do

chúng hầu như không thể nào sao chép được nên hologram phản xạ là dụng cụ bảo mật

có giá trị cao.

Kĩ thuật hologram truyền qua sử dụng cả chùm laser tham chiếu và laser rọi vật

thể ở cùng phía của màng để tạo ra hiệu ứng tương tự như hologram phản xạ (hình 8).

Một bộ sóng laser dùng rọi sáng vật thể được ghi hình, nó phản xạ sóng và tán xạ

chúng theo cách tương tự như việc rọi sáng thông thường. Ngoài ra, một chùm laser

tham chiếu phân cực được áp vào theo hướng song song với mặt phẳng phim

hologram. Sóng ánh sáng tán xạ (phản xạ) chạm tới phim nhũ tương đồng thời với

71

sóng tham chiếu, tại đó chúng giao thoa nhau tạo nên hình ảnh vân giao thoa.

Hologram truyền qua có một số ứng dụng, nhưng một trong những ứng dụng thú vị

nhất là bản hiển thị trước mắt người phi công. Trong buồng lái máy bay thông thường,

người phi công phải lỉên tục thay đổi sự chú ý của anh ta giữa cửa sổ và bản điều

khiển. Với kĩ thuật hiển thị hologram, một hình ảnh nổi ba chiều của bản điều khiển

máy bay phản xạ trên một cái đĩa đặt gần mắt của phi công, nên người phi công có thể

đồng thời quan sát bản điều khiển và chân trời.

Kết luận

Ngoài các bong bóng xà phòng, những con côn trùng lóng lánh ngũ sắc tuyệt

đẹp, và nhiều thí dụ khác đã nói tới ở trên, hiện tượng giao thoa ánh sáng khả kiến xảy

ra khá thường xuyên trong tự nhiên và thường được dùng trong nhiều ứng dụng đa

dạng của con người. Ví dụ, phổ màu sắc giống như cầu vồng quan sát thấy bên trong

vỏ bào ngư (hình 9) phát sinh bởi những những lớp khoáng cứng rất mỏng gọi là xà cừ

hay mẹ của ngọc trai. Ánh sáng phản xạ từ các lớp liên tiếp chịu sự giao thoa, tạo ra sự

hiển thị màu sắc theo kiểu tương tự với hiện tượng quan sát thấy từ nhiều lớp kitin trên

bộ xương ngoài của một vài loài côn trùng cánh cứng. Tương tự như vậy, lớp vảy óng

ánh như bạc trên một số loài cá tạo ra hình ảnh giao thoa nhiều màu sắc do nhiều lớp

có bề dày khác nhau.

Con mắt óng ánh của lông con công là một ví dụ khác cho hiện tượng giao thoa

(hình 9). Cấu trúc hình que nhỏ xíu cấu tạo nên protein sắc tố melanin sắp xếp theo

kiểu trật tự tạo ra màu sắc giao thoa kì lạ khi quan sát từ những góc độ khác nhau.

Trong thế giới khoáng vật, ngọc mắt mèo ngũ sắc cấu tạo từ những quả cầu silicat vi

mô sắp xếp thành từng lớp đều đặn. Mỗi quả cầu phản xạ ánh sáng tới chồng chập với

ánh sáng phản xạ từ những quả cầu lân cận tạo ra dải màu cực đẹp thay đổi mỗi khi

người ta xoay hòn ngọc.

Hình 9. Một số ví dụ về giao thoa trong tự nhiên

Ứng dụng đáng kể và rất hữu dụng của hiệu ứng giao thoa là đo đạc những

khoảng cách lớn với thiết bị laser chính xác. Các hệ laser có thể được sử dụng để đo

những khoảng cách rất nhỏ trong phạm vi nhiều dặm, một công việc được hoàn thành

bằng cách tách chùm tia laser và phản xạ nó trở lại từ những bề mặt liền kề rất gần

nhau. Trên cơ sở kết hợp lại các chùm laser phân tách, việc phân tích các vân giao thoa

thu được sẽ mang lại một tính toán chính xác đặc biệt về khoảng cách giữa hai bề mặt.

Kĩ thuật này cũng được sử dụng phổ biến trong các hệ chỉ dẫn laser được thiết kế cho

việc điều khiển đường bay của máy bay có người lái và không có người lái, của tên lửa

và bom.

Sự giao thoa cũng xuất hiện trong những lĩnh vực khác như sóng âm (trong

không khí) và các gợn sóng lăn tăn trên mặt hồ phẳng lặng. Một thí nghiệm giao thoa

72

rất gọn và dễ thực hiện có thể tiến hành ở nhà bằng chậu đựng đầy nước và hai hòn bi.

Trước tiên, hãy để mặt nước trở nên phẳng lặng, rồi đồng thời thả hai hòn bi vào nước

(cách nhau chừng 10-14 inch) từ độ cao khoảng 1 foot. Giống hệt như sóng ánh sáng,

hai hòn bi sẽ sinh ra một loạt sóng trong nước truyền đi theo mọi hướng. Các sóng nằm

trong khu vực giữa hai điểm nơi hai hòn bi rơi vào nước sẽ va chạm với nhau. Nơi

chúng va chạm đồng bộ, chúng sẽ tăng cường cộng gộp với nhau tạo ra sóng lớn hơn,

và nơi chúng va chạm không đồng bộ với nhau, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau.

Giao thoa xuất hiện ở nhiều dạng ảnh hưởng tới những điều chúng ta nhìn thấy

trong cuộc sống hàng ngày. Sự tương tác giữa các sóng ánh sáng rất gần nhau xảy ra

khá thường xuyên nên hiện tượng thường không được để ý tới và được mặc nhiên chấp

nhận. Tuy nhiên, từ những đóng góp cơ bản của nó cho lí thuyết vật lí tạo ảnh và vô số

loài côn trùng biến hình kì lạ, cho đến màu sắc tuyệt diệu của các vầng và hào quang

trong bầu khí quyển, sự giao thoa của sóng ánh sáng đã giúp mang tới sự đa dạng về

màu sắc cho thế giới xung quanh chúng ta.

73

SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

Trong chuyên luận năm 1704 của ông về lí thuyết của các hiện tượng quang

học, Isaac Newton đã viết: “ánh sáng không bao giờ đi theo đường quanh co hoặc bẻ

cong thành bóng đổ”. Ông giải thích quan trắc này bằng việc mô tả các hạt ánh sáng

luôn luôn đi theo đường thẳng như thế nào, và các vật nằm trong đường đi của các hạt

ánh sáng tạo ra bóng đổ như thế nào do các hạt không thể trải ra phía sau vật.

Hình 1. Nhiễu xạ ánh sáng đỏ bởi cách tử

Ở quy mô lớn, giả thuyết này được củng cố bởi các cạnh có vẻ sắc nhọn của

bóng đổ gây ra bởi các tia sáng Mặt Trời. Tuy nhiên, ở quy mô nhỏ hơn nhiều, khi ánh

sáng truyền qua gần một rào chắn, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh rào chắn

và trải ra theo góc xiên. Hiện tượng này gọi là sự nhiễu xạ ánh sáng, và xảy ra khi sóng

ánh sáng truyền rất gần mép của một vật hoặc qua một lỗ nhỏ, ví dụ một khe hoặc một

lỗ nhỏ. Ánh sáng truyền qua lỗ một phần là do tương tác với các mép của vật. Một ví

dụ nhiễu xạ ánh sáng biểu thị trong hình 1 cho ánh sáng laser đỏ kết hợp truyền qua

một cách tử vạch rất nhỏ gồm một dải vạch trên mặt kính hiển vi thủy tinh. Các vạch

làm nhiễu xạ ánh sáng laser thành các chùm sáng chói cách nhau đều đặn có thể nhìn

thấy trên hình. Nhiễu xạ là hiện tượng tương tự với tán sắc, nhưng không liên quan đến

sự biến đổi bước sóng ánh sáng.

Những dải sáng thường nhìn thấy nằm trong mép của bóng hình học là kết quả

của sự nhiễu xạ. Khi sóng ánh sáng truyền từ một điểm sáng ở xa chạm phải một vật

không trong suốt, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh các mép, uốn cong cả vào

vùng bóng đổ và quay trở lại qua đường đi của ánh sáng khác xuất phát từ cùng nguồn.

Các sóng uốn cong ra phía sau vật tạo ra một vạch sáng, nơi bóng đổ thông thường bắt

đầu, nhưng sóng cũng nảy trở lại vào đường đi của sóng ánh sáng chồng chất phát ra từ

cùng nguồn, tạo ra hình ảnh giao thoa ánh sáng và dải tối xung quanh mép của vật

(xem hình 2). Nhiễu xạ thường được giải thích bằng nguyên lí Huygens, phát biểu rằng

mỗi điểm trên mặt đầu sóng có thể xem là một nguồn phát sóng mới.

Phụ thuộc vào trường hợp xảy ra hiện tượng, nhiễu xạ có thể được nhận thấy ở

nhiều kiểu khác nhau. Các nhà khoa học đã khéo léo sử dụng sự nhiễu xạ của neutron

và tia X để làm sáng tỏ sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong những tinh thể ion nhỏ,

các phân tử, và cả những cấu trúc phân tử vĩ mô lớn như thế, như protein và acid

nucleic. Nhiễu xạ electron thường được sử dụng để xác định các cấu trúc tuần tự của

virus, màng, và những cơ thể sinh vật khác, cũng như các vật liệu có sẵn trong tự nhiên

và vật liệu tổng hợp nhân tạo. Không có loại ống kính có sẵn nào sẽ hội tụ neutron và

tia X thành hình ảnh, nên các nhà nghiên cứu phải khôi phục hình ảnh phân tử và

protein từ đặc trưng nhiễu xạ bằng phép phân tích toán học phức tạp. May thay, thấu

kính từ có khả năng hội tụ electron nhiễu xạ trong kính hiển vi điện tử, và thấu kính

74

thủy tinh rất có ích cho việc tập trung ánh sáng nhiễu xạ tạo thành hình ảnh quang học

có thể dễ dàng nhìn thấy.

Một minh chứng rất đơn giản của sự nhiễu xạ ánh sáng có thể kiểm tra bằng

cách đưa một cánh tay ra phía trước một nguồn sáng mạnh và từ từ khép hai ngón tay

lại gần nhau trong khi quan sát ánh sáng truyền qua giữa chúng. Khi các ngón tay tiến

tới gần nhau ở rất sít nhau (gần như tiếp xúc), người ta có thể bắt đầu nhìn thấy một

dải vạch tối song song với các ngón tay. Các vạch tối song song cùng với khu vực sáng

ở giữa chúng thật ra là hình ảnh nhiễu xạ. Hiệu ứng này được chứng minh rõ ràng

trong hình 2, cho các vòng nhiễu xạ xuất hiện xung quanh các mép sắc nhọn của một

lưỡi dao cạo khi nó được chiếu sáng với nguồn ánh sáng xanh mạnh phát ra từ một

nguồn laser.

Hình 2. Sự nhiễu xạ ánh sáng bởi lưỡi dao cạo

Một ví dụ đơn giản khác, những rất phổ biến, của sự nhiễu xạ xảy ra khi ánh

sáng tán xạ hoặc bị bẻ cong bởi các hạt nhỏ có kích thước vật lí cùng bậc độ lớn với

bước sóng ánh sáng. Một ví dụ tốt là sự trải rộng ra của chùm ánh sáng đèn pha ô tô

bởi sương mù hoặc các hạt bụi mịn. Lượng tán xạ và góc mở rộng của chùm sáng phụ

thuộc vào kích thước và mật độ các hạt gây ra sự nhiễu xạ. Sự tán xạ ánh sáng, một

hình thức nhiễu xạ, cũng là nguyên nhân tạo ra màu xanh của bầu trời và cảnh bình

minh và hoàng hôn thường rực rỡ có thể thấy ở phía chân trời. Nếu như Trái Đất

không có bầu khí quyển (không có không khí, nước, bụi và các mảnh vụn) thì bầu trời

sẽ có màu đen, kể cả vào ban ngày. Khi ánh sáng từ Mặt Trời truyền qua bầu khí

quyển của Trái Đất, những khối phân tử không khí riêng biệt có mật độ biến thiên, do

các dao động nhiệt và sự có mặt của hơi nước, sẽ làm tán xạ ánh sáng. Những bước

sóng ngắn nhất (tím và xanh dương) bị tán xạ nhiều nhất, làm cho bầu trời có màu

xanh thẩm. Khi có một lượng đáng kể bụi hoặc hơi ẩm trong không khí, thì các bước

sóng dài (chủ yếu là màu đỏ) cũng bị tán xạ cùng với bước sóng xanh dương, làm cho

bầu trời xanh trong có vẻ trắng hơn.

Khi Mặt Trời ở trên cao (khoảng giữa trưa) trong bầu khí quyển khô, trong trẻo,

đa số ánh sáng khả kiến truyền qua bầu khí quyển không bị tán xạ đáng kể, và Mặt

Trời có vẻ như trắng trên nền trời xanh thẩm. Khi Mặt Trời bắt đầu lặn, sóng ánh sáng

phải truyền qua lượng nhiều hơn của bầu khí quyển, thường chứa một số lượng lớn các

hạt bụi lơ lửng và hơi ẩm. Dưới những điều kiện này, những bước sóng dài hơn của

ánh sáng trở nên bị tán xạ và những màu khác bắt đầu lấn át màu của Mặt Trời, biến

đổi từ vàng sang cam, cuối cùng chuyển sang đỏ trước khi nó lặn khuất dưới đường

chân trời.

75

Chúng ta có thể thường thấy những sắc thái xanh dương, hồng, tía và xanh lá ở

các đám mây, phát sinh bởi sự kết hợp của các hiệu ứng khi ánh sáng bị khúc xạ và

nhiễu xạ từ những giọt nước trong các đám mây đó. Lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào

bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn bị nhiễu xạ ở góc càng lớn so với bước sóng

dài (trong thực tế, ánh sáng xanh dương và tím bị nhiễu xạ ở góc lớn hơn so với ánh

sáng đỏ). Thuật ngữ nhiễu xạ và tán xạ cũng thường được dùng hoán đổi nhau và có

thể xem gần như là tương đương trong nhiều trường hợp. Sự nhiễu xạ mô tả một

trường hợp đặc biệt của sự tán xạ ánh sáng trong đó một vật có các đặc trưng lặp lại

đều đặn (ví dụ như vật có cấu trúc tuần hoàn hoặc cách tử nhiễu xạ) tạo ra hình ảnh

nhiễu xạ có trật tự. Trong thế giới thực, đa số các vật có hình dạng rất phức tạp và phải

được xem là gồm nhiều đặc trưng nhiễu xạ riêng rẽ có thể cùng tạo ra một sự tán xạ

ánh sáng ngẫu nhiên.

Trong kính hiển vi, sự tán xạ hoặc nhiễu xạ ánh sáng có thể xảy ra tại mặt

phẳng đặt mẫu vật do tương tác của ánh sáng với các hạt hoặc đặc trưng nhỏ, và tại rìa

của vật kính hoặc tại mép của lỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sau vật kính. Sự nhiễu

xạ, hay sự trải rộng ánh sáng này cho phép người ta quan sát được hình ảnh phóng to

của mẫu vật trong kính hiển vi, tuy nhiên, sự nhiễu xạ cũng giới hạn kích thước của vật

thể có thể phân giải được. Nếu ánh sáng truyền qua một mẫu vật và nó không bị hấp

thụ hoặc nhiễu xạ thì mẫu vật sẽ không nhìn thấy được khi xem qua thị kính. Cách

thức ảnh được tạo ra trong kính hiển vi phụ thuộc sự nhiễu xạ ánh sáng thành các sóng

phân kì, rồi chúng tái kết hợp thành hình ảnh phóng đại qua sự giao thoa tăng cường và

triệt tiêu.

Khi chúng ta quan sát mẫu vật, trực tiếp hoặc với kính hiển vi, kính thiên văn,

hay thiết bị quang nào khác, hình ảnh chúng ta nhìn thấy gồm vô số điểm sáng chồng

chất tỏa ra từ bể mặt của mẫu vật đó. Do đó, sự xuất hiện và tính toàn vẹn của hình ảnh

từ một điểm sáng nào đó giữ một vai trò quan trọng đối với sự tạo ảnh toàn thể. Do các

tia sáng tạo ảnh bị nhiễu xạ, nên một điểm sáng thật sự chưa bao giờ được thấy là một

điểm trong kính hiển vi, mà là một hình ảnh nhiễu xạ gồm một đĩa hoặc một đốm sáng

ở giữa có đường kính hạn chế và bao quanh là các vòng nhạt dần. Hệ quả là ảnh của

mẫu vật chưa bao giờ là hiện thân chính xác của mẫu vật, và đặt ra giới hạn dưới về

những chi tiết nhỏ nhất trong mẫu vật có thể được phân giải. Năng suất phân giải là

khả năng của một thiết bị quang học tạo ra hình ảnh tách biệt nhau rõ rệt của hai điểm

ở gần kề nhau. Tính đến điểm mà ở đó sự nhiễu xạ làm cho độ phân giải bị giới hạn,

thì chất lượng của thấu kính và gương trong thiết bị, cũng như tính chất của môi

trường xung quanh (thường là không khí) xác định độ phân giải cuối cùng.

Một vài thí nghiệm cổ điển và cơ bản nhất giúp giải thích sự nhiễu xạ ánh sáng

được nêu ra lần đầu tiên giữa cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người

Italia Francesco Grimaldi, nhà khoa học người Pháp Augustin Fresnel, nhà vật lí người

Anh Thomas Young, và một vài nhà nghiên cứu khác. Những thí nghiệm này bao hàm

sự truyền sóng ánh sáng qua một khe (lỗ) rất nhỏ, và chứng minh rằng khi ánh sáng

truyền qua khe, kích thước vật lí của khe xác định cách thức khe tương tác với ánh

sáng. Nếu bước sóng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với bề rộng lỗ hoặc khe, thì sóng ánh

sáng đơn giản là truyền tới trước theo đường thẳng sau khi đi qua như thể không có lỗ

ở đó (như biểu diễn trong hình 3). Tuy nhiên, khi bước sóng vượt quá kích thước của

khe, sự nhiễu ánh sáng xuất hiện, làm hình thành hình ảnh nhiễu xạ gồm một phần

sáng ở giữa (cực đại chính), bao quanh ở hai phía là dải cực đại thứ cấp cách nhau bởi

76

những vùng tối (cực tiểu, xem hình 4). Cực đại và cực tiểu được tạo ra bởi sự giao thoa

của sóng ánh sáng nhiễu xạ. Mỗi dải sáng kế tiếp trở nên kém sáng hơn dải phía trước,

tính từ cực đại trung tâm ra. Độ rộng của phần sáng trung tâm và khoảng cách giữa các

dải sáng tương ứng, phụ thuộc vào kích thước của lỗ (khe) và bước sóng ánh sáng. Mối

quan hệ này có thể mô tả bằng toán học và chứng minh độ rộng của cực đại trung tâm

giảm khi bước sóng giảm và chiễu rộng lỗ tăng, nhưng có thể chưa bao giờ giảm đến

kích thước của nguồn sáng điểm.

Hình 3. Nhiễu xạ ánh sáng qua một lỗ nhỏ

Sự phân bố cường độ ánh sáng nhiễu xạ bởi thí nghiệm khe đơn được biểu diễn

trên hình 3 và 4. Giả sử cả hai chùm ánh sáng trong hình 3 là gồm các sóng ánh sáng

kết hợp, đơn sắc phát ra từ một nguồn điểm cách khe đủ xa để các mặt đầu sóng có thể

xem là những đường thẳng song song nhau. Ánh sáng truyền qua lỗ d trong phần bên

phải của hình có bước sóng lớn hơn lỗ và bị nhiễu xạ với chùm sáng tới chủ yếu tại

điểm P và cực đại thứ cấp đầu tiên xuất hiện tại điểm Q. Như đã chỉ rõ trong phần bên

trái của hình 3, khi bước sóng nhỏ hơn nhiều so với bề rộng lỗ (d) thì sóng truyền đơn

giản qua lỗ theo đường thẳng như thể một hạt hoặc không có lỗ ở đó. Tuy nhiên, khi

bước sóng vượt quá kích thước của lỗ, nó bị nhiễu xạ, tạo ra cực đại trung tâm chứa đa

số cường độ ánh sáng, cùng với cực đại thứ cấp bậc cao và cực tiểu cường độ chi phối

theo phương trình

sin () = m/d

trong đó là góc giữa hướng truyền tới trung tâm và cực tiểu đầu tiên của hình ảnh

nhiễu xạ, và m biểu thị dãy số cực đại bậc cao. Cường độ ánh sáng cực đại tại bằng 0

độ, và giảm đến cực tiểu (cường độ bằng 0) tại góc chi phối bởi phương trình ở trên.

Thí nghiệm tạo ra một cực đại sáng trung tâm, bao quanh ở hai phía là các cực đại thứ

cấp, với cường độ của mỗi cực đại thứ cấp giảm khi khoảng cách tính từ trung tâm

tăng lên. Hình 4 minh họa nguyên lí này với đồ thị cường độ chùm đối với bán kính

nhiễu xạ. Lưu ý rằng các cực tiểu xuất hiện giữa các cực đại thứ cấp nằm ở vị trí bội

của pi ().

77

Hình 4. Sự phân bố cường độ của ánh sáng nhiễu xạ

Cả hai thí nghiệm mô tả ở trên, và chứng minh sự nhiễu xạ bằng ánh sáng

truyền giữa các ngón tay, đều sử dụng khe hẹp hoặc lỗ nhỏ để tạo ra hình ảnh nhiễu xạ.

Tất cả các thiết bị quang học, kể cả kính hiển vi, đều sử dụng các thấu kính tròn và lỗ

nhỏ, giống như cấu tạo của mắt con người vậy. Lỗ tròn tạo ra hiện tượng nhiễu xạ

tương tự, mặc dù có sự đối xứng tâm (thay vì hình học tuyến tính, như trường hợp các

khe). Vì vậy, hình ảnh nhiễu xạ của một nguồn sáng điểm, nếu phóng đại, sẽ được thấy

là gồm một đĩa sáng trung tâm bao quanh bởi dải vòng nhiễu xạ (cực đại thứ cấp và

cực tiểu). Khi một thấu kính, như vật kính của kính hiển vi, là hoàn toàn hội tụ, thì

cường độ sóng tại cực tiểu giữa các vòng sáng trong hình ảnh nhiễu xạ là bằng không.

Bất kể mức độ hoàn hảo của thấu kính, cực đại nhiễu xạ thứ cấp không thể bị loại trừ

cũng như không thể làm giảm đốm sáng trung tâm thành một điểm sóng (trừ khi thấu

kính được chế tạo có đường kính vô hạn).

Đốm hay đĩa nhiễu xạ trung tâm được gọi là đĩa Airy, đặt theo tên George Airy,

người đã mô tả nhiều khía cạnh của khái niệm nhiễu xạ trong thế kỉ 19. Hình ảnh đĩa

Airy (minh họa trong hình 5) là kết quả trực tiếp của sự nhiễu xạ, và chứng minh sự

biến đổi các điểm sáng tạo nên hình ảnh bằng thiết bị quang, như kính hiển vi chẳng

hạn. Theo cách tương tự như sự nhiễu xạ bởi một khe, kích thước của đĩa trung tâm tạo

ra bởi thấu kính tròn liên quan tới bước sóng của ánh sáng và đường kính hoặc khẩu độ

của thấu kính. Trong trường hợp camera hoặc kính viễn vọng, thấu kính nhận ánh sáng

từ một vật ở khoảng cách xa (vô hạn) nên khẩu độ phụ thuộc vào tỉ số tiêu f/D, trong

đó D là đường kính của thấu kính, và f là tiêu cự. Tỉ số tiêu thường được nhắc tới trong

nhiếp ảnh là số f của thấu kính. Khẩu độ có thể được xem là đường kính góc của thấu

kính, đo từ một điểm tham chiếu tại lỗ thấu kính đến một điểm trong mặt phẳng ảnh

đặt cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cực (f). Bán kính của đĩa nhiễu xạ (d) cho bởi

công thức sau:

d = 1,22 . (f/D)

Với vật kính dùng trong kính hiển vi, khái niệm khẩu độ số (NA) được dùng

thay cho khẩu độ góc. Định nghĩa khẩu độ số bao gồm chiết suất của môi trường nằm

giữa phía trước của thấu kính và bàn kính đặt mẫu vật của kính hiển vi, và nửa góc mà

thấu kính có thể thu nhận ánh sáng từ mẫu vật ở gần đặt tại khoảng cách tiêu. Sử dụng

78

biến n chỉ chiết suất, và là nửa khẩu độ góc, khẩu độ số của vật kính kính hiển vi

được định nghĩa là

NA = n . sin ()

Bán kính của đốm nhiễu xạ (r) đối với một điểm sáng trong mặt phẳng ảnh

(xem hình 4) cho bởi

r = 1,22 . (2NA)

Hình ảnh đĩa Airy, cùng với các hàm rải điểm, ở ba độ phân giải giả thuyết,

biểu diễn trong hình 5. Hàm rải điểm là một biểu diễn ba chiều của hình ảnh nhiễu xạ

xuất hiện dọc theo trục quang của kính hiển vi. Khi độ phân giải tăng, kích thước đĩa

Airy giảm và hàm rải điểm tương ứng thu hẹp lại. Điều này có thể chứng minh khi

quan sát hình bằng cách so sánh đĩa Airy và hàm rải điểm ở hình (a), biểu diễn độ phân

giải thấp nhất, với hình (c), có độ phân giải cao nhất trong nhóm. Về mặt thực nghiệm,

có thể làm tăng độ phân giải bằng cách giảm bước sóng ánh sáng sử dụng để tạo ảnh

mẫu vật (ví dụ, từ ánh sáng trắng sang ánh sáng xanh dương), hoặc tăng khẩu độ số

của vật kính và sự kết hợp tụ sáng. Dưới đa số trường hợp, việc chọn một vật kính có

khẩu độ số cao để làm tăng độ phân giải ảnh tạo bởi kính hiển vi thì dễ dàng và thực tế

hơn nhiều.

Hình 5. Hình ảnh đĩa Airy và PFS từ nhiễu xạ

Cho dù ảnh được tạo bởi kính hiển vi hoặc bất cứ thiết bị quang nào khác, thì

kích thước của đốm sáng nhiễu xạ trở nên nhỏ hơn khi bước sóng giảm hoặc khẩu độ

số tăng, nhưng luôn luôn còn lại một cái đĩa lớn hơn điểm sáng phát ra từ mẫu vật

(hoặc đối tượng khác) được ghi ảnh. Trong việc đánh giá độ phân giải khả dĩ với kính

hiển vi, nếu như kích thước của từng đốm sáng là nhân tố giới hạn (chứ không phải sự

quang sai của thấu kính hay các biến khác), thì ảnh thu được được gọi là nhiễu xạ giới

hạn. Vì vậy, đối với bất kì thiết bị quang nào, khả năng tập trung ánh sáng được giữ cố

định bởi góc mở hay khẩu độ số, và độ phân giải thu được được điều khiển bởi sự thay

đổi những giá trị này và bước sóng của ánh sáng dùng cho việc ghi ảnh để thu được

kích thước đĩa nhiễu xạ nhỏ nhất có thể có với thiết bị đó. Chỉ khi nào những chi tiết

của mẫu vật nhìn trong ảnh lớn hơn kích thước đĩa giới hạn này, thì người ta mới có

thể kết luận về kích thước, hình dạng, và sự sắp xếp đặc trưng của chúng.

79

SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

Ánh sáng Mặt Trời và hầu như mọi dạng nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo

khác đều tạo ra sóng ánh sáng có vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng

vuông góc với hướng truyền sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao động trong

một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với những chất liệu đặc biệt, thì ánh sáng được xem

là phân cực phẳng, hay phân cực thẳng đối với hướng truyền, và tất cả sóng dao động

trong một mặt phẳng được gọi là mặt phẳng song song, hay mặt phẳng phân cực.

Hình 1. Sự phân cực của sóng ánh sáng

Mắt người không có khả năng phân biệt giữa ánh sáng định hướng ngẫu nhiên

và ánh sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳng chỉ có thể phát hiện qua cường độ

hoặc hiệu ứng màu, ví dụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm. Trong thực tế, con

người không thể nào phân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao nhìn thấy trong

kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnh tương tự của cùng mẫu vật ghi bằng kĩ

thuật số (hoặc trên phim) và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sáng không phân cực. Ý

niệm cơ bản của sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 1 đối với một chùm

ánh sáng không phân cực đi tới hai bản phân cực thẳng. Vectơ điện trường vẽ trong

chùm ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao động theo mọi hướng (360 độ, mặc dù chỉ

có 6 sóng, cách nhau 60 độ được vẽ trong hình). Trong thực tế, vectơ điện trường của

ánh sáng tới dao động vuông góc với hướng truyền với sự phân bố đều trong mọi mặt

phẳng trước khi chạm phải bản phân cực thứ nhất.

Các bản phân cực minh họa trong hình 1 thực ra là những bộ lọc gồm các phân

tử polymer chuỗi dài định theo một hướng. Chỉ có ánh sáng tới dao động trong cùng

mặt phẳng với các phân tử polymer định hướng bị hấp thụ, còn ánh sáng dao động

vuông góc với mặt phẳng polymer thì truyền qua bộ lọc phân cực thứ nhất. Hướng

phân cực của bản phân cực thứ nhất là thẳng đứng nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua

được những sóng có vectơ điện trường thẳng đứng. Sóng truyền qua bản phân cực thứ

nhất sau đó bị chặn lại bởi bản phân cực thứ hai, do bản phân cực này định hướng

ngang đối với vectơ điện trường trong sóng ánh sáng. Ý tưởng sử dụng hai bản phân

cực định hướng vuông góc với nhau thường được gọi là sự phân cực chéo và là cơ sở

cho ý tưởng về kính hiển vi ánh sáng phân cực.

Manh mối đầu tiên cho sự tồn tại của ánh sáng phân cực xuất hiện vào khoảng

năm 1669 khi Erasmus Bartholin phát hiện thấy tinh thể khoáng chất spar Iceland (loại

chất canxit trong suốt, không màu) tạo ra một ảnh kép khi các vật được nhìn qua tinh

thể trong ánh sáng truyền qua. Trong thí nghiệm của ông, Bartholin cũng quan sát thấy

một hiện tượng khá lạ thường. Khi tinh thể canxit quay xung quanh một trục nhất định,

một trong hai ảnh cũng chuyển động tròn xung quanh ảnh kia, mang lại bằng chứng

80

mạnh mẽ cho thấy tinh thể bằng cách nào đó đã tách ánh sáng thành hai chùm tia khác

nhau.

Hình 2. Sự khúc xạ kép trong tinh thể canxit

Hơn một thế kỉ sau đó, nhà vật lí người Pháp Etienne Malus đã xác định được

ảnh tạo ra với ánh sáng phản xạ qua tinh thể canxit và lưu ý rằng, dưới những điều kiện

nhất định, một trong các ảnh sẽ biến mất. Ông đã nhận định không chính xác rằng ánh

sáng ban ngày thông thường gồm hai dạng ánh sáng khác nhau truyền qua tinh thể

canxit theo các đường đi độc lập nhau. Sau đó, người ta xác định được sự khác biệt

xảy ra do sự phân cực của ánh sáng truyền qua tinh thể. Ánh sáng ban ngày gồm

những ánh sáng dao động trong mọi mặt phẳng, trong khi ánh sáng phản xạ thường

giới hạn trong một mặt phẳng song song với bề mặt mà từ đó ánh sáng bị phản xạ.

Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra từ những quá trình vật lí phổ biến làm

lệch hướng chùm tia sáng, như sự hấp thụ, khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và

quá trình gọi là lưỡng chiết (đặc điểm của sự khúc xạ kép). Ánh sáng phản xạ từ bề

mặt phẳng của một chất lưỡng cực điện (hoặc cách điện) thường bị phân cực một phần,

với vectơ điện của ánh sáng phản xạ dao động trong mặt phẳng song song vói bề mặt

của vật liệu. Ví dụ thường gặp về những bề mặt phản xạ ánh sáng phân cực là mặt

nước yên tĩnh, thủy tinh, bản plastic, và đường xa lộ. Trong những thí dụ này, sóng ánh

sáng có vectơ điện trường song song với bề mặt chất bị phản xạ ở mức độ cao hơn so

với sóng ánh sáng có những định hướng khác. Tính chất quang học của bề mặt cách

điện xác định lượng chính xác ánh sáng phản xạ bị phân cực. Những chiếc gương

không phải là bản phân cực tốt, mặc dù nhiều chất liệu trong suốt trong vai trò bản

phân cực rất tốt, nhưng chỉ khi góc ánh sáng tới nằm trong một giới hạn nhất định nào

đó. Một tính chất quan trọng của ánh sáng phân cực phản xạ là độ phân cực phụ thuộc

vào góc tới của ánh sáng, với lượng phân cực tăng được quan sát thấy khi góc tới

giảm.

Khi xét sự tác động của ánh sáng không phân cực lên một bề mặt cách điện

phẳng, có một góc duy nhất mà tại đó sóng ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn

vào một mặt phẳng. Góc này thường được gọi là góc Brewster, và có thể dễ dàng tính

được bằng phương trình sau đối với chùm ánh sáng truyền qua không khí:

n = sin(i)/sin(r) = sin(i)/sin(90-i) = tan(i)

trong đó n là chiết suất của môi trường mà từ đó ánh sáng bị phản xạ, (i) là góc tới,

(r) là góc khúc xạ. Bằng việc giải phương trình, người ta có thể thấy rõ rằng chiết suất

của một chất chưa biết có thể xác định được từ góc Brewster. Đặc điểm này đặc biệt

hữu ích trong trường hợp chất mờ đục có hệ số hấp thụ cao đối với ánh sáng truyền

qua, không thể áp dụng được công thức của định luật Snew quen thuộc. Việc xác định

81

lượng phân cực bằng kĩ thuật phản xạ cũng làm dịu đi cuộc tìm kiếm trục phân cực

trên bản phim phân cực không được đánh dấu.

Hình 3. Góc Brewster

Nguyên lí của góc Brewster được minh họa trong hình 3 đối với một tia sáng

phản xạ từ một bề mặt phẳng của một môi trường trong suốt có chiết suất lớn hơn

không khí. Tia tới được vẽ với chỉ hai mặt phẳng dao động vectơ điện, nhưng nó dùng

để miêu tả ánh sáng có các dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với hướng

truyền. Khi chùm tia đi tới bề mặt ở góc tới hạn (góc Brewster, kí hiệu trong hình 3),

thì độ phân cực của tia phản xạ là 100%, với sự định hướng của các vectơ điện nằm

vuông góc với mặt phẳng tới và song song với bề mặt phản xạ. Mặt phẳng tới được

định nghĩa bởi sóng tới, sóng khúc xạ, và sóng phản xạ. Tia khúc xạ hợp một góc 90

độ với tia phản xạ và chỉ bị phân cực một phần.

Đối với nước (chiết suất 1,333), thủy tinh (chiết suất 1,515) và kim cương (chiết

suất 2,417), góc tới hạn (Brewster) tương ứng là 53, 57 và 67,5 độ. Ánh sáng phản xạ

từ bề mặt đường xa lộ ở góc Brewster thường tạo ra ánh chói khó chịu và làm người lái

xe xao lãng, có thể chứng minh một cách khá dễ dàng bằng cách quan sát phần ở xa

của xa lộ hoặc mặt nước hồ bơi vào một ngày nắng nóng. Các laser hiện đại thường

khai thác lợi thế của góc Brewster để tạo ra ánh sáng phân cực thẳng từ sự phản xạ ở

các bề mặt gương đặt ở hai đầu hộp laser.

Như đã nói ở phần trên, sự phản xạ rực rỡ xuất phát từ những bề mặt nằm

ngang, ví dụ như xa lộ hoặc nước trong hồ, bị phân cực một phần với các vectơ điện

trường dao động theo một hướng song song với mặt đất. Ánh sáng này có thể bị chặn

lại bởi các bộ lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng, như minh họa trong hình 4,

với cặp kính râm phân cực. Các thấu kính của cặp kính có những bộ lọc phân cực định

theo hướng thẳng đứng đối với cấu trúc kính. Trong hình, sóng ánh sáng màu xanh có

vectơ điện trường của chúng định theo cùng hướng như các thấu kính phân cực và, vì

vậy, được truyền qua. Trái lại, sóng ánh sáng màu đỏ định hướng dao động vuông góc

với định hướng của bộ lọc và bị chặn lại bởi thấu kính. Kính râm phân cực rất có ích

khi lái xe dưới cái nắng chói chang hoặc đi ở bờ biển khi ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ

từ bề mặt đường hoặc mặt nước, dẫn tới ánh chói có thể làm ta gần như không thấy gì

nữa. Các bộ lọc phân cực cũng khá có ích trong nhiếp ảnh, chúng có thể được gắn ở

phía trước thấu kính camera để làm giảm ánh chói và làm tăng độ tương phản ảnh toàn

thể trong hình chụp hoặc ảnh kĩ thuật số. Các bản phân cực dùng trên camera thường

82

được thiết kế có một vòng lắp cho phép chúng quay khi sử dụng để thu được hiệu ứng

mong đợi dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau.

Hình 4. Hoạt động của kính râm phân cực

Một trong những bộ lọc phân cực đầu tiên được chế tạo vào đầu thế kỉ 19 bởi

nhà khoa học người Pháp Francis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểu bản chất

của ánh sáng phân cực. Arago đã nghiên cứu sự phân cực của ánh sáng phát ra từ

những nguồn khác nhau trên bầu trời và nêu ra một lí thuyết tiên đoán rằng vận tốc ánh

sáng phải giảm khi nó truyền vào một môi trường đậm đặc hơn. Ông cũng làm việc với

Augustin Fresnel nghiên cứu sự giao thoa trong ánh sáng phân cực và phát hiện thấy

hai chùm ánh sáng phân cực với sự định hướng dao động của chúng vuông góc nhau sẽ

không chịu sự giao thoa. Các bộ lọc phân cực của Arago, được thiết kế và chế tạo

trong năm 1812, chế tạo từ nhiều bản thủy tinh ép sát vào nhau.

Đa phần chất phân cực được sử dụng ngày nay có nguồn gốc từ những màng

tổng hợp do tiến sĩ Erwin H.Land phát minh ra năm 1932, sớm vượt qua tất cả các chất

khác làm môi trường được chọn dùng để tạo ra ánh sáng phân cực phẳng. Để chế tạo

những màng này, các tinh thể iodoquinine sulfate nhỏ xíu, định theo cùng một hướng,

được gắn vào một màng trùng hợp trong suốt để ngăn chặn sự di trú và định hướng lại

của tinh thể. Land đã chế tạo các bản chứa màng phân cực được thương mại hóa dưới

cái tên Polaroid (tên thương phẩm đã được đăng kí), trở thành một thuật ngữ được

chấp nhận rộng rãi đối với các bản này. Bất cứ dụng cụ nào có khả năng lọc ánh sáng

phân cực phẳng từ ánh sáng trắng tự nhiên (không phân cực) ngày nay đều được gọi là

bản phân cực, cái tên được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1948 bởi A.F. Hallimond. Vì

những bộ lọc này có khả năng truyền chọn lọc các tia sáng, phụ thuộc vào sự định

hướng của chúng đối với trục bản phân cực, nên chúng biểu hiện một dạng lưỡng sắc,

và thường được gọi là bộ lọc lưỡng sắc.

Kính hiển vi ánh sáng phân cực lần đầu tiên được nêu ra vào thế kỉ 19, nhưng

thay vì sử dụng chất phân cực truyền qua, ánh sáng được phân cực bằng sự phản xạ từ

một chồng đĩa thủy tinh đặt hợp một góc 57 độ so với mặt phẳng tới. Sau đó, những

thiết bị tiên tiến hơn dựa trên tinh thể chất khúc xạ kép (như canxit) cắt theo kiểu đặc

biệt và hàn với nhau tạo thành lăng kính. Một chùm ánh sáng trắng không phân cực đi

vào tinh thể loại này bị tách thành hai thành phần phân cực theo hướng vuông góc với

nhau (trực giao).

Một trong hai tia sáng ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết được gọi là tia thường, còn

tia kia gọi là tia bất thường. Tia thường bị khúc xạ ở mức độ cao hơn bởi lực tĩnh điện

trong tinh thể và chạm tới bề mặt hàn ở góc tới hạn của sự phản xạ nội toàn phần. Kết

quả là tia này bị phản xạ ra khỏi lăng kính và bị loại trừ bởi sự hấp thụ ở mép thiết bị.

83

Tia bất thường truyền qua lăng kính và ló ra dưới dạng chùm ánh sáng phân cực thẳng

truyền thẳng tới tụ sáng hoặc mẫu vật (đặt trên bàn soi hiển vi).

Một số mẫu dụng cụ phân cực trên cơ sở lăng kính được bày bán rộng rãi và

chúng thường được đặt theo tên nhà chế tạo ra chúng. Lăng kính phân cực phổ biến

nhất (minh họa trong hình 5) đặt theo tên William Nicol, người đầu tiên chẻ và hàn hai

tinh thể spar Iceland với nhau bằng nhựa Canada vào năm 1829. Lăng kính Nicol lần

đầu tiên được sử dụng để đo góc phân cực của hỗn hợp lưỡng chiết, mang đến những

phát triển mới trong việc tìm hiểu sự tương tác giữa ánh sáng phân cực và các chất kết

tinh.

Hình 5. Lăng kính phân cực Nicol

Hình 5 minh họa cấu trúc của một lăng kính Nicol điển hình. Một tinh thể chất

khúc xạ kép (lưỡng chiết), thường là canxit, được cắt dọc theo mặt phẳng đánh dấu a-

b-c-d và hai nửa sau đó hàn lại với nhau, tạo ra hình dạng tinh thể ban đầu. Một chùm

ánh sáng trắng không phân cực đi vào tinh thể từ phía bên trái và tách thành hai thành

phần bị phân cực theo hướng vuông góc với nhau. Một trong hai chùm này (gọi là tia

thường) bị khúc xạ ở mức độ lớn hơn và chạm tới ranh giới hàn ở một góc mà kết quả

là bị phản xạ toàn bộ khỏi lăng kính qua mặt tinh thể ở trên cùng. Còn chùm kia (tia

bất thường) bị khúc xạ ở mức độ ít hơn và truyền qua lăng kính, đi ra ngoài dưới dạng

chùm ánh sáng phân cực phẳng.

Những cơ cấu lăng kính khác được đề xuất và chế tạo trong thế kỉ 19 và đầu thế

kỉ 20, nhưng hiện nay chúng không còn được sử dụng để tạo ra ánh sáng phân cực

trong những ứng dụng hiện đại. Lăng kính Nicol rất đắt và kềnh càng, và có khẩu độ

rất hạn chế, nên công dụng của chúng giới hạn ở những sự phóng đại cao. Thay vì vậy,

ngày nay ánh sáng phân cực được tạo ra phổ biến nhất bằng sự hấp thụ ánh sáng có tập

hợp hướng dao động nhất định trong môi trường lọc (ví dụ như bản phân cực), trong

đó trục truyền của bộ lọc vuông góc với sự định hướng của polymer tuyến tính và tinh

thể có chứa chất phân cực.

Trong những bản phân cực hiện đại, các sóng ánh sáng tới có dao động vectơ

điện trường song song với trục tinh thể của bản phân cực bị hấp thụ. Nhiều sóng trong

số các sóng tới sẽ có sự định hướng vectơ xiên góc, nhưng không vuông góc với trục

tinh thể, và sẽ chỉ bị hấp thụ một phần. Mức độ hấp thụ đối với các sóng ánh sáng xiên

phụ thuộc vào góc dao động mà chúng chạm tới bản phân cực. Những tia nào có góc

đó gần song song với trục tinh thể sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so với những tia có góc gần

84

vuông góc. Các bộ lọc Palaroid phổ biến nhất (gọi là sêri H) truyền qua chỉ khoảng

25% chùm ánh sáng tới, nhưng mức độ phân cực của tia truyền qua vượt trên 99%.

Một số ứng dụng, nhất là kính hiển vi ánh sáng phân cực, dựa trên các bản phân

cực vuông góc để xác định chất khúc xạ kép hoặc lưỡng chiết. Khi hai bản phân cực

đặt vuông góc nhau, trục truyền của chúng định hướng vuông góc nhau và ánh sáng

truyền qua bản phân cực thứ nhất hoàn toàn bị dập tắt, hoặc bị hấp thụ, bởi bản phân

cực thứ hai, bản này thường được gọi là bản phân tích. Lượng ánh sáng hấp thụ của bộ

lọc phân cực lưỡng sắc xác định chính xác bao nhiêu ánh sáng ngẫu nhiên bị dập tắt

khi bản phân cực được dùng trong bản cặp bắt chéo, và thường được gọi là hệ số dập

tắt của bản phân cực. Về mặt định lượng, hệ số dập tắt được xác định bởi tỉ số của ánh

sáng truyền qua bởi cặp phân cực khi trục truyền của chúng định hướng song song và

lượng ánh sáng truyền qua khi đặt chúng vuông góc với nhau. Nói chung, hệ số dập tắt

từ 10.000 đến 100.000 để tạo ra nền đen thẳm và mẫu vật lưỡng chiết dễ quan sát nhất

(và tương phản) trong kính hiển vi quang học phân cực.

Hình 6. Sự truyền ánh sáng phân cực qua bản phân tích

Lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực chất lượng cao bắt chéo được xác

định bằng sự định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản phân

cực định hướng vuông góc nhau, chúng biểu hiện một mức dập tắt cực đại. Tuy nhiên,

ở những góc khác, mức độ dập tắt thay đổi như minh họa bởi biểu đồ vectơ trong hình

6. Bản phân tích được dùng để điểu chỉnh lượng ánh sáng truyền qua cặp bắt chéo, và

có thể quay trong đường đi tia sáng để cho các biên độ khác nhau của ánh sáng phân

cực truyền qua. Trong hình 6a, bản phân cực và bản phân tích có trục truyền song song

nhau và vectơ điện của ánh sáng truyền qua bản phân cực và bản phân tích có độ lớn

bằng nhau và song song với nhau.

Quay trục truyển bản phân tích đi 30 độ so với trục truyền của bản phân cực

làm giảm biên độ của sóng ánh sáng truyền qua cặp bản, như minh họa trong hình 6b.

Trong trường hợp này, ánh sáng phân cực truyền qua bản phân cực có thể phân tích

thành những thành phần nằm ngang và thẳng đứng bằng toán học vectơ để xác định

biên độ của ánh sáng phân cực có thể truyền qua bản phân tích. Biên độ của tia truyền

qua bản phân tích bằng với thành phần vectơ đứng (minh họa là mũi tên màu vàng

trong hình 6b).

85

Tiếp tục quay trục truyền bản phân tích đến góc 60 so với trục truyền bản phân

cực, làm giảm hơn nữa biên độ của thành phần vectơ truyền qua bản phân tích (hình

6c). Khi bản phân tích và bản phân cực hoàn toàn chéo góc (góc 90 độ) thì thành phần

thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình 6d) và các bản phân cực thu được giá trị dập

tắt cực đại của chúng.

Lượng ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực có thể được mô tả định lượng

bằng cách áp dụng định luật bình phương cosin Malus, là hàm của góc giữa các trục

truyền bản phân cực:

I = I (o) cos2

trong đó I là cường độ ánh sáng truyền qua bản phân tích (và toàn bộ lượng ánh sáng

truyền qua cặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cường độ ánh sáng tới trên bản phân

cực, và là góc giữa trục truyền của bản phân cực và bản phân tích. Bằng việc giải

phương trình, có thể xác định khi hai bản phân cực chéo góc ( = 90 độ) thì cường độ

bằng không. Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua bởi bản phân cực bị dập tắt

hoàn toàn bởi bản phân tích. Khi các bản phân cực xiên góc 30 và 60 độ, ánh sáng

truyền qua bởi bản phân tích giảm đi tương ứng là 25% và 75%.

Sự phân cực của ánh sáng tán xạ

Các phân tử chất khí và nước trong bầu khí quyển làm tán xạ ánh sáng từ Mặt

Trời theo mọi hướng, hiệu ứng gây ra bầu trời xanh, những đám mây trắng, hoàng hôn

đỏ rực, và hiện tượng gọi là sự phân cực khí quyển. Lượng ánh sáng tán xạ (gọi là tán

xạ Rayleigh) phụ thuộc vào kích thước của các phân tử (hydrogen, oxygen, nước) và

bước sóng ánh sáng, như đã được chứng minh bởi huân tước Rayleigh hồi năm 1871.

Những bước sóng dài, như đỏ, cam, vàng không bị tán xạ nhiều như các bước sóng

ngắn, như tím và xanh dương.

Hình 7. Sự phân cực của ánh sáng Mặt Trời tán xạ

Sự phân cực khí quyển là kết quả trực tiếp của sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng

Mặt Trời bởi các phân tử trong khí quyển. Lúc va chạm giữa photon đến từ Mặt Trời

và phân tử chất khí, điện trường từ photon giảm dao động và rồi tái bức xạ ánh sáng

phân cực từ phân tử đó (minh họa trong hình 7). Ánh sáng phát xạ bị tán xạ theo

hướng vuông góc với hướng truyền ánh sáng Mặt Trời, và bị phân cực hoặc dọc, hoặc

ngang, phụ thuộc vào hướng tán xạ. Đa phần ánh sáng phân cực chạm đến Trái Đất bị

86

phân cực ngang (trên 50%), một sự thật có thể xác nhận bằng cách quan sát bầu trời

qua một bộ lọc Polaroid.

Có những bản báo cáo cho biết một số loài côn trùng và động vật nhất định có

khả năng phát hiện ánh sáng phân cực, gồm các loài kiến, ruồi, và một số loài cá, danh

sách các loài thật ra còn dài hơn nhiều. Ví dụ, một số loài côn trùng (chủ yếu là ong

mật) được cho là đã sử dụng ánh sáng phân cực để định vị mục tiêu của chúng. Nhiều

người cũng tin rằng có một số cá nhân nhạy cảm với ánh sáng phân cực và có thể quan

sát thấy một đường chân trời màu vàng chồng lên nền trời xanh khi nhìn chằm chằm

theo hướng vuông góc với hướng của Mặt Trời (một hiện tượng gọi là chổi Haidinger).

Các protein sắc tố vàng, gọi là macula lutea, là những tinh thể lưỡng sắc cư trú trong

hố mắt người, được biết là cho phép người ta nhìn thấy ánh sáng phân cực.

Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn

Trong ánh sáng phân cực thẳng, vectơ điện trường dao động theo hướng vuông

góc với hướng truyền sáng, như đã nói ở trên. Các nguồn sáng tự nhiên, như ánh sáng

Mặt Trời, và các nguồn sáng nhân tạo, gồm ánh sáng đèn nóng sáng và đèn huỳnh

quang, đều phát ra ánh sáng có vectơ điện định hướng ngẫu nhiên trong không gian và

thời gian. Ánh sáng thuộc loại này gọi là không phân cực. Ngoài ra, cũng tồn tại một

vài trạng thái ánh sáng phân cực elip nằm giữa phân cực thẳng và không phân cực,

trong đó vectơ điện trường có hình dạng elip trong mọi mặt phẳng vuông góc với

hướng truyền sóng ánh sáng.

Sự phân cực elip, không giống như ánh sáng phân cực phẳng và không phân

cực, có “cảm giác” quay theo hướng quay vectơ điện xung quanh trục truyền (tới) của

chùm tia sáng. Khi nhìn từ phía sau lại, hướng phân cực có thể là xoay sang trái hoặc

xoay sang phải, một tính chất gọi là độc khuynh của sự phân cực elip. Sự quét vectơ

xoay theo chiều kim đồng hồ được cho là phân cực phải (thuận), và sự quét vectơ xoay

ngược chiều kim đồng hồ là phân cực trái (nghịch).

Trong trường hợp mà trục chính và trục vectơ phụ của elip phân cực bằng nhau,

thì sóng ánh sáng rơi vào loại ánh sáng phân cực tròn, và có thể phân cực trái hoặc

phải. Một trường hợp nữa thường xảy ra trong đó trục chính của thành phần vectơ điện

trong ánh sáng phân cực elip tiến tới không, và ánh sáng trở nên phân cực thẳng. Mặc

dù mỗi kiểu phân cực có thể thu được trong phòng thí nghiệm với thiết bị quang học

thích hợp, chúng cũng xảy ra trong ánh sáng tự nhiên không phân cực.

Sóng ánh sáng thường và bất thường phát ra khi chùm ánh sáng truyền qua tinh

thể lưỡng chiết có vectơ điện phân cực phẳng vuông góc với nhau. Ngoài ra, do sự

giao thoa trong tương tác điện tử mà mỗi thành phần trải qua trong hành trình của nó đi

qua tinh thể, thường xuất hiện một sự lệch pha giữa hai sóng. Mặc dù sóng thường và

sóng bất thường đi theo quỹ đạo độc lập nhau và tách xa nhau trong tihn thể canxit đã

mô tả ở phần trên, nhưng đây không phải là trường hợp phổ biến đối với những chất

kết tinh có một trục quang vuông góc với mặt phẳng chiếu sáng tới.

87

Hình 8. Sóng ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn

Một loại chất đặc biệt, gọi là đĩa bù hoặc đĩa trễ, khá có ích trong việc tạo ra

ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn cho một số ứng dụng, như kính hiển vi quang

học phân cực. Những chất lưỡng chiết này được chọn bởi vì, khi trục quang của chúng

đặt vuông góc với chùm tia sáng tới, thì các tia sáng thường và bất thường đi theo quỹ

đạo giống hệt nhau và biểu hiện sự lệch pha phụ thuộc vào mức độ lưỡng chiết. Vì cặp

sóng trực giao bị chồng chất, nên có thể xem là một sóng có các thành phần vectơ điện

vuông góc với nhau cách nhau bởi một sự chênh lệch nhỏ về pha. Khi các vectơ kết

hợp bằng cách cộng lại đơn giản trong không gian ba chiều, sóng thu được trở thành bị

phân cực elip.

Ý tưởng này được minh họa trong hình 8, trong đó vectơ điện tổng hợp không

dao động trong một mặt phẳng, mà quay dần xung quanh trục truyền sóng ánh sáng,

quét thành quỹ đạo elip xuất hiện dưới dạng đường xoắn ốc khi sóng được nhìn từ một

góc nào đó. Độ lớn của sự lệch pha giữa sóng thường và sóng bất thường (có cùng biên

độ) xác định vectơ quét thành elip hay đường tròn khi sóng được nhìn từ phía sau của

hướng truyền sóng. Nếu độ lệch pha là 1/4 hoặc 3/4 bước sóng, thì vectơ tổng hợp vẽ

nên xoắn ốc tròn. Tuy nhiên, độ lệch pha là 1/2 hoặc nguyên bước sóng thì tạo ra ánh

sáng phân cực thẳng, và tất cả những độ lệch pha khác quét nên những hình dáng khác

nhau của elip.

Khi sóng thường và sóng bất thường đi ra khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng dao

động trong những mặt phẳng vuông góc nhau có cường độ tổng hợp bằng tổng cường

độ thành phần của chúng. Do sóng phân cực có vectơ điện dao động trong những mặt

phẳng vuông góc, nên các sóng có khả năng chịu sự giao thoa. Thực tế này có hệ quả

là khả năng sử dụng chất lưỡng chiết tạo ra hình ảnh. Giao thoa chỉ có thể xảy ra khi

vectơ điện của hai sóng dao động trong cùng mặt phẳng trong suốt quá trình giao nhau

để tạo ra sự thay đổi biên độ của sóng tổng hợp (một yêu cầu đối với sự tạo ảnh). Do

đó, các vật trong suốt lưỡng chiết vẫn không nhìn thấy được, trừ khi chúng được xác

định giữa các bản phân cực chéo nhau, chỉ truyền qua các thành phần sóng phân cực

elip và phân cực tròn song song với bản phân cực gần người quan sát nhất. Những

thành phần này có thể tạo ra các dao động biên độ gây ra độ tương phản và ló ra khỏi

bản phân cực dưới dạng ánh sáng phân cực thẳng.

Ứng dụng của ánh sáng phân cực

Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cực là sự

hiển thị tinh thể lỏng (LCD) dùng trong hàng loạt dụng cụ như đồng hồ đeo tay, màn

hình máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tường và nhiều vật dụng khác. Các hệ

88

hiển thị này dựa trên sự tương tác của các phân tử kết tinh chất lỏng dạng que với điện

trường và sóng ánh sáng phân cực. Pha tinh thể lỏng tồn tại ở trạng thái cơ bản được

gọi là cholesteric, trong đó các phân tử định hướng thành lớp, và mỗi lớp kế tiếp thì

hơi xoắn một chút để tạo ra hình dạng xoắn ốc (hình 9). Khi sóng ánh sáng phân cực

tương tác với pha tinh thể lỏng, sóng đó bị “xoắn lại” một góc gần 90 độ so với sóng

tới. Độ lớn chính xác của góc này là hàm mũ của pha tinh thể lỏng cholesteric, nó phụ

thuộc vào thành phần hóa học của các phân tử (có thể được điều chỉnh tinh tế bằng sự

thay đổi nhỏ trong cấu trúc phân tử).

Hình 9. Hiển thị tinh thể lỏng 7 đoạn (LCD)

Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản của tinh thể lỏng với các dụng cụ hiển thị

có thể tìm thấy trong sự hiển thị số tinh thể lỏng 7 đoạn (minh họa trong hình 9). Ở

đây, pha tinh thể lỏng nằm kẹp giữa hai đĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự như

miêu tả trong hình. Trong hình 9, các đĩa thủy tinh định hình với 7 điện cực màu đen

có thể tích điện riêng rẽ (những điện cực này là trong suốt đối với ánh sáng trong dụng

cụ thực). Ánh sáng truyền qua bản phân cực 1 bị phân cực theo chiều đứng và, khi

không có dòng điện áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng gây ra góc “xoắn” 90 độ của

ánh sáng cho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2 bị phân cực ngang và định

hướng vuông góc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi đó có thể tạo nên một trong

bảy đoạn trên màn hiển thị.

Khi dòng điện được áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng sắp thẳng hàng với

dòng điện và mất đi đặc trưng xoắn ốc cholesteric. Ánh sáng truyền qua một điện cực

tích điện không bị xoắn và bị chặn lại bởi bản phân cực 2. Bằng cách phối hợp điện thế

trên bảy điện cực dương và âm, màn hiển thị có khả năng biểu diễn các số từ 0 đến 9.

Trong ví dụ này, các điện cực ở phía trên bên phải và phía dưới bên trái được tích điện

và chặn ánh sáng truyền qua chúng, cho phép tạo ra số “2” trên màn hiển thị (nhìn

ngược lại trong hình 9).

Hiện tượng hoạt tính quang học trong những chất nhất định có nguyên nhân từ

khả năng của chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Thuộc loại này là

nhiều loại đường, amino acid, các sản phẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất định và

một số chất dùng làm thuốc uống. Độ quay được đo bằng cách đặt một dung dịch hóa

chất mục tiêu giữa hai bản phân cực bắt chéo trong thiết bị có tên là máy nghiệm phân

cực. Được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà vật lí người Pháp

89

Dominique Arago, hoạt tính quang học đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình

sinh hóa đa dạng, trong đó hình học cấu trúc của phân tử chi phối sự tương tác của

chúng. Các hóa chất làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực theo chiều

kim đồng hồ được gọi là dextrorotatory levorotatory. Hai hóa chất có cùng công thức

phân tử nhưng khác nhau về tính chất quang học được gọi là đồng phân quang học,

chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực theo những hướng khác nhau.

Các tinh thể không đối xứng có thể được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực khi

áp điện trường vào bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởng này có tên là tế

bào Pockels, có thể dùng chung với ánh sáng phân cực làm thay đổi hướng phân cực đi

90 độ. Tế bào Pockels có thể bật và tắt rất nhanh bằng dòng điện và thường được dùng

làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi qua trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ

nano giây). Hình 10 biểu diễn sự truyền ánh sáng phân cực qua tế bào Pockels (sóng

màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh và đỏ phát ra từ vùng giữa của tế bào biểu diễn cho

ánh sáng phân cực đứng hoặc ngang. Khi tế bào tắt, ánh sáng phân cực không ảnh

hưởng gì khi nó truyền qua (sóng màu xanh), nhưng khi tế bào hoạt động hoặc mở,

vectơ điện của chùm ánh sáng lệch đi 90 độ (sóng màu đỏ). Trong trường hợp có điện

trường cực lớn, các phân tử của chất lỏng và chất khí nhất định có thể xử sự như tinh

thể dị hướng và sắp thẳng hàng theo kiểu tương tự. Tế bào Kerr, thiết kế dùng chất

lỏng và chất khí gia dụng thay cho các tinh thể, cũng hoạt động trên cơ sở làm thay đổi

góc ánh sáng phân cực.

Hình 10. Cấu trúc của tế bào Pockels

Những ứng dụng khác của ánh sáng phân cực bao gồm những chiếc kính râm

Polaroid đã nói ở trên, cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt dùng cho

thấu kính camera. Nhiều thiết bị khoa học đa dạng sử dụng ánh sáng phân cực, hoặc

phát ra bởi laser, hoặc qua sự phân cực của các nguồn nóng sáng và huỳnh quang bằng

nhiều kĩ thuật khác nhau. Các bản phân cực đôi khi được sử dụng trong phòng và chiếu

sáng sân khấu để làm giảm ánh chói và tăng độ rọi sáng, và mang kính để cảm nhận

chiều sâu với những bộ phim ba chiều. Các bản phân cực bắt chéo còn được dùng

trong bộ quần áo du hành vũ trụ để làm giảm đột ngột khả năng ánh sáng phát ra từ

Mặt Trời đi vào mắt của nhà du hành vũ trụ trong lúc ngủ.

Sự phân cực ánh sáng rất có ích trong nhiều mặt của kính hiển vi quang học.

Kính hiển vi ánh sáng phân cực được thiết kế dành cho quan sát và chụp ảnh các vật

nhìn thấy được chủ yếu do đặc trưng bất đẳng hướng về mặt quang học của chúng. Các

chất dị hướng có tính chất quang học thay đổi theo hướng truyền của ánh sáng đi qua

chúng. Để hoàn thành công việc này, kính hiển vi phải được trang bị cả bản phân cực,

90

đặt trong đường đi của tia sáng trước mẫu vật, và bản phân tích (bản phân cực thứ hai),

đặt trong quang trình giữa lỗ sau vật kính và ống quan sát hoặc cổng camera.

Sự tương phản ảnh tăng lên do sự tương tác của ánh sáng phân cực phẳng với

chất lưỡng chiết (hoặc khúc xạ kép), tạo ra hai thành phần sóng riêng rẽ phân cực trong

những mặt phẳng vuông góc với nhau. Vận tốc của các thành phần này khác nhau và

thay đổi theo hướng truyền ánh sáng qua vật. Sau khi ra khỏi vật, các thành phần ánh

sáng lệch pha nhau và quét nên một hình elip vuông góc với hướng truyền, nhưng kết

hợp lại qua sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu khi chúng truyền qua bản phân tích.

Kính hiển vi ánh sáng phân cực là kĩ thuật nâng cao độ tương phản cải thiện chất lượng

ảnh thu được với chất lưỡng chiết khi so với những kĩ thuật khác như sự chiếu sáng

trường tối và trường sáng, tương phản giao thoa vi sai, tương phản pha, tương phản

điều biến Hoffman, và sự huỳnh quang. Ngoài ra, việc sử dụng phân cực cũng cho

phép đo đạc những tính chất quang học của khoáng vật và các chất tương tự và có thể

giúp phân loại và nhận dạng các chất chưa biết.

91

THẤU KÍNH VÀ QUANG HÌNH HỌC

Thấu kính là tên gọi chung chỉ thành phần thủy tinh hoặc chất liệu plastic trong

suốt, thường có dạng tròn, có hai bề mặt chính được mài nhẵn một cách đặc biệt nhằm

tạo ra sự hội tụ hoặc phân kì của ánh sáng truyền qua chất đó. Kính hiển vi quang học

hình thành ảnh của mẫu vật đặt trên bàn soi bằng cách truyền ánh sáng từ đèn rọi qua

dãy thấu kính thủy tinh và tập trung ánh sáng này vào thị kính, lên mặt phẳng phim

trong hệ camera thông thường, hoặc lên một của một bộ cảm biến kĩ thuật số.

Hình 1. Các thành phần quang của kính hiển vi trong phòng thí nghiệm

Hoạt động của thấu kính đơn giản, tương tự như nhiều thứ dùng trong kính hiển

vi, bị chi phối bởi nguyên lí khúc xạ và phản xạ và có thể hiểu được với sự hỗ trợ của

một vài quy luật đơn giản về hình học liên quan tới việc lần theo vết tia sáng đi qua

lăng kính. Ý tưởng cơ bản được khai thác trong bài này, có nguồn gốc từ Quang hình

học, sẽ mang lại sự hiểu biết về quá trình phóng đại, các tính chất của ảnh thật và ảnh

ảo, và quang sai hoặc khiếm khuyết của thấu kính.

Để tìm hiểu hệ quang của một kính hiển vi đơn giản (vị trí của các thành phần

thấu kính trong kính hiển vi phổ biến trong phòng thí nghiệm được biểu diễn trong

hình 1), tính chất cơ bản của thấu kính mỏng có hai mặt khúc xạ ánh sáng và một trục

quang ở chính giữa phải được mô tả trước tiên. Mỗi thấu kính có hai mặt phẳng chính

và hai tiêu diện được xác định bằng dạng hình học của thấu kính và mối liên hệ giữa

thấu kính và ảnh hội tụ. Các tia sáng truyền qua thấu kính sẽ cắt nhau và cùng gặp

nhau tại tiêu diện (xem hình 2), còn phần kéo dài của tia sáng đi vào thấu kính sẽ cắt

nhau tại mặt phẳng chính với phần kéo dài của các tia sáng ló ra khỏi thấu kính. Tiêu

cự của thấu kính được định nghĩa là khoảng cách giữa mặt phẳng chính và tiêu diện, và

mỗi thấu kính có một bộ mặt phẳng này ở mỗi phía (trước và sau).

Các vết tia sáng truyền qua một thấu kính thủy tinh mỏng đơn giản hai mặt lồi

được biểu diễn trong hình 2, cùng với những thông số hình học quan trọng khác cần

thiết cho việc hình thành ảnh hội tụ bởi các tia sáng. Các tiêu điểm của thấu kính được

kí hiệu là F, và có hai tiêu điểm tách rời nhau, một ở phía trước thấu kính (phía bên trái

trong hình 2), và một ở phía sau thấu kính (phía bên phải). Mặt phẳng chính của thấu

kính (P và P’ trong hình 2) được đánh dấu bằng đường đứt nét, khoảng cách giữa mỗi

mặt phẳng chính và tiêu điểm tương ứng của nó biểu diễn tiêu cự (f). Vì thấu kính hai

92

mặt lồi minh họa trong hình 2 là đối xứng, nên các mặt phẳng chính nằm ở khoảng

cách bằng nhau tính từ mặt thấu kính, và tiêu cự phía trước và phía sau cũng bằng

nhau.

Vật (hoặc mẫu vật) được tạo ảnh bởi thấu kính được đặt tại mặt phẳng vật, quy

ước nằm ở phía bên trái thấu kính, và được biểu diễn bằng mũi tên màu đỏ dựng thẳng

đứng từ đường thẳng chính giữa, hay trục chính, đi qua tâm của thấu kính và vuông

góc với mặt phẳng chính. Các tia sáng qua thấu kính (các mũi tên màu vàng) phát ra từ

vật và đi từ trái sang phải, đi qua thấu kính tạo nên ảnh thật phóng to (mũi tên ngược

màu đỏ) trong mặt phẳng ảnh ở phía bên phải thấu kính. Khoảng cách giữa mặt phẳng

chính phía trước của thấu kính và mẫu vật được gọi là khoảng cách vật, và được kí

hiệu là a trong hình 2. Tương tự, khoảng cách từ mặt phẳng chính phía sau đến ảnh (kí

hiệu b trong hình 2) gọi là khoảng cách ảnh. Những thông số này là những thành phần

cơ bản xác định quang hình học của thấu kính đơn giản và có thể dùng để tính những

tính chất quan trọng của thấu kính, như tiêu cự và độ phóng đại

Hình 2. Quang hình học của thấu kính mỏng đơn giản

Thấu kính có thể là dương hoặc âm tùy thuộc vào chúng làm cho các tia sáng

truyền qua hội tụ vào một tiêu điểm, hoặc phân kì ra xa trục chính và đi vào không

gian. Thấu kính dương (minh họa trong hình 2 và 3) làm hội tụ các tia sáng tới song

song với trục chính và hội tụ chúng tại tiêu diện, tạo nên ảnh thật. Như chỉ rõ trong

hình 3, thấu kính dương có một hoặc hai mặt lồi và ở giữa dày hơn ngoài rìa. Đặc điểm

chung của thấu kính dương là chúng phóng to vật khi chúng được đặt giữa vật và mắt

người. Ngược lại, thấu kính âm làm phân kì các tia sáng tới song song và tạo nên ảnh

bằng cách kéo dài các vết tia sáng truyền qua thấu kính đến một tiêu điểm nằm sau

thấu kính. Thấu kính âm có ít nhất một mặt lõm và ở giữa mỏng hơn ngoài rìa (xem

hình 3). Khi thấu kính âm được đặt giữa vật và mắt, nó không tạo nên ảnh thật, mà làm

giảm (hoặc thu nhỏ) kích thước biểu kiến của vật bằng cách tạo nên ảnh ảo.

Sự phân biệt giữa ảnh thật và ảnh ảo là một khái niệm quan trọng khi ghi ảnh

mẫu vật qua thấu kính hoặc hệ gương, cho dù là hệ gồm một hay nhiều thành phần.

Nói chung, ảnh được xác định bởi vùng trong đó các tia sáng (và phần kéo dài của

chúng) trở nên hội tụ là kết quả của sự khúc xạ bởi thấu kính hoặc sự phản xạ bởi

gương. Trong trường hợp các tia sáng cắt nhau tại một tiêu điểm, ảnh là thật và có thể

xem trên màn hứng, ghi lên phim, hoặc chiếu lên mặt bộ cảm biến như CCD hoặc

CMOS đặt ở mặt phẳng ảnh. Khi các tia sáng phân kì, nhưng chiếu phần kéo dài tưởng

tượng hội tụ tại một tiêu điểm, ảnh là ảo và không thể xem trên màn hứng, ghi lên

phim. Để có thể mường tượng được, ảnh thật phải được hình thành trên võng mạc của

mắt. Khi nhìn mẫu vật qua thị kính của kính hiển vi, ảnh thật hình thành trên võng

93

mạc, nhưng cái thực sự được nhận thức bởi nhà quan sát tồn tại dưới dạng ảnh ảo nằm

khoảng chừng 10 inch (25 cm) phía trước mắt.

Các dạng hình học thấu kính cơ bản đối với thành phần thấu kính dương minh

họa trong hình 3 là hai mặt lồi (hình 3a) và phẳng-lồi (hình 3b, có một bề mặt phẳng).

Ngoài ra, thấu kính lồi-khum (hình 3c) có cả mặt lồi và mặt lõm có độ cong tương

đương, nhưng ở giữa dày hơn ngoài rìa. Thấu kính hai mặt lồi là thấu kính phóng đại

đơn giản nhất, và có tiêu điểm và độ phóng đại phụ thuộc vào góc cong của bề mặt.

Góc cong càng lớn thì tiêu cự càng ngắn, vì sóng ánh sáng bị khúc xạ ở góc lớn hơn so

với trục chính của thấu kính. Bản chất đối xứng của thấu kính hai mặt lồi làm giảm tối

thiểu quang sai cầu trong những ứng dụng trong đó ảnh và vật nằm đối xứng nhau. Khi

một quang hệ hai mặt lồi hoàn toàn đối xứng (trong thực tế, độ phóng đại là 1:1),

quang sai cầu có giá trị cực tiểu và coma và méo hình cũng đạt cực tiểu hoặc triệt tiêu.

Nói chung, thấu kính hai mặt lồi hoạt động với quang sai cực tiểu ở độ phóng đại từ

0,2x đến 5x. Thấu kính lồi chủ yếu được dùng trong các ứng dụng hội tụ và phóng đại

ảnh.

Thấu kính phẳng-lồi điển hình (hình 3b) có một mặt lồi dương và một mặt

phẳng ở phía bên kia thấu kính. Những thành phần thấu kính này làm hội tụ các tia

sáng song song vào một tiêu điểm dương và hình thành ảnh thực có thể chiếu hoặc

điều chỉnh bằng các bộ lọc không gian. Sự không đối xứng của thấu kính phẳng-lồi

làm tối thiểu quang sai cầu trong các ứng dụng trong đó vật và ảnh nằm ở khoảng cách

không bằng nhau tính từ thấu kính. Trường hợp tốt nhất để làm giảm quang sai xảy ra

khi vật nằm ở vô cùng (trong thực tế, các tia sáng song song đi vào thấu kính) và ảnh

hội tụ tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thấu kính phẳng-lồi sẽ tạo ra quang sai cực tiểu ở tỉ số

liên hợp lên tới gần 5,1. Khi mặt cong của thấu kính phẳng-lồi hướng về phía vật, sẽ

thu được sự hội tụ sắc nét nhất có thể có. Thấu kính phẳng-lồi được dùng làm chuẩn

trực các chùm tia phân kì và thiết đặt tiêu điểm cho quang hệ phức tạp hơn.

Thấu kính khum dương (hình 3c) có cấu trúc không đối xứng với một mặt dạng

bán kính lồi, còn mặt kia thì hơi lõm. Thấu kính khum thường được dùng chung với

các thấu kính khác tạo nên quang hệ có tiêu cự dài hơn hoặc ngắn hơn các thấu kính

ban đầu. Ví dụ, thấu kính khum dương có thể đặt sau thấu kính phẳng-lồi làm ngắn đi

tiêu cự mà không làm giảm hiệu suất quang hệ. Thấu kính khum dương có bán kính

cong ở mặt lõm của thấu kính lớn hơn ở mặt lồi cho khả năng hình thành nên ảnh thật.

Hình 3. Hình dạng và mặt phẳng chính của các thấu kính đơn giản

Thành phần thấu kính âm gồm có hai mặt lõm (hình 3d), phẳng-lõm (hình 3e,

có một bề mặt phẳng), và lõm-khum (hình 3f), cũng có các bề mặt lõm và lồi, nhưng ở

giữa mỏng hơn ở rìa. Đối với cả thấu kính khum dương và khum âm, khoảng cách giữa

hai bề mặt và tiêu diện của chúng là không bằng nhau, nhưng tiêu cự của chúng thì

94

bằng nhau. Đường thẳng nối giữa tâm của các mặt cong thấu kính trong hình 3 được

gọi là trục chính của thấu kính. Thấu kính đơn giản có hình dạng đối xứng (hai mặt lồi

hoặc hai mặt lõm) có các mặt phẳng chính, vẽ bằng đường đứt nét trong hình 3, cách

đều nhau và cách đều hai bề mặt. Bán kính cong của hai mặt lồi đối với thấu kính hai

mặt lồi được chỉ rõ bằng mũi tên màu đen trong hình 3a. Sự thiếu đối xứng ở những

thấu kính khác, ví dụ như thấu kính khum và thấu kính phẳng âm và dương, làm cho vị

trí của các mặt phẳng chính thay đổi theo hình học thấu kính. Thấu kính phẳng-lồi và

phẳng-lõm có một mặt phẳng chính cắt trục chính, tại rìa của mặt cong, và mặt phẳng

kia thì nằm sâu bên trong thấu kính. Các mặt phẳng chính đối với thấu kính khum nằm

bên ngoài bề mặt thấu kính.

Thấu kính hai mặt lõm (hình 3d) chủ yếu dùng làm phân kì các chùm tia sáng

và làm giảm kích thước ảnh, cũng như làm tăng tiêu cự quang hệ và làm chuẩn trực

các chùm tia phân kì. Thường được gọi là thấu kính lõm kép, nguyên tố quang này

khúc xạ các tia sáng vào song song sao cho chúng phân kì khỏi trục chính ở mặt ra của

thấu kính, tạo nên tiêu cự âm ở phía trước thấu kính. Mặc dù các tia sáng ra không thật

sự đồng nhất để hình thành một tiêu điểm, chúng thực sự có vẻ phân kì từ một ảnh ảo

nằm ở phía vật của thấu kính. Thấu kính hai mặt lõm có thể ghép chung với các thấu

kính khác để làm giảm tiêu cự quang hệ.

Thấu kính phẳng-lõm trong hình 3e là thành phần phân kì có tiêu cự âm và tạo

nên ảnh ảo. Khi một chùm tia sáng chuẩn trực tới trên mặt cong của thành phần thấu

kính phẳng-lõm, phía ra sẽ hình thành nên một chùm tia phân kì. Chùm này sẽ có vẻ ló

ra từ một nguồn điểm ảo nhỏ hơn nếu như mặt thấu kính phẳng hứng chùm tia chuẩn

trực. Thấu kính phẳng-lõm, biểu hiện quang sai cầu cực tiểu khi mặt lõm nằm ở

khoảng cách liên hợp lớn nhất, được dùng để mở rộng chùm tia sáng hoặc làm tăng

tiêu cự ở quang hệ có sẵn.

Cũng thường gọi là thấu kính lồi-lõm, thấu kính khum âm (phân kì) có thể được

thiết kế nhằm làm giảm hoặc loại trừ sự quang sai cầu khác, hay coma, trong quang hệ

mà thấu kính ghép vào. Thấu kính khum (cả dương và âm) thường được dùng làm

giảm tiêu cự của hệ kép (hai thấu kính hàn với nhau) hoặc thấu kính phẳng-lồi hoạt

động ở tỉ số liên hợp vô hạn (được rọi bởi các tia song song). Tiêu cự yêu cầu của hệ

cuối cùng xác định chiều nhất định và đặc điểm của thấu kính khum phải được thêm

vào. Sự kết hợp thấu kính phẳng-lồi/khum cho độ phân giải lớn gấp bốn lần thấu kính

phẳng-lồi hoạt động riêng lẻ.

Thấu kính hoạt động bằng cách làm khúc xạ đầu sóng ánh sáng tới tại những

điểm nơi chúng đi vào và ra khỏi bề mặt thấu kính. Góc khúc xạ, và do đó tiêu cự, sẽ

phụ thuộc vào dạng hình học của bề mặt thấu kính cũng như chất liệu dùng chế tạo

thấu kính. Chất có chiết suất cao hơn sẽ có tiêu cự ngắn hơn chất có chiết suất thấp

hơn. Ví dụ, thấu kính chế tạo bằng polymer tổng hợp, như Lucite (chiết suất 1,47) có

chiết suất nhỏ hơn thủy tinh (1,51), dẫn tới tiêu cự dài hơn một chút. May thay, chiết

suất của Lucite và thủy tinh quá gần nhau nên Lucite có thể dùng thay thế thủy tinh

trong nhiều ứng dụng thấu kính, như camera phim-trong-hộp thông dụng mà hiện nay

người tiêu dùng thích xài phổ biến. Thấu kính chế tạo bằng kim cương tinh khiết (chiết

suất 2,42) có tiêu cự nhỏ hơn nhiều so với thủy tinh hoặc Lucite, mặc dù giá thành cao

của kim cương tinh khiết ngăn cản việc sử dụng nó làm thấu kính.

95

Như đã nói ở phần trước, tất cả các thấu kính đều có hai mặt phẳng chính liên

quan với mặt trước và mặt sau của thấu kính. Trong kính hiển vi, thấu kính thường

được hàn với nhau tạo nên nhóm lớn hơn (thấu kính dày) có vị trí khá khác thường cho

mặt phẳng chính so với các bề mặt thấu kính. Tuy nhiên, bất kể số lượng nguyên tố

thấu kính hoặc độ phức tạp của hệ thấu kính, vị trí của các mặt phẳng chính ở thấu

kính dày có thể xác định bằng vết tia sáng đi qua hình vẽ chính xác của thấu kính.

Những người thợ chế tạo thấu kính hiện đại và kĩ sư quang học sử dụng những chương

trình máy tính phức tạp để lập mô hình, thiết kế và dò theo các tia sáng qua từng thấu

kính và hệ nhiều nguyên tố thấu kính. Những chương trình phần mềm này được dùng

để thiết kế camera, kính thiên văn, kính hiển vi, và những quang cụ khác dựa trên thấu

kính thủy tinh (hoặc plastic) để tạo ảnh.

Có ba quy luật tổng quát áp dụng để lần theo các tia sáng đi qua một thấu kính

đơn giản (xem hình 2), khiến cho công việc tương đối dễ. Thứ nhất, một tia sáng vẽ

qua tâm thấu kính từ một điểm trên vật đến điểm tương ứng trên ảnh (đường nối các

đầu mũi tên trong hình 2). Tia này không bị thấu kính làm lệch hướng. Thứ hai, một tia

phát ra từ điểm trên cùng của vật vẽ song song với trục chính và, sau khi bị khúc xạ

bởi thấu kính, sẽ cắt và đi qua tiêu điểm phía sau. Trong thực tế, tất cả các tia sáng

truyền song song với trục chính sau khi bị khúc xạ bởi thấu kính sẽ truyền qua tiêu

điểm sau. Thứ ba, một tia phát ra từ vật đi qua tiêu điểm phía trước sẽ bị thấu kính

khúc xạ theo hướng song song với trục chính và trùng với một điểm giống hệt trên ảnh.

Sự giao nhau của hai trong số bất kì các tia vừa mô tả, thường được gọi là tia tiêu biểu,

sẽ xác định mặt phẳng ảnh của thấu kính.

Việc mở rộng khái niệm đường đi từng tia sáng sang cho một chùm tia sáng là

yêu cầu cần thiết để mô tả các sự kiện quang xảy ra trong kính hiển vi. Khi một chùm

tia sáng song song truyền qua một thấu kính đơn giản, các tia bị khúc xạ và tập trung

vào một đốm sáng hội tụ tại tiêu điểm (điểm F trong hình 2) của thấu kính. Khi ánh

sáng phát ra từ một nguồn điểm đặt tại tiêu điểm của thấu kính đi vào thấu kính, nó sẽ

ló ra dưới dạng một chùm tia sáng song song, gần trục. Ánh sáng từ nguồn rọi sáng

kính hiển vi có thể xem là một đoàn sóng ánh sáng dao động cùng pha với nhau. Đầu

sóng đi cùng với đoàn sóng này nằm trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền

(thường song song với trục quang của kính hiển vi) và bị chuyển thành sóng cầu khi

truyền qua một thấu kính hai mặt lồi đơn giản. Bán kính của sóng cầu đó có tâm tại

tiêu điểm của thấu kính và sóng ánh sáng đều đến đồng pha và trải qua sự giao thoa

tăng cường (cộng gộp) lẫn nhau tại tiêu điểm. Như trường hợp nguồn sáng điểm, đầu

sóng cầu tỏa ra từ tiêu điểm của một thấu kính đơn giản bị chuyển thành đầu sóng

phẳng bởi sự khúc xạ xảy ra khi truyền qua thấu kính.

Một đầu sóng phẳng truyền qua không gian thường không vuông góc với trục

chính của thấu kính, mà đến với một số góc tới nghiêng với trục chính. Tâm của sóng

cầu do sự truyền sóng phẳng ngoài trục qua thấu kính nằm ở một số điểm ngoài trục

chính của thấu kính. Trong mọi mục đích thực tế, một sóng phẳng có thể xem là sóng

cầu có bán kính vô hạn, có thể hội tụ bằng một thấu kính thành một sóng cầu khác có

bán kính nhỏ hơn nhiều - bằng với tiêu cự của thấu kính. Như vậy, có thể kết luận rằng

một thấu kính hai mặt lồi đơn giản hoạt động bằng cách biến một sóng cầu thành một

sóng cầu khác, thường có bán kính (hoặc tiêu điểm) khác. Ngoài ra, tâm cong của sóng

cầu thứ hai nằm trong tiêu diện của thấu kính.

96

Hình 4. Sóng xiên đi qua hệ hai thấu kính song sinh đơn giản

Nếu nguồn sáng điểm phát ra sóng cầu không nằm trong tiêu diện của thấu kính

(trong thực tế, sóng ánh sáng xiên góc với trục chính), khi đó thấu kính có thể được mô

tả là gồm hai thấu kính riêng biệt, như minh họa trong hình 4 đối với nguồn điểm đơn

sắc (một màu) đỏ. Mỗi thấu kính có tiêu cự khác nhau (f(a) cho thấu kính gần nguồn

điểm nhất trong hình 4, và f(b) cho thấu kính thứ hai), và sóng cầu ló ra từ thấu kính

thứ hai (thấu kính b) có tâm tại tiêu điểm cũng nằm ngoài trục chính của hệ thấu kính.

Kết quả là sóng cầu có tâm tại điểm S1 trong hình 4 bị thấu kính thứ nhất biến thành

sóng phẳng xiên so với trục thấu kính cùng một góc như nguồn điểm. Thấu kính thứ

hai biến sóng phẳng ló ra từ thấu kính thứ nhất thành thành sóng cầu có tâm bán kính

cong nằm tại S2, cũng xiên cùng một góc như nguồn điểm. Tóm lại, thấu kính đơn giản

(là tổng hợp hai thấu kính thành phần giả định như mô tả trong hình 4) hội tụ nguồn

điểm S1 lên điểm S2, và ngược lại. Trong thuật ngữ quang học, các điểm S1 và S2 gọi là

các điểm liên hợp, và có tầm quan trọng cơ sở cho việc tìm hiểu các sự kiện xảy ra

trong bộ truyền động quang của kính hiển vi.

Mở rộng thêm ý tưởng về các điểm liên hợp, nếu điểm S1 được xem là thuộc về

một tập hợp điểm nằm trong một mặt phẳng vuông góc với trục chính của thấu kính,

thì thấu kính sẽ hội tụ mỗi điểm vào một điểm liên hợp tương tự trong mặt phẳng chứa

tập hợp điểm S2. Do đó, bằng sự đảo ngược, thấu kính cũng sẽ hội tụ mỗi điểm trong

mặt phẳng S2 lên một điểm tương ứng trên tập hợp S1 từ mặt phẳng ban đầu. Những

mặt phẳng tiêu liên hệ gần gũi này được gọi là mặt phẳng liên hợp, và hội tụ đồng thời.

Nói chung, một kính hiển vi có hai bộ mặt phẳng liên hợp: một bộ chứa lỗ điều chỉnh

lượng ánh sáng truyền qua quang hệ, và bộ kia thì tạo ảnh.

Vì một sóng ánh sáng đang lan truyền có thể xem là một đoàn sóng, nên một bó

tia có thể biểu diễn bằng một vệt tia định hướng vuông góc với đầu sóng. Mang điều

này vào thảo luận thì hệ thấu kính song sinh nói tới trong hình 4 có thể giản lược sơ đồ

hình vẽ đường đi tia sáng, như biểu diễn trong hình 2, để áp dụng các quy luật hình

học xác định kích thước và vị trí ảnh tạo bởi thấu kính. Như đã nói ở phần trên, hai tia

sáng tiêu biểu, một gần (song song) trục chính, và một truyền qua tâm của thấu kính là

cần thiết để xác định những thông số này.

Khoảng cách a và b trong hình 2 (f(a) và f(b) trong hình 4) và tiêu cự sau (f) của

thấu kính liên hệ với nhau bằng phương trình đơn giản sau đây áp dụng cho mọi thấu

kính mỏng:

1/a + 1/b = 1/f

97

Từ phương trình này, rõ ràng là nếu như tiêu cự sau và khoảng cách giữa thấu

kính và vật đã được biết, thì khoảng cách giữa thấu kính và tiêu diện có thể tính được.

Hơn nữa, chiều cao của ảnh tạo bởi thấu kính chia cho chiều cao của vật xác định độ

phóng đại bên (M) của thấu kính:

Độ phóng đại bên = Chiều cao ảnh/ Chiều cao vật = b/a

Tất nhiên, các phương trình vừa mô tả là dựa trên giả thuyết rằng hệ thấu kính

bị bao quanh bởi không khí ở cả hai phía, nhưng đây thường không phải là trường hợp

trong kính hiển vi quang học sử dụng vật kính ngâm dầu, nước, hoặc glycerin. Tuy

nhiên, đa số kính hiển vi thông dụng có vật kính công suất trung bình không sử dụng

môi trường tạo ảnh nào khác ngoài không khí. Một trong những kết luận có thể rút ra

từ những công thức toán học thấu kính đơn giản vừa nhắc tới ở trên là độ phóng đại

(hoặc thu nhỏ kích thước) của một ảnh bằng với tiêu cự của hệ thấu kính chia cho

khoảng cách giữa mặt phẳng vật và tiêu diện phía trước (phía vật) của thấu kính. Ngoài

ra, độ phóng đại (hoặc thu nhỏ) của ảnh bằng với khoảng cách giữa mặt phẳng ảnh và

tiêu diện ở phía bên phải của thấu kính chia cho tiêu cự của thấu kính. Những phương

trình này thường được sử dụng để tính độ phóng đại hoặc thu nhỏ kích thước ảnh bởi

hệ thấu kính có tiêu cự cố định. Chúng cũng được dùng cho việc xác định khoảng cách

ảnh tính từ mặt phẳng chính ở phía bên phải (phía không gian ảnh) của thấu kính khi

mẫu vật được đặt ở một khoảng cách cố định trong không gian vật.

Một yếu tố quan trọng khác trong kính hiển vi là độ phóng đại dọc, hay độ

phóng đại trục, được định nghĩa là tỉ số của khoảng cách giữa hai điểm ảnh dọc theo

trục thấu kính với các điểm liên hợp tương ứng của chúng trên mẫu vật. Nói chung, độ

lớn của độ phóng đại dọc được xác định bằng bình phương của độ phóng đại bên đối

với những khoảng cách nhỏ trong mặt phẳng ảnh.

Kết luận

Thấu kính đơn giản có khả năng tạo ảnh (giống như thấu kính hai mặt lồi) có

ích trong những dụng cụ thiết kế dành cho các ứng dụng phóng đại đơn giản, như kính

phóng to, kính đeo mắt, camera một thấu kính, kính lúp, ống nhòm và thấu kính tiếp

xúc. Bộ đôi thấu kính đơn giản nhất có tên là hệ tiêu sắc, gồm hai nguyên tố thấu kính

hàn với nhau nhằm hiệu chỉnh quang sai cầu trên trục và quang sai màu. Hệ tiêu sắc

thường gồm một thấu kính hai mặt lồi ghép với một thấu kính khum dương hoặc âm,

hoặc một thấu kính phẳng-lồi. Bộ ba thấu kính tiêu sắc được dùng làm bộ phóng đại

công suất cao. Được hiệu chỉnh quang sai tốt hơn bộ đôi, bộ ba thấu kính được đánh

giá bằng kĩ thuật thiết kế máy tính nhằm loại trừ hầu hết sự méo hình. Những dụng cụ

phức tạp hơn thường sử dụng kết hợp nhiều thành phần thấu kính để nâng cao độ

phóng đại và khai thác những tính chất quang khác của ảnh. Trong số các dụng cụ sử

dụng quang hệ ghép thuộc nhóm này có kính hiển vi, kính thiên văn, kính viễn vọng,

camera.

Ngoài những dạng hình học phổ biến đã mô tả ở trên, thấu kính cũng được sản

xuất thuộc nhiều hình dạng và định hướng khác đa dạng (xem hình 5). Thấu kính hình

quả cầu biểu hiện tính chất như nhau từ mọi góc tới, và có tiêu cự phụ thuộc vào

đường kính và chiết suất. Bằng cách điều chỉnh hai thông số này, một phổ rộng rãi tiêu

cự có thể thu được với thấu kính hình quả cầu nhưng ứng dụng chủ yếu của chúng là

cải thiện sự ghép tín hiệu giữa sợi quang, máy phát và máy thu dùng trong công nghiệp

98

viễn thông. Thấu kính hình bán cầu, có dạng nửa hình cầu, được sử dụng trong ngành

quang học viễn thông sợi quang, phép nội soi, kính hiển vi, và các hệ đo lường laser.

Thấu kính hình trống tạo ra từ thấu kính hình quả cầu bằng kĩ thuật mài trục, làm giảm

một phần đáng kể bán kính thấu kính. Những thấu kính biến cải này dễ lắp ráp và canh

hàng trong quang hệ hơn nhiều so với người anh em hình quả cầu của chúng.

Hình 5. Những hình dạng thấu kính không phổ biến

Thấu kính hình trụ, được sản xuất nhiều hình dạng và định hướng, gồm một

phần của hình trụ dẹt ở một mặt làm hội tụ ánh sáng vào một mặt phẳng. Vì những

thấu kính này có khả năng phóng đại theo một hướng, nên có thể sử dụng chúng làm

kéo căng hình. Ngoài ra, thấu kính trụ có thể biến một nguồn sáng điểm thành ảnh

thẳng, khiến chúng có ích làm máy phát laser vạch, hoặc làm hội tụ ánh sáng vào một

khe. Những hình dạng thấu kính khác gồm hình nón, hình que và hình không cầu.

Thấu kính hình nón được dùng cho chiếu sáng 360 độ và các ứng dụng xử lí ảnh. Với

hiệu suất quang tương đương với thấu kính trụ, thấu kính hình que sẽ hội tụ ánh sáng

chuẩn trực truyền qua đường kính thành một vạch. Thấu kính hình không cầu, có thể

sản xuất có nhiều khẩu độ số đa dạng, loại trừ quang sai cầu và nâng cao độ chính xác

hội tụ và chuẩn trực. Những thấu kính này thường dùng trong các hệ chiếu sáng hiệu

suất cao như thành phần tụ sáng.

Các thành phần quang trong kính hiển vi là thấu kính rọi sáng (tụ sáng), thấu

kính hội tụ (vật kính) và thị kính. Mặc dù không thường không được mô tả là thành

phần tạo ảnh, nhưng tính chất tạo ảnh của từng nguyên tố thấu kính và nhóm thấu kính

này có tầm quan trọng cơ sở trong việc xác định chất lượng cuối cùng của ảnh tạo bởi

kính hiển vi.

99

CÁC LOẠI GƯƠNG

Nhìn lại quá khứ, có lẽ những chiếc gương và những thấu kính thô sơ là nguyên

tố quang học cổ nhất được con người sử dụng để khai thác sức mạnh của ánh sáng.

Không nghi ngờ gì nữa, những người ở trong hang động thời tiền sử đã bị thôi miên

bởi sự phản xạ của họ trong ao hoặc những vật chứa nước phẳng lặng khác, nhưng

những chiếc gương nhân tạo cổ nhất vẫn không được phát hiện, mãi cho đến những đồ

tạo tác hình kim tự tháp Ai Cập có niên đại khoảng 1900 năm trước Công nguyên được

xác định. Những cái gương trong thời kì Hy Lạp – La Mã và thời Trung đại gồm các

kim loại có độ bóng cao, như đồng thiếc, thiếc, hoặc bạc, rập khuôn trong những cái

đĩa hơi lồi, đã phục vụ nhân loại hơn một thiên niên kỉ.

Hình 1. Gương trang trí theo kiểu Gothic

Mãi cho đến cuối thế kỉ thứ 12 hoặc đầu thế kỉ thứ 13 thì việc sử dụng thủy tinh

có mặt sau tráng kim loại mới được phát triển để tạo ra gương soi, nhưng sự tinh tế của

kĩ thuật này phải mất thêm vài trăm năm nữa. Vào thế kỉ 16, những người thợ thủ công

thành Venice đã chế tạo được những chiếc gương đẹp cấu tạo từ một bản thủy tinh

phẳng phủ một lớp mỏng hỗn hống thủy ngân – thiếc (xem hình 1). Hơn vài trăm năm

sau, các chuyên gia người Đức và Pháp đã phát triển việc chế tạo gương thành một

nghệ thuật tinh tế, và những chiếc gương được gia công sắc sảo đã trang hoàng các đại

sảnh, phòng tiệc, phòng làm việc và phòng ngủ của giới quý tộc châu Âu.

Cuối cùng, vào giữa những năm 1800, nhà hóa học hữu cơ người Đức Justus

von Liebig đã nghĩ ra một phương pháp làm lắng bạc kim loại lên một mặt thủy tinh

được khắc trước bằng cách khử hóa học dung dịch bạc nitrat. Khám phá này là một

tiến bộ lớn cho công nghệ dùng cho ngành công nghiệp gương trong một thời gian dài

và báo trước một thời kì mới trong đó các gương có thể được chế tạo từ bất cứ thứ gì

làm từ thủy tinh. Những chiếc gương gia dụng và thương mại hiện đại còn cải tiến

thêm một bước nữa, và luôn được chế tạo bằng cách thổi một lớp mỏng nhôm hoặc bạc

lên phía sau bản thủy tinh trong lúc đặt trong chân không. Các dụng cụ khoa học và

quang học yêu cầu công nghệ chế tạo tinh vi hơn, bao gồm cho lắng chân không nhiều

lớp màng mỏng chất liệu chuyên dụng, đánh bóng đến độ chính xác cao và có lớp phủ

chống trầy xước.

Phản xạ ánh sáng là một tính chất vốn có và có tầm quan trọng cơ sở của các

gương và được định lượng bằng tỉ số giữa lượng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt và

lượng ánh sáng tới bề mặt, tỉ số này gọi là hệ số phản xạ. Các gương có cấu trúc và

thiết kế khác nhau thì hệ số phản xạ của chúng cũng khác nhau nhiều, từ gần 100% đối

100

với các gương có độ bóng cao phủ kim loại phản xạ các bước sóng khả kiến và hồng

ngoại, tới gần 0% đối với các chất liệu hấp thụ mạnh.

Ảnh hình thành bởi gương có thể là thực hoặc ảo, phụ thuộc vào vị trí tương đối

của vật đối với gương, và có thể đoán trước chính xác về kích thước và vị trí từ những

phép toán dựa trên cơ sở hình học. Ảnh thật hình thành khi các tia tới và tia phản xạ

giao nhau phía trước gương, còn ảnh ảo xuất hiện tại điểm mà phần kéo dài của tia tới

và tia phản xạ hội tụ phía sau gương. Gương phẳng tạo ra ảnh ảo, vì điểm hội tụ, nơi

phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ giao nhau, nằm ở phía sau bề mặt phản xạ.

Hình 2. Sự tạo ảnh bởi gương phẳng

Ở mặt trước hoặc mặt sau của gương phẳng có thể phủ một lớp chất phản xạ

thích hợp. Các gương gia dụng phổ biến được phủ ở mặt sau sao cho mặt phản xạ được

bảo vệ bởi thủy tinh, nhưng các gương thiết kế cho những ứng dụng khoa học quan

trọng hoặc trong các hệ quang cụ thường được phủ ở mặt trước, và được gọi là gương

mặt trước. Các đặc trưng ảnh của gương phẳng có thể xác định bằng việc tính vị trí và

khoảng cách của vật đến mặt gương (xem hình 2). Đối với tất cả gương phẳng, vật và

ảnh ảo nằm ở khoảng cách bằng nhau tính từ mặt phản xạ, và mỗi tia sáng sẽ tuân theo

định luật phản xạ (tia tới và tia phản xạ chạm tới và hợp với trục quang những góc

bằng nhau). Ảnh tạo bởi gương phẳng xuất hiện bằng kích thước với vật, và thẳng

đứng (cùng chiều). Các nhà trang trí nội thất thường sử dụng các tính chất quang học

của gương phẳng để tạo ra sự rọi sáng sao cho căn phòng trông rộng gấp hai lần kích

thước thực của nó.

Như minh họa trong hình 2, nhà quan sát hình dung một vật phản xạ bởi gương

nằm ở phía sau gương, vì mắt nội suy các tia sáng phản xạ theo đường thẳng đến điểm

hội tụ. Sự thay đổi duy nhất ở vật, điểu hiển nhiên khi khảo sát sự phản xạ, là nó quay

đi 180 độ xung quanh mặt phẳng gương, một hiệu ứng thường được gọi là sự đảo ảnh.

Như vậy, ảnh gương của một vật không đối xứng, ví dụ như bàn tay người, sẽ bị đảo

ngược (trong thực tế, ảnh gương của bàn tay trái sẽ trông như bàn tay phải). Sự hoán

đổi từ hệ tọa độ thuận sang hệ tọa độ nghịch trong không gian vật gọi là sự nghịch đảo,

và nhiều mặt phẳng gương có thể được dùng để tạo ra số nghịch đảo chẵn hoặc lẻ.

Để phản xạ sóng ánh sáng với hiệu suất cao, bề mặt gương phải hoàn toàn nhẵn

trong một phạm vi rộng, với các khiếm khuyết nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh

sáng phản xạ. Yêu cầu này áp dụng đối với mọi kiểu dáng gương, có thể không đều

hoặc cong, ngoài những bề mặt gương phẳng thường thấy trong gia đình. Gương cong

101

phân loại thô thành hai nhóm, lõm và lồi, tên gọi này cũng được sử dụng để mô tả hình

dạng của các thấu kính mỏng đơn giản. Đối với gương, bề mặt cong được xem là lõm

hay lồi phụ thuộc vào tâm cong xuất hiện ở phía mặt phản xạ hay ở phía bên kia.

Hình 3. Gương hyperbol và gương elip

Mặc dù đa số gương cong có hình dạng bề mặt là một phần của mặt cầu, nhưng

mặt gương cũng có thể là mặt trụ, parabol, elip, hyperbol (xem hình 3), hoặc một số

dạng khác (có thể không có dạng cầu). Nói chung, gương cầu tạo ra ảnh phóng to hoặc

thu nhỏ, tùy thuộc vào chúng là gương lõm hoặc lồi. Lấy ví dụ, gương lồi chiếu hậu ở

xe ô tô tạo ra ảnh toàn cảnh có kích thước thu nhỏ, còn gương lõm cạo râu phóng to

các chi tiết của gương mặt xung quanh cằm. Gương trụ phản xạ tia sáng vào một mặt

phẳng tiêu thẳng nằm trên một trục có các chiều bên thu nhỏ lại, và gương elip, có hai

tiêu điểm và thường được dùng làm gương phản xạ, sẽ hội tụ ánh sáng từ tiêu điểm này

đến tiêu điểm kia. Trái lại, gương parabol có thể hội tụ một chùm tia sáng song song

vào một nguồn điểm, hoặc ngược lại, trong khi gương hyperbol tạo ra ảnh ảo từ vật

nằm tại tiêu điểm. Những kiểu dáng gương khác, như hình que và hình nón, được dùng

cho chiếu sáng 360 độ, bẻ cong đường đi ảnh, hoặc dùng cho các ứng dụng laser.

Những gương này thường có đường kính nhỏ hơn, khiến chúng lí tưởng cho sử dụng

trong các dụng cụ có giới hạn kích thước, như ống nội soi và đèn nội soi. Nhiều loại

gương có hình dạng không phải hình cầu khó chế tạo với dung sai chính xác và có mức

độ quang sai lớn, thành ra có giá thành cao, và do vậy, ít có ứng dụng thực tế hơn.

Gương cầu

Gương có bề mặt phản xạ hình cầu có khả năng tạo ảnh theo kiểu tương tự với

thấu kính mỏng hoặc một bề mặt khúc xạ đơn giản, nhưng không có sắc sai thường đi

kèm với độ tán sắc thấu kính. Vì lí do này nên đôi khi gương được dùng thay cho thấu

kính trong những quang cụ phức tạp, nhưng chúng không thể thay thế các nguyên tố

thấu kính hoàn toàn bởi vì những quang sai khác của gương khó hiệu chỉnh hơn, nếu

không nói là không thể. Mô tả quang hình học của gương về mặt định lượng kém phức

tạp hơn so với thấu kính, và cả hai có nhiều đặc trưng chung. Gương cầu có bán kính

cong hoàn toàn xác định kéo dài từ tâm của hình cầu và tạo một góc vuông với mỗi

điểm trên bề mặt. Ngoài ra, đường thẳng vẽ từ điểm chính giữa của bề mặt cầu đi qua

tâm cầu được định nghĩa là trục chính hay trục quang học của gương.

102

Trong trường hợp các tia bên trục tới trên bề mặt gương cầu (truyền song song

với trục chính), tất cả tia phản xạ (hoặc phần kéo dài của chúng) sẽ hội tụ tại một tiêu

điểm chung, nằm phía trước hoặc phía sau gương. Khoảng cách giữa tiêu điểm và mặt

gương gọi là tiêu cự của gương. Để duy trì tính đồng nhất với thuật ngữ dùng cho thấu

kính, tiêu cự của gương lõm có giá trị dương, còn tiêu cự của gương lồi có giá trị âm.

Như vậy, gương làm hội tụ các tia sáng có tiêu cự dương (tương tự với thấu kính), và

gương làm phân kì các tia sáng có tiêu cự âm. Cũng tuân theo những thuật ngữ dùng

cho thấu kính, mặt phẳng ngang cắt qua tiêu điểm được gọi là tiêu diện, và các tia song

song phản xạ ở một góc bất kì so với trục chính sẽ đồng quy tại một số tiêu điểm nằm

trên tiêu diện.

Vị trí ảnh tạo ra bởi gương cầu có thể xác định bằng thực nghiệm, bằng hình vẽ,

hoặc bằng cách áp dụng công thức hình học. Kĩ thuật hình vẽ hay kĩ thuật đường đi tia

sáng miêu tả một phương pháp dễ dàng và thông dụng để xác định vị trí ảnh hình thành

bởi gương. Biểu diễn trong hình 4 là đường đi các tia sáng song song cho thấy các tia

chủ yếu và vị trí của ảnh tạo ra bởi gương lõm (hình 4a) và lồi (hình 4b). Các tia chính

thường được dùng vì chúng có thể được vẽ nối các vị trí quan trọng giữa vật, ảnh, mặt

gương, tâm cong, và các tiêu điểm mà không cần tới những phép đo góc chính xác.

Các tia sáng màu đỏ, vàng và xanh dương phát ra từ điểm trên cùng của vật (P,

tại đỉnh mũi tên màu xanh lá cây) đều phản xạ khỏi mặt gương lõm trong hình 4a và đi

tới hội tụ tại điểm liên hợp (P’), tạo ra ảnh thực, ngược chiều, nhỏ hơn vật. Tia sáng

màu xanh dương truyền song song với trục chính và phản xạ qua tiêu điểm (F) trước

khi chạm tới mặt phẳng liên hợp (ảnh). Tia màu đỏ truyền qua tiêu điểm và bị gương

phản xạ theo hướng song song với trục chính. Tia chính còn lại, tia màu vàng, ban đầu

truyền qua tâm cong của gương và chạm tới vuông góc với mặt gương rồi phản xạ trở

lại theo hướng cũ. Như trong trường hợp biểu đồ đường đi tia sáng của thấu kính mỏng

đơn giản, bất kì hai trong số ba tia chính này có thể được dùng để định vị trí ảnh, xuất

hiện tại điểm hội tụ. Tia thứ ba thường được dùng để xác nhận lược đồ đường đi tia

sáng.

Đường đi tia sáng đối với gương lồi được minh họa trong hình 4b, có cùng lược

đồ màu như hình 4a. Tia sáng phát ra từ đỉnh mũi tên màu xanh lá cây (điểm P) và

phản xạ bởi mặt gương, tạo ra các đường kéo dài phân kì từ điểm liên hợp (P’) hình

thành nên ảnh ảo, cùng chiều phía sau gương. Theo kiểu tương tự như biểu đồ gương

lõm, tia sáng màu xanh dương truyền song song với trục chính của gương lồi, nhưng

bây giờ bị phản xạ tại một góc phân kì như thể nó phát ra từ tiêu điểm (F). Đường kéo

dài của tia màu xanh dương xuyên qua gương đi qua tiêu điểm đó. Tương tự như vậy,

tia sáng màu vàng chạm tới gương tại góc vuông và bị phản xạ trở lại theo chính

hướng cũ, nhưng tạo ra đường kéo dài cắt qua tâm cong của gương. Tia màu đỏ, truyền

hợp một góc với trục chính trước khi chạm tới gương, bị phản xạ song song với trục

chính và cũng tạo ra đường kéo dài đi qua tiêu điểm.

103

Hình 4. Đường đi tia sáng đối với gương cầu

Khi xem xét kĩ thuật đường đi tia sáng qua gương, một tia sáng rời vật song

song với trục chính bị phản xạ qua tiêu điểm, và tia ngoài trục truyền qua tiêu điểm

chính bị phản xạ song song với trục chính. Ngoài ra, tia chạm tới đỉnh gương bị phản

xạ theo hướng hợp với trục chính một góc bằng với góc tới (không minh họa), và tia

truyền qua tâm cong bị phản xạ trở lại như cũ. Như đã nói ở phần trên, chỉ cần hai tia

chính để xác định các thông số hình học của ảnh. Phương trình gương nhận được bằng

cách giải công thức thấu kính tương ứng và thực hiện một số giả định về chiết suất và

độ dày. Phương trình cơ bản nhất được gọi là công thức gương và được cho bởi quan

hệ sau:

1/d0 + 1/d1 = 1/f

trong đó d0 là khoảng cách từ vật đến mặt gương, d1 là khoảng cách giữa ảnh và

gương, và f là tiêu cự của gương. Tương tự như với thấu kính, tiêu cự là dương đối với

gương hội tụ (lõm) và là âm đối với gương phân kì (lồi). Khi hợp nhất vào các hệ

quang học, hình dạng cầu của gương lõm và lồi cho phép chúng hoạt động như thấu

kính dương và âm (tương ứng).

Kích thước của ảnh hình thành bởi gương cầu lồi phụ thuộc vào vị trí của vật

tương quan với tiêu điểm gương, nhưng ảnh luôn luôn là ảo, cùng chiều và nhỏ hơn

vật. Trái lại, một vật nằm phía ngoài tâm cong của gương cầu lõm tạo ra ảnh thực nằm

giữa tiêu điểm và tâm cong. Khi vật di chuyển đến trùng với tâm cong, gương lõm tạo

ra ảnh thực bằng kích thước với vật, nhưng ngược chiều. Di chuyển vật đến gần mặt

gương hơn, vật tạo ra ảnh ngược chiều và lớn hơn nó. Tại điểm nằm chính giữa gương

và tâm cong của nó (tiêu điểm của gương), các tia sáng từ vật bị phản xạ trở nên song

song nhau và không có ảnh nào được hình thành (gương chứa đầy một vật mờ mờ

không nhận ra được). Nếu vật tiến đến gần gương hơn nữa, giữa tiêu điểm và mặt

gương, các tia phản xạ phân kì và tạo ra ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật. Cuối cùng,

khi vật nằm ngay tại mặt gương, thì ảnh một lần nữa cùng kích thước với vật.

104

Lược đồ đường đi tia sáng gương, như ví dụ biểu diễn trong hình 4, được vẽ đặc

biệt tuân theo cùng quy ước như đối với thấu kính mỏng đơn giản. Chẳng hạn, khoảng

cách đo từ trái sang phải là dương, và ngược lại. Tia sáng tới được vẽ sao cho chúng

truyền từ trái sang phải, còn tia phản xạ truyền từ phải sang trái. Đường thẳng vuông

góc với trục chính và tuyến tuyến với tâm của mặt phản xạ (gọi là đỉnh gương) có thể

được vẽ để làm tham chiếu từ đó đo ảnh, vật, tiêu điểm và khoảng cách cong. Bằng

cách tuân thủ các quy ước cơ bản này, các thông số quang học cho đa số gương có thể

xác định được và liên hệ với các thông số của nguyên tố thấu kính có thể chia sẻ cùng

nhiệm vụ trong hệ thống quang học.

Đa số các thiết kế gương không có dạng cầu xử sự tương tự như các gương lồi

và lõm đơn giản khi xét ánh sáng truyền qua vùng bên trục (gần trục chính). Trong

thực tế, nhiều hình dạng gương về cơ bản có thể xem không khác mấy với gương cầu ở

khía cạnh này. Tuy nhiên, khi xét các tia sáng truyền xa trục chính thì sự lệch bắt đầu

xuất hiện và những mối quan hệ hình học mới, phức tạp hơn, tồn tại giữa vật, ảnh và

các tiêu điểm. Ngoài ra, độ lớn và mức độ khắc nghiệt của sự quang sai của gương này

thường khác với gương kia, và hiện tượng này chắc chắn phải xảy ra khi thiết kế các

hệ thống quang sử dụng những loại gương này.

Công nghệ chế tạo và tráng gương

Hệ số phản xạ của một bề mặt không được tráng phủ bất kì phụ thuộc vào chiết

suất, góc tới, trạng thái phân cực của ánh sáng tới, và chất lượng vật liệu bề mặt được

sử dụng. Chất lí tưởng dùng cho sản xuất gương giá thành thấp là pyrex, loại thủy tinh

boronsilicate thương mại có hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ biến dạng quang học tương

đối thấp. Silica nóng chảy là một chất tổng hợp, thường dùng cho chế tạo gương laser,

có độ ổn định nhiệt hấp dẫn, cho truyền phổ bước sóng rộng, và có thể đánh bóng đến

rất gần với dung sai để làm giảm tối thiểu sự nhiễu đầu sóng và tán xạ ánh sáng. Ngoài

ra, thủy tinh ceramic phát triển bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu Schott, zerodur, có

những đặc điểm có thể xem chất liệu này là ứng cử viên hấp dẫn cho chế tạo gương

chất lượng cao. Ceramic trong suốt, nhưng có vẻ hơi vàng, và biểu hiện sự giãn nở

nhiệt cực kì thấp. Những chất liệu khác, như calcium fluoride trong suốt với tia hồng

ngoại, thường dùng trong việc chế tạo các gương quan trọng dùng cho các hệ laser

năng lượng cao.

Chất lượng (độ nhẵn) và độ phẳng của bề mặt quang học là một những nhân tố

chính phải xét đến khi thiết kế gương dùng cho những ứng dụng đặc biệt. Khi một đầu

sóng phẳng bị phản xạ khỏi mặt gương, sự nhiễu loạn thực sự xảy ra trong sóng có thể

biến thiên từ một nửa đến hai lần giá trị độ phẳng bề mặt. Sự lệch nền khỏi mặt phẳng

hoàn hảo thường được biểu diễn dưới dạng có bao nhiêu sự không hoàn hảo trong

vùng kích thước của bước sóng ánh sáng khả kiến (550nm), hoặc tỉ lệ bước sóng, có

thể phát hiện được đi qua bề mặt. Nhiều ứng dụng không quan trọng sẽ cho phép sự

lệch lớn của một hoặc nhiều bước sóng, còn những ứng dụng chặt chẽ thường yêu cầu

bề mặt không được lệch quá một phần tư bước sóng hoặc thấp hơn. Độ nhẵn mặt

gương thường được xác định bằng cách đo số điểm nhô và lõm trên đơn vị diện tích và

biểu diễn giá trị này dưới dạng tỉ số. Như vậy, tỉ số nhô/lõm 70/40 là phù hợp cho

những ứng dụng yêu cầu thấp, còn tỉ số 10/5 là cần thiết cho các hệ laser hiệu suất cao

và các ứng dụng ghi ảnh quang phân tích, ứng dụng yêu cầu sự nhiễu đầu sóng phải

được giữ ở mức tối thiểu.

105

Khả năng dẫn nhiệt của gương cũng quan trọng đối với nhiều ứng dụng. Các

nền gương kim loại có thể dẫn nhiệt khỏi hệ thống quang hiệu quả hơn thủy tinh,

nhưng chúng thường khó chế tạo hơn để có hình dạng phù hợp và thường làm tăng

thêm trọng lượng hệ thống. Các kim loại nhẹ, như berylium, trở nên phổ biến với các

nhà thiết kế và có thể dùng trong những trường hợp quan trọng, nơi nhiệt là sản phẩm

tạo ra và gương cứng được yêu cầu. Nhiều chất thủy tinh mới có hệ số giãn nở nhiệt

hấp dẫn và thích hợp cho những ứng dụng không chịu được vấn đề quá nhiệt.

Hình 5. Năng suất phản xạ của một số chất kim loại tráng gương

Phương pháp đơn giản nhất và phổ biến nhất dùng để phủ lớp tráng gương là

phủ một lớp kim loại mỏng lên nền chất thủy tinh nhẵn bằng kĩ thuật lắng chân không.

Kim loại được chọn sử dụng (xem hình 5) gồm bạc, nhôm, đồng, vàng và rhodium.

Nói chung, một lớp nhôm hoặc bạc 100 nanomét mang lại lớp phủ tuyệt vời cho nhiều

ứng dụng đa dạng, còn những lớp phủ dày hơn thu được ở những bề mặt nhám hơn lại

làm tăng sự tán xạ ánh sáng. Nhôm có thể dùng trực tiếp với thủy tinh, nhưng chrome

hoặc những lớp trung gian khác phải dùng với vàng hoặc các kim loại khác. Một lớp

tráng nhôm tốt biểu hiện năng suất phản xạ khoảng 90% đối với đa số vùng phổ tử

ngoại, khả kiến, và hồng ngoại gần (hình 5), còn bạc tạo ra năng suất phản xạ tương

ứng khoảng 95% trong vùng khả kiến và hồng ngoại, nhưng giảm đột ngột trong vùng

tử ngoại. Năng suất phản xạ của gương kim loại có thể tính theo phương trình sau:

Năng suất phản xạ (%) = ((n - 1)2 + k

2)/((n + 1)

2 + k

2) x 100

trong đó n là chiết suất của kim loại tráng và k là hệ số dập tắt phân tử gam. Nói

chung, khi giá trị bước sóng phản xạ tăng (vào vùng hồng ngoại) thì chiết suất và hệ số

dập tắt cũng tăng, dẫn tới năng suất phản xạ tăng. Bạc là một trong những chất thích

hợp nhất cho gương phản xạ ánh sáng trong vùng khả kiến, nhưng nhôm lại phản xạ

hiệu quả hơn trong vùng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, khi bước sóng tăng vào vùng

hồng ngoại, năng suất phản xạ của nhôm giảm xuống dưới 90%, có thể làm giảm hiệu

suất trong hệ thống quang có một vài gương. Ví dụ, tại giá trị năng suất phản xạ 80%,

một hệ có 6 gương sẽ có năng suất truyền chỉ 26%. Đồng và vàng chỉ được dùng trong

vùng khả kiến bước sóng dài (trên 659nm) và hồng ngoại, còn rhodium có thể sử dụng

trong mọi vùng phổ cho các ứng dụng không quan trọng, như các gương gia dụng.

Một vấn đề nghiêm trọng ở lớp tráng gương kim loại xuất hiện với sự hình

thành oxide (xỉn mờ) và các chất tích tụ khác khi màng mỏng phơi ra trước bầu khí

106

quyển, có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của gương. Để bảo vệ lớp tráng gương kim

loại mỏng manh, bề mặt gương thường được phủ một lớp chất lưỡng cực điện cho

phép sờ mó và lau chùi gương, và cải thiện độ bền, trong khi làm giảm sự hình thành

oxide. Màng nhôm có thể được bảo vệ bằng một lớp silicon monoxide dày nửa bước

sóng, tạo ra mặt tương đối chống trầy xước. Trong một số trường hợp, một vài lớp

lưỡng cực điện có giá trị chiết suất thay đổi được lắng trên màng nhôm để cải thiên

hơn nữa năng suất phản xạ và làm tăng tính đàn hồi của lớp phủ. Tập hợp nhiều gương

phủ kim loại thường được gọi là bộ phản xạ nâng cao, và đại diện cho những lớp phủ

tiên tiến nhất thuộc nhóm này. Màng vàng và bạc cũng được phủ một hoặc nhiều lớp

silicon monoxide lưỡng cực điện, mang lại kết quả tương tự như đối với nhôm.

Chất phủ gương lưỡng cực điện

Một chiếc gương điển hình có lớp phủ kim loại phản xạ khoảng 90% sóng ánh

sáng tới trong vùng phổ tử ngoại, khả kiến, và hồng ngoại. Nhằm cải thiện hiệu suất

này, một vài lớp chất lưỡng cực trong suốt, ví dụ như titan dioxide và silicon dioxide

(lần lượt có chiết suất cao và thấp) có thể sử dụng với một chất nền nhẵn để tạo ra cái

gọi là gương lưỡng cực điện (xem hình 6). Sự phản xạ một phần ánh sáng tới xảy ra tại

mỗi mặt ranh giới giữa các lớp lưỡng cực điện, tạo ra sóng ánh sáng kết hợp (cùng

pha) có khả năng tăng cường nhau bằng sự giao thoa tăng cường. Kết quả là gương

hiệu suất cao có thể thu được hệ số phản xạ gần 100% cho những ứng dụng ghi ảnh

quan trọng và laser. Ngoài ra, lớp phủ lưỡng cực điện cũng bền hơn so với các lớp phủ

kim loại được bảo vệ khác.

Hình 6. Cấu tạo của gương lưỡng cực điện

Gương lưỡng cực điện có thể được điều chỉnh tốt để phản xạ những bước sóng

đặc biệt bằng cách sắp xếp chiều dày mỗi lớp sao cho tích số của chiều dày và chiết

suất bằng một phần tư bước sóng mục tiêu. Loại phủ này được gọi là gương phản xạ

chồng một phần tư bước sóng. Trong đa số trường hợp, lớp thứ nhất và lớp cuối cùng

trong chồng được làm từ chất có chiết suất cao hơn, và các lớp bên trong được xen kẽ

giữa chiết suất cao và thấp. Việc tăng số lớp có thể làm tăng năng suất phản xạ đối với

những bước sóng đặc biệt, nhưng thường hao phí dải thông phổ. Một trở ngại nữa là

gương lưỡng cực điện thường rất nhạy với góc tới và có thể tạo ra ánh sáng phân cực

phẳng không mong muốn khi đặt không chính xác.

Vùng phổ phản xạ hạn chế của gương lưỡng cực điện khiến chúng thường bị

loại bỏ trong những ứng dụng nhất định. Nhiệm vụ chung đối với các gương này là

phản xạ một phần phổ ánh sáng truyền qua hệ quang, đồng thời cho truyền qua một

107

vùng bước sóng có chọn lọc. Gương thuộc loại này được gọi là gương lưỡng sắc vì

chúng thực sự tách ánh sáng thành hai vùng phổ riêng biệt. Một công dụng thông dụng

khác cho gương lưỡng cực điện là dùng phản xạ các chùm laser, hoặc làm một phần

của chính hộp laser, hoặc là thành phần quan trọng của bộ truyền động lái chùm tia qua

hệ thống quang. Gương lưỡng cực điện điển hình dành cho ứng dụng laser gồm 20 đến

25 lớp màng mỏng, tạo ra năng suất phản xạ cực đại trên 99,9%.

Gương lưỡng cực băng rộng có thể chế tạo bằng cách kết hợp hai chồng một

phần tư bước sóng có vùng bước sóng truyền qua chồng lấn nhau. Những gương này

thường có tới 100 lớp lưỡng cực điện xen kẽ, làm tăng đáng kể giá thành và khó chế

tạo. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng thật vô song và các gương lưỡng cực nhiều lớp rất

bền có thể chế tạo có năng suất phản xạ trên 99% trên toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến.

Gương lưỡng cực nhiều lớp phủ có khả năng cho truyền qua lọc lựa các bước

sóng khả kiến đồng thời phản xạ bước sóng hồng ngoại được gọi là gương nóng.

Những gương này, thường được chế tạo dạng đĩa phẳng hoặc gương phản xạ lõm, rất

có ích trong các hệ thống chiếu và rọi sáng thường phải chịu tình trạng quá nhiệt do

các đèn cường độ cao. Dải bước sóng phản xạ trong vùng hồng ngoại tăng lên đối với

các gương nóng mở rộng, một phiên bản hiệu suất cao của gương phản xạ hồng ngoại

chuẩn. Bước sóng hồng ngoại thường bị loại trừ khỏi hệ thống quang trong một lần

phản xạ bởi gương nóng hoặc gương nóng mở rộng. Hoặc bước sóng hồng ngoại có

thể bị làm lệch đi bởi một gương nóng đến vùng mà sự tiêu hao nhiệt thuận tiện hơn

(ví dụ như có quạt làm mát hoặc là bể tản nhiệt). Các gương có liên quan được thiết kế

nhằm phản xạ ánh sáng khả kiển đồng thời truyền qua ánh sáng hồng ngoại. Được gọi

là gương lạnh, các gương phản xạ lưỡng cực này có thể dùng để loại trừ nhiệt khỏi hệ

quang bằng cách truyền nó ra khỏi gương. Gương nóng và gương lạnh được dùng

trong các tế bào Mặt Trời và dùng trong mũ chụp và kính che mặt của bộ đồ du hành

vũ trụ nhằm bảo vệ du hành gia khỏi bức xạ hồng ngoại của Mặt Trời.

Quang sai gương

Khi tia sáng bên trục bị phản xạ khỏi mặt gương cầu hoặc không cầu, thì ảnh

tạo ra hội tụ rõ nét. Tuy nhiên, các tia sáng tập hợp từ tất cả các điểm phân bố trên vật

và lệch nhiều khỏi trục chính thường tạo ra các tiêu điểm khác nhau (phụ thuộc vào

hình dạng gương) có nguyên nhân do một hiện tượng đã được ghi nhận kĩ lưỡng là sự

quang sai. Hiện tượng này được minh họa trong hình 7 cho đa số các khuyết điểm phổ

biến, sự quang sai cầu, trong đó các tia tới song song ở khoảng cách càng xa trục chính

đem lại tiêu điểm càng gần mặt gương. Khi đặt một màn hứng nhỏ tại mặt phẳng tiêu

bên trục và rời dời nó về phía gương, thì sẽ tìm được một điểm, nơi đó kích thước ảnh

hội tụ đến nhỏ nhất. Vùng này được gọi là vòng sai lạc ít nhất.

Sự quang sai cầu có thể làm giảm hoặc loại trừ bằng cách thay đổi thiết kế

gương. Chẳng hạn, gương parabol sẽ tạo ra mẫu phản xạ tương tự như gương cầu lõm,

nhưng hình học gương parabol có điều chỉnh để mang tất cả các tia phản xạ tới một

tiêu điểm chung. Một phương pháp nữa là phủ chất lên mặt sau của thấu kính mặt

khum cầu và sử dụng sự khúc xạ ánh sáng qua nguyên tố thấu kính thủy tinh để làm

giảm quang sai cầu. Gương hình elip vốn dĩ không có quang sai cầu tại các tiêu điểm

của elipsoid, và với gương hyperbol cũng tương tự.

108

Hình 7. Quang sai ở gương cầu lõm

Sự quang sai ngoài trục, chẳng hạn loạn thị (xem hình 7) xảy ra khi vật nằm xa

trục chính của gương. Các tia tới phát ra từ vật chạm tới gương ở góc xiên và kết quả

là hình thành hai đường vuông góc nhau thay vì là một ảnh điểm. Gương parabol,

không có quang sai cầu, thường chứng tỏ một mức độ loạn thị đáng kể đối với các ảnh

nằm ở vị trí xa trục. Vì lí do này nên gương phản xạ parabol chỉ hạn chế ứng dụng của

chúng cho những dụng cụ, ví dụ kính thiên văn và đèn pha rọi, dùng để chiếu ra hoặc

thu thập các tia sáng song song.

Giống như thấu kính, gương cầu và gương không cầu chịu những quang sai phổ

biến khác, như coma, cong trường, và méo mó, nhưng chúng không bị quang sai màu,

một trong những nhược điểm quang nghiêm trọng nhất xảy ra với thấu kính mỏng.

Thực tế này được một số nhà chế tạo khai thác để sản xuất vật kính của kính hiển vi

chế tạo từ gương hoàn toàn không bị quang sai màu.

Ứng dụng của gương

Kính hiển vi quang học khai thác công dụng về diện tích của gương phẳng, cả

cho việc lái chùm tia chiếu sáng qua đường truyền quang học và rọi lên mẫu vật, và để

chiếu ảnh lên thị kính hoặc bộ cảm biến ảnh. Trong số những ứng dụng khác của

gương phẳng là hướng ánh sáng qua đường dẫn trong những hệ quang đơn giản và

phức tạp, và làm những công việc quen thuộc như bộ làm lệch chùm tia, rotato ảnh.

Gương phẳng elip có trục chính kéo dài và được dùng cho việc bẻ cong hoặc làm gãy

khúc ánh sáng ở góc chính xác với sự méo đầu sóng ít nhất.

Gương hình trụ, hội tụ ánh sáng vào một trục, được dùng máy trải chùm tia,

máy phát thẳng, và dùng cho việc phóng đại ảnh dọc theo một trục. Trái lại, gương lồi

phổ biến hơn thực tế thấy ở mọi nơi, từ những vật trang trí cây thông giáng sinh cho tới

những chiếc gương an ninh góc nhìn rộng trong các cửa hàng. Gương parabol khổng lồ

dùng trong kính thiên văn thu thập ánh sáng từ những góc xa xôi của vũ trụ, còn những

mẫu nhỏ hơn phát ánh sáng vào trong không gian dưới dạng đèn pha. Thiết kế gương

hyperbol còn được dùng máy thu ánh sáng chính cho Kính thiên văn không gian

Hubble.

109

Hình 8. Sự phản xạ ánh sáng ở vật kính kính hiển vi

Gần gũi hơn, gương đóng một vai trò quan trọng trong các hệ rọi sáng kính hiển

vi trường tối chuyên dụng và ánh sáng phản xạ. Gương parabol không cầu được sử

dụng để tạo ra một nón chiếu sáng ngược, rỗng ở khẩu độ số cao cho việc ghi ảnh vùng

tối, còn gương elip được dùng để hướng ánh sáng từ bộ rọi sáng dọc qua vật kính trong

hệ ánh sáng phản xạ. Các vật kính chuyên dụng, gọi là vật phản xạ (hình 8), được dùng

trong kính hiển vi phản xạ ánh sáng và có hai thuận lợi cơ bản so với người anh em

trên cơ sở thấu kính của chúng. Vật kính phản xạ không bị quang sai màu và không

hấp thụ nhiều ánh sáng cực tím và hồng ngoại. Nhân tố thứ hai trên dẫn tới sự phát

triển vật kính phản xạ dùng cho cả kính hiển vi cực tím và hồng ngoại, ngoài các ứng

dụng vi quang phổ kế.

Một lợi thế nữa của vật kính phản xạ là chúng có thể được thiết kế và chế tạo

sao cho có khoảng cách làm việc dài hơn so với vật kính khúc xạ có độ phóng đại và

khẩu độ số tương đương. Ngoài vật kính phản xạ, gương còn đóng vai trò quan trọng

trong kính hiển vi huỳnh quang, trong đó chúng hoạt động với vai trò bộ tách chùm tia

lưỡng sắc hướng bước sóng kích thích về phía mẫu vật, và rồi chặn lượng ánh sáng đó

lại sau khi nó bị phản xạ trở lại qua vật kính. Những bộ phận khác của kính hiển vi

cũng kết hợp với gương. Các bóng đèn gia dụng phóng điện hồ quang và đèn volram-

halogen thường có gương phản xạ parabol giúp tập trung sự rọi sáng qua thấu kính góp

và đi vào đường truyền quang kính hiển vi. Ngoài ra, các đầu quét kính hiển vi đồng

tiêu sử dụng các gương được bố trí cẩn thận để quét chùm tia laser qua mẫu vật và

những ứng dụng tiên tiến làm cho gương trở thành một trong những thành phần quang

quan trọng nhất trong hộp công cụ của các nhà vật lí.

110

LĂNG KÍNH VÀ BỘ TÁCH CHÙM TIA

Lăng kính và bộ phân tách chùm tia là những thành phần chủ yếu bẻ cong, phân

tách, phản xạ, và uốn khúc tia sáng qua đường truyền của cả quang hệ đơn giản và

phức tạp. Được cắt và hàn với dung sai đặc biệt và góc chính xác, lăng kính là khối

thủy tinh, hoặc chất liệu trong suốt khác, nhẵn bóng, có thể dùng làm uốn cong hoặc

làm lệch hướng chùm tia sáng, làm quay hoặc đảo ngược ảnh, phân tách các trạng thái

phân cực, hoặc làm tán sắc ánh sáng thành các bước sóng thành phần của nó. Nhiều

thiết kế lăng kính có thể thực hiện nhiều chức năng, thường bao gồm việc làm thay đổi

đường nhìn và đồng thời làm giảm quang trình, do đó làm giảm kích thước của dụng

cụ quang.

Hình 1. Ống quan sát kính hiển vi với lăng kính và bộ tách chùm

Giống như tên goi, bộ tách chùm được dùng để gởi trả lại một phần chùm tia

sáng, đồng thời cho phép phần còn lại tiếp tục đi theo đường thẳng. Bộ tách chùm có

thể đơn giản là một bản thủy tinh hình vuông hoặc hình chữ nhật tráng một chất phản

xạ, hoặc chúng có thể tích hợp dạng lớp phủ bề mặt trong những cơ cấu quang nhiều

thành phần phức tạp. Bộ tách chùm phổ biến nhất sử dụng hai lăng kính góc vuông

tráng ở cạnh huyền, tạo ra một bề mặt bán phản xạ, và rồi hàn lại với nhau thành hình

lập phương. Khi hợp nhất vào một quang hệ, một phần ánh sáng truyền qua khối bị

lệch góc 90 độ khi chạm phải ranh giới tráng gương giữa hai lăng kính hình nêm. Phần

còn lại truyền qua khối không bị lệch. Ngoài việc có thể chia chùm tia sáng thành hai

thành phần, bộ tách chùm cũng có thể được dùng để kết hợp hai chùm tia sáng hoặc

các ảnh tách rời thành một.

Bộ tách chùm và lăng kính không chỉ có mặt trong những thiết bị quang thông

dụng đa dạng, như camera, ống nhòm, kính hiển vi, kính thiên văn, kính tiềm vọng, và

thiết bị phẫu thuật, mà còn có mặt trong nhiều thiết bị khoa học phức tạp, như giao

thoa kế, máy đo ảnh phổ, và huỳnh quang kế. Cả hai công cụ quang quan trọng này

đều cần thiết cho các ứng dụng laser yêu cầu điều khiển chặt chẽ hướng chùm tia đến

dung sai chính xác, với lượng ánh sáng bị thất thoát do tán xạ và phản xạ không mong

muốn ít nhất. Minh họa trong hình 1 là sơ đồ cấu tạo ống quan sát của kính hiển vi hai

mắt nhìn điển hình. Để làm lệch ánh sáng do vật kính thu thập vào cả hai thị kính,

trước tiên phải chia ánh sáng ra bằng bộ tách chùm, rồi hướng chúng qua lăng kính

phản xạ vào ống dẫn sáng hình trụ song song. Như vậy, ống quan sát hai mắt nhìn sử

111

dụng cả kĩ thuật lăng kính và bộ tách chùm để lái các chùm tia sáng có cường độ bằng

nhau vào các thị kính.

Lăng kính có thể tạm chia thành ba loại chính: lăng kính phản xạ, lăng kính

phân cực, và lăng kính khúc xạ hoặc tán sắc. Loại thứ nhất được dùng để gởi lại chùm

tia sáng bằng sự phản xạ nội toàn phần, còn loại thứ ba có thể dùng để bẻ cong và tách

ánh sáng thành các màu thành phần của nó. Ngược lại, lăng kính phân cực là tinh thể

lưỡng chiết chia ánh sáng tới chưa phân cực thành các thành phần riêng biệt trực giao

lẫn nhau. Lăng kính này được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực cho các quang cụ như

kính hiển vi và máy đo phân cực.

Gương thường được sử dụng nhằm làm gấp khúc ánh sáng qua một quang hệ.

Lăng kính cũng có thể đóng vai trò tương tự, trừ khi bề mặt phản xạ nội của lăng kính

xử sự như các gương ghép chặt với nhau với mỗi mặt có sự định hướng cố định đối với

nhau. Đặc điểm này hấp dẫn các nhà chế tạo, vì một khi lăng kính được chế tạo, nó sẽ

giữ được các thông số định hướng không bị lệch và không yêu cầu điều chỉnh thêm

trong cơ cấu cuối cùng, trừ khi lăng kính tự nó định vị. Tùy theo góc tới của chùm tia

sáng, lăng kính có thể khúc xạ ánh sáng hoặc cho phép nó đi vào không bị lệch và chịu

sự phản xạ nội toàn phần, nếu như chiết suất đủ lớn và góc nội lăng kính có dạng hình

học thích hợp.

Lăng kính phản xạ

Các thông số góc biểu hiện bởi lăng kính rất phong phú dẫn tới việc mở rộng

bất ngờ công dụng của lăng kính như là những thành phần quang chiến lược. Lăng

kính phản xạ thường được thiết kế để đặt ở những định hướng đặc biệt, trong đó mặt

đến và mặt ra vừa vuông góc vừa song song với trục quang. Ví dụ, lăng kính góc

vuông có hình học đơn giản của tam giác vuông 45 độ (xem hình 2) và là một trong

những lăng kính được sử dụng phổ biến nhất cho việc lái ánh sáng và làm quay ảnh.

Một bó sóng ánh sáng song song đi vào một trong hai mặt nhỏ (hoặc chân) của lăng

kính ở góc vuông, bị phản xạ từ mặt cạnh huyền (dài nhất) và đi ra qua chân bên kia.

Nếu lăng kính được chế tạo từ chất liệu có chiết suất lớn hơn căn bậc hai của 2

(khoảng 1,414), thì ánh sáng sẽ chịu sự phản xạ nội toàn phần tại ranh giới thủy

tinh/không khí khi đi trong lăng kính.

Đặc điểm này khiến lăng kính trở thành vật thay thế hấp dẫn cho gương, vì

không yêu cầu tráng kim loại hay chất lưỡng cực lên mặt phản xạ, đóng vai trò bộ

phản xạ gần như hoàn hảo. Sự tán xạ và thất thoát ánh sáng duy nhất xảy ra (thường

chỉ vài phần trăm) là do khiếm khuyết nhỏ của bề mặt, sự hấp thụ bởi chất làm lăng

kính, và sự phản xạ tại chân vào và chân ra của lăng kính. Sự mài nhẵn tỉ mỉ bề mặt và

áp dụng chất phủ chống phản xạ thích hợp cho các chân sẽ làm giảm tối thiểu những

sự thất thoát ánh sáng thứ yếu này. Theo định hướng này, lăng kính góc vuông hoạt

động như một hệ đảo ảnh với mặt trên thực hiện nhiệm vụ của gương phẳng bằng cách

tạo ra ảnh nghịch từ ảnh thuận, và ngược lại. Chú ý trong hình 2a là quả đấm màu đỏ

và đầu định hướng dưới đã quay đi, còn mặt trái và phải vẫn ở vị trí cũ.

Định hướng lại lăng kính góc vuông, sao cho bây giờ ánh sáng đi vào và đi ra

qua mặt cạnh huyền, tạo thành gương không đảo chiều, như minh họa trong hình 2.

Thường được gọi là lăng kính Porro, chùm tia sáng trong cấu hình này chịu hai sự

phản xạ nội sau khi nó đi vào lăng kính và bị lệch 180 độ khi đi ra. Kết quả là ảnh bị

112

lộn ngược trên xuống dưới, nhưng không đảo trái sang phải. Khi lăng kính được dùng

theo kiểu này, nó thường được gọi là lăng kính độ lệch không đổi, vì các tia sáng tới và

tia sáng ló song song nhau, bất kể góc ánh sáng đi vào lăng kính. Lăng kính Porro cũng

được sử dụng trong cơ cấu hai mắt nhìn truyền thống, trong đó chúng ghép đôi trực

giao với nhau để trước tiên làm lộn ngược, rồi sau đó làm đảo chùm tia sáng, tạo ra

ảnh thẳng đứng, hay cùng chiều. Bộ lăng kính song sinh này làm gấp khúc đường đi tia

sáng của quang hệ và cũng làm dịch chuyển ảnh cả chiều ngang và chiều dọc đi nửa

chiều dài cạnh huyền theo mỗi hướng. Lăng kính hai mắt nhìn luôn được chế tạo với

các góc bầu để làm giảm trọng lượng và kích thước, và có một rảnh nhỏ cắt vào mặt

cạnh huyền nhằm làm cản trở các tia sáng phản xạ nội ở những góc sớt qua.

Hình 2. Sự đảo ảnh và lộn ngược ảnh bởi lăng kính góc vuông

Định hướng thứ ba của lăng kính góc vuông so với chùm tia sáng tới (hình 2c)

thường được gọi là lăng kính bồ câu, có công dụng làm bộ quay ảnh. Lăng kính bồ câu

thường có phần chóp hình tam giác không cần thiết bị cắt bỏ, vừa làm giảm trọng

lượng vừa làm giảm sự phản xạ nội sai lạc. Một bó tia sáng đi vào lăng kính bồ câu

song song với mặt cạnh huyền, và bị khúc xạ xuống dưới tại chân thứ nhất về phía mặt

trong dài hơn. Khi bị phản xạ nội toàn phần bởi mặt cạnh huyền, ánh sáng lại bị khúc

xạ lần nữa khi nó ra khỏi lăng kính qua chân bên kia và tiếp tục đi theo hướng cũ mà

nó truyền trước khi đi vào lăng kính. Vì lăng kính bồ câu có độ loạn thị cao khi ánh

sáng hội tụ truyền qua, nên nó hầu như dùng riêng với ánh sáng chuẩn trực. Lăng kính

bồ câu không làm lệch hoặc làm dịch chuyển ảnh, nhưng nó có thể được dùng làm đảo

hoặc lộn ngược ảnh.

Mặc dù thoạt nhìn thì lăng kính bồ câu có vẻ là ứng cử viên tốt đối với sự tán

sắc (do góc tới của chùm tia sáng), nhưng sự truyền ánh sáng qua lăng kính này thật sự

tương đương với sự truyền qua một phiến thủy tinh có mặt hỗ trợ làm quay ảnh. Một

hệ quả lí thú của hình học kiểu bồ câu là lăng kính bị quay theo trục dọc. Trong sự

định hướng trong hình 2c, ánh sáng truyền qua lăng kính bồ câu hình thành ảnh lộn

ngược tử trên xuống dưới và đảo từ phải sang trái. Tuy nhiên, nếu lăng kính quay đi

45o, thì ảnh thu được quay đi 90

o, và khi lăng kính quay đi thêm 45

o nữa (tức là quay

tổng cộng 90o, lăng kính nằm trên “mặt” của nó), lúc này ảnh quay đi 180

o. Như vậy,

ảnh quay nhanh gấp hai lần lăng kính. Trong thực tế, hai lăng kính bồ câu thường hàn

với nhau ở mặt cạnh huyền (sau khi đặt một mặt gương lên những mặt này) tạo thành

bộ đôi thấu kính có khả năng làm thay đổi hướng nhìn cho kính thiên văn, kính viễn

vọng, và những quang cụ khác.

Lăng kính phản xạ có thể miêu tả như một bản hoặc khối thủy tinh phẳng song

song có bề dày có thể xác định bằng cách gấp lăng kính theo xung quanh các mặt phản

xạ của nó, như minh họa trong hình 3. Lăng kính chưa gấp lại được trình bày dưới

113

dạng biểu đồ đường ngầm, và có bề dày bằng với chiều dài của mặt tới và mặt ra. Trên

cơ sở thông tin này, bề dày biểu kiến của lăng kính có thể xác định được từ chiết suất,

biểu diễn bằng phương trình sau:

Bề dày khả kiến = d/n

trong đó d là bề dày kính (xác định từ lăng kính chưa gấp), và n là chiết suất. Đường đi

tia sáng qua lăng kính chưa gấp đối với trường hợp góc vuông đơn giản, và lăng kính

Porro tương ứng được biểu diễn trong hình 3a và 3b. Đối với lăng kính góc vuông, bề

dày chưa gấp bằng với chiều dài của chân ngắn (qua đó ánh sáng đi vào và đi ra lăng

kính). Việc gấp nếp một lăng kính cũng sẽ cho thấy kích thước chùm tia lớn nhất có

thể truyền qua mà không phân tán qua các rìa của lăng kính. Biểu đồ đường hầm đối

với lăng kính bồ câu được minh họa trong hình 3c, và cho thấy đường đi không gấp

khúc của các tia sáng khúc xạ khi chúng truyền qua khối thủy tinh nghiêng so với góc

ánh sáng tới. Lưu ý rằng cấu hình này là lăng kính duy nhất trong hình 3 chịu sự khúc

xạ tại mặt phân giới vào và ra. Góc tia sáng đi vào lăng kính bồ câu yêu cầu chiều cao

của mặt vào bị giới hạn bởi chiều dài của mặt đế (mặt cạnh huyền, hoặc mặt dài). Việc

mở ra các thành phần của quang hệ thường là phương pháp tốt nhất để xác định ánh

sáng truyền như thế nào qua các lỗ, thấu kính, và các bộ làm lệch góc đa dạng, và có

thể nghiên cứu kĩ lưỡng nhằm cải thiện các thông số thiết kế và hiệu suất.

Hình 3. Biểu đồ đường ngầm lăng kính góc vuông

Thay mặt cạnh huyền của lăng kính góc vuông bằng một vòm phản xạ nội toàn

phần gồm hai bề mặt đặt lệch 90 độ so với nhau, ta có lăng kính Amici (xem hình 4b).

Việc thêm mái vòm ngoài nhiệm vụ duy trì sự đảo 90o đối với ảnh thu được với thấu

kính góc vuông, còn làm quay ảnh đi 180o xung quanh trục chính. Tại mặt vòm, các tia

sáng tới tại góc thông thường cho phép chúng truyền qua mặt cạnh huyền giao nhau

bởi sự phản xạ nội toàn phần qua lăng kính. Kết quả là làm tách ảnh ở chính giữa và

hoán chuyển phần bên trái và bên phải. Lăng kính Amici đắt và khó chế tạo vì góc

vòm phải hàn đến dung sai 2-4 giây cung để tránh sự hình thành ảnh kép. Ngoài ra,

việc thêm thành phần vòm làm giảm độ phân giải giới hạn nhiễu xạ đi gần như hai lần

theo hướng vuông góc với cạnh vòm, cho dù độ chính xác khi chế tạo là bao nhiêu.

Vấn đề này có thể được khắc phục một phần bằng cách tráng nhiều lớp lên bề mặt.

Một kiểu phổ biến khác, lăng kính năm mặt (hình 4a), làm lệch ánh sáng qua

góc 90o không đổi mà không làm đảo ảnh (không nên nhằm lăng kính này với lăng

kính penta sử dụng trong camera phản chiếu một thấu kính, cùng dùng một lăng kính

vòm để tạo ra ảnh thẳng đứng). Như minh họa trong hình 4a, lăng kính năm mặt làm

phản xạ ánh sáng từ hai mặt bên trong tại những góc không đủ để chịu sự phản xạ nội

toàn phần, do đó yêu cầu phải tráng gương lớp mỏng ở mặt ngoài. Lăng kính năm mặt

cũng thường được gọi là hình vuông quang học (khi sử dụng trong thiết bị trắc địa), vì

tia sáng vào bị lệch góc như nhau, bất kể sự định hướng lăng kính so với hướng nhìn.

114

Lăng kính hình bình hành chế tạo có hình dạng hình bình hành làm dịch chuyển chùm

tia hoặc hướng nhìn mà không ảnh hưởng tới sự định hướng ảnh (hình 4c). Lăng kính

này có hai mặt (chân) phản xạ song song nhỏ hơn bị cắt ở góc 45o từ vật hình chữ nhật

dài hơn nhiều. Những mẫu thấu kính đa dạng khác có những tính chất độc đáo, chủ

yếu cho ảnh thẳng đứng hoặc đảo ảnh, cho phép chúng thực hiện nhiều chức năng đặc

biệt trong quang hệ.

Hình 4. Sự quay ảnh, lệch ảnh và dịch chuyển ảnh bởi các lăng kính phổ biến

Lăng kính phân cực

Nhà vật lí người Scotland William Nicol là người đầu tiên nghĩ ra lăng kính

phân cực bằng cách cắt khoáng vật calcite (spar Iceland) hình bình hành theo đường

chéo, tráng các bề mặt mới cắt, rồi hàn chúng lại với nhau bằng nhựa Canada. Kết quả

thu được là một tinh thể lưỡng chiết trong suốt, gọi là lăng kính Nicol, phân tách có

hiệu quả ánh sáng phân cực tại ranh giới giữa hai nửa tinh thể. Khi đi vào lăng kính

qua một chân góc nhỏ (song song với trục dọc của tinh thể), ánh sáng không phân cực

bị tách thành hai thành phần phân cực, gọi là sóng thường và sóng bất thường, truyền

trong tinh thể với tốc độ khác nhau. Hai sóng ánh sáng phân tách cũng có hướng dao

động vectơ điện trường hợp với nhau góc 90o. Khi sóng ánh sáng phân tách chạm tới

ranh giới giữa hai phần tinh thể, thành phần thường bị khúc xạ ở mức độ nhiều hơn và

bị hấp thụ bởi lớp sơn đen phía mặt ngoài của lăng kính. Trái lại, tia bất thường truyền

qua ranh giới và ló ra khỏi lăng kính hơi bị dịch một chút, nhưng vẫn truyền theo

hướng song song với ánh sáng tới. Ánh sáng phân cực phẳng có thể dùng để rọi sáng

các mẫu vật lưỡng chiết trong kính hiển vi hoặc những dụng cụ khác yêu cầu cung cấp

ánh sáng có dao động vectơ điện trường giới hạn trong một mặt phẳng.

Những biến thể phổ biến khác của lăng kính Nicol có kính phân cực Glan-

Foucault (xem hình 5a), gồm hai lăng kính calcite giống hệt nhau cắt sao cho trục

quang song song với cạnh góc, và gắn với một khe không khí nhỏ sao cho các mặt tinh

thể dài song song với nhau. Lăng kính này trong suốt đối với các bước sóng từ khoảng

230nm, trong vùng phổ tử ngoại, tới bức xạ hồng ngoại trên 5000nm. Phạm vi truyền

bước sóng rộng như vậy cho phép lăng kính Glan-Foucault được sử dụng trong nhiều

thiết bị đa dạng. Giống như lăng kính Nicol, ánh sáng tới chạm tới lăng kính Glan-

Foucault bị tách thành sóng thường và sóng bất thường dao động song song hoặc

vuông góc với trục quang. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sóng ánh sáng phân tách

truyền qua lăng kính mà không khúc xạ cho tới khi chúng chạm tới ranh giới thủy

tinh/không khí, tại đây tia thường bị phản xạ nội hoàn toàn, nhưng tia bất thường

truyền qua ranh giới đó và chỉ bị lệch một chút.

115

Hình 5. Đường đi tia sáng qua lăng kính phân cực

Nếu hai nửa tinh thể dán với nhau, lăng kính khi đó được gọi là kính phân cực

(hay lăng kính) Glan-Thompson, và có thể chịu được bức xạ cường độ mạnh hơn, ví

dụ như bức xạ phát ra từ một nguồn laser cường độ cao. Lăng kính lưỡng chiết thứ ba

là lăng kính Wollaston, thực ra là một bộ tách chùm phân cực chế tạo từ hai phần

calcite hoặc thạch anh hàn với nhau với trục quang định hướng trực giao (hình 5b).

Ánh sáng phân cực truyền qua lăng kính Wollaston bị tách thành các sóng trực giao,

như mô tả ở phần trên đối với các lăng kính phân cực khác. Tuy nhiên, khi sóng

thường và sóng bất thường chạm tới lớp tiếp giáp hàn chéo góc, chúng trao đổi nhân

dạng, bị khúc xạ theo hướng khác nhau, và ló ra khỏi lăng kính hơi dịch ra xa nhau.

Góc lệch (thường gọi là góc biến dạng) giữa hai sóng ánh sáng đi ra được xác định bởi

góc nêm của lăng kính, thường thay đổi từ 15 đến 45o.

Một số dạng khác của lăng kính kiểu Glan có thể thu được bằng cách thay đổi

định hướng trục quang calcite hoặc thạch anh so với từng nửa tinh thể (như minh họa

trong hình 5). Lăng kính Rochon (hình 5c) đặt các trục trực giao với nhau và sắp xếp

sao cho ánh sáng không phân cực tới đi vào lăng kính song song với trục quang (và

không bị tách ra). Khi sóng ánh sáng truyền qua lớp tiếp giáp trong lăng kính Rochon,

chúng đi vào một vùng mới trong đó trục quang định hướng vuông góc với sóng. Việc

này khiến ánh sáng bị tách thành các thành phần thường và bất thường, với sóng

thường truyền qua không bị lệch và sóng bất thường bị khúc xạ khỏi theo hướng vuông

góc. Kịch bản ngược lại có thể thu được với lăng kính Senarmont, cũng có trục của

phần tinh thể thứ nhất định hướng song song với nguồn chiếu sáng tới. Tuy nhiên, khi

sóng ánh sáng chạm tới ranh giới trong lăng kính Senarmont (xem hình 5d), sự định

hướng của trục quang trong nửa thứ hai của tinh thể cho phép tia bất thường truyền

qua không bị lệch, nhưng làm khoảng cách sóng thường. Những lăng kính này có thể

sử dụng để lựa chọn các định hướng riêng biệt của ánh sáng phân cực cho những ứng

dụng quang đặc biệt.

116

Lăng kính tán sắc (lăng kính khúc xạ)

Minh chứng đầu tiên cho sự khúc xạ và tán sắc ở lăng kính tam giác được thực

hiện bởi nhà vật lí người Anh Isaac Newton vào cuối những năm 1600. Newton đã chỉ

rõ rằng ánh sáng trắng có thể bị tách thành các màu thành phần của nó bởi một lăng

kính đều có các mặt và các góc bằng nhau. Nói chung, một lăng kính khúc xạ hoặc tán

sắc có hai hay nhiều bề mặt phẳng định hướng theo kiểu thích hợp sao cho nó làm

khúc xạ chứ không phản xạ chùm ánh sáng tới. Khi tia sáng chạm tới bề mặt của một

thấu kính tán sắc, nó bị khúc xạ khi đi vào theo định luật Snell và rồi truyền qua thủy

tinh cho đến khi chạm tới bề mặt thứ hai. Một lần nữa, tia sáng lại bị khúc xạ và ló ra

khỏi lăng kính theo một đường đi mới (xem hình 6). Vì lăng kính làm thay đổi hướng

truyền của ánh sáng, nên các sóng truyền qua lăng kính được nói là bị lệch đi một góc

nhất định, có thể được xác định rất chính xác bằng cách áp dụng định luật Snell cho

hình học lăng kính. Góc lệch là nhỏ nhất khi sóng ánh sáng đi vào lăng kính với góc

cho phép chùm tia truyền qua thủy tinh theo hướng song song với đế.

Hình 6. Lăng kính tán sắc đều

Độ lệch của tia sáng do lăng kính mang lại là một hàm của góc tới, góc chóp

(đỉnh) lăng kính, và chiết suất của chất cấu tạo nên lăng kính. Khi giá trị chiết suất lăng

kính tăng, thì góc lệch của tia sáng truyền qua lăng kính cũng tăng. Chiết suất thường

phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn (ánh sáng xanh dương) thì bị

khúc xạ ở góc càng lớn so với bước sóng dài (ánh sáng đỏ). Sự biến thiên này của góc

lệch theo bước sóng được gọi là sự tán sắc, và là nguyên nhân gây ra hiện tượng mà

Newton quan sát thấy cách nay đã 300 năm.

Sự tán sắc có thể điều chỉnh tốt bằng cách chọn loại thủy tinh có chiết suất thích

hợp đặc trưng cho một ứng dụng nhất định. Nói chung, đặc điểm tán sắc của những

loại thủy tinh khác nhau có thể so sánh qua số Abbe, được xác định bằng cách đo chiết

suất của những bước sóng tham chiếu nhất định truyền qua loại thủy tinh đó. Số Abbe

cho những loại thủy tinh phổ biến dùng chế tạo lăng kính được cho trong bảng 1. Như

có thể thấy rõ ràng từ bảng 1, số Abbe càng nhỏ cho công suất tán sắc càng cao, tức là

góc mở của các màu trong phổ ánh sáng ló ra càng lớn.

Bảng 1. Số Abbe và chiết suất của thủy tinh làm lăng kính

Loại thủy tinh Chiết suất Số Abbe

Thạch anh nấu chảy 1.4585 67.8

BK 7 1.5168 64.17

Barium Crown nhẹ 1.5411 59.9

Flint nhẹ 1.5725 42.5

Thủy tinh Flint đặc 1.620 36.37

Thủy tinh Flint cực đặc 1.6725 32.20

Thủy tinh Flint rất đặc 1.728 28.41

117

Ứng dụng chủ yếu của lăng kính tán sắc là tách các bước sóng trong lĩnh vực

quang phổ học, ngành vật lí tập trung nghiên cứu và phân tích quang phổ. Mặc dù lăng

kính từng được chọn làm thành phần quang cho quang phổ kế và máy đo ảnh phổ,

nhưng hiện nay cách tử nhiễu xạ đảm đương vai trò chính trong những thiết bị này.

Cách tử tạo ra sự tán sắc vạch của ánh sáng trắng chứ không phải góc phức tạp tuân

theo mối quan hệ bước sóng biểu hiện bởi lăng kính. Tuy nhiên, lăng kính thật sự có

một vài tiện lợi so với cách tử, như khả năng linh động cao, không có hiện tượng nhiễu

xạ bậc cao không mong muốn, và ánh sáng thất thoát ít hơn.

Vật liệu và việc chế tạo lăng kính

Để cho một lăng kính hoạt động ở những đặc điểm kĩ thuật theo yêu cầu, nó

phải được chế tạo từ đúng loại thủy tinh và không bị kéo căng hoặc bị khiếm khuyết

bên trong. Tất cả các mặt của lăng kính phải hoàn toàn phẳng và gắn với nhau ở những

góc chính xác (mặc dù các góc này ở một số lăng kính thì quan trọng hơn nhiều so với

những lăng kính khác) lệch không quá 5 đến 10 phút cho những công dụng nói chung,

nhưng giữ đến chỉ vài giây đối với những ứng dụng quan trọng, ví dụ như lăng kính

vòm. Vật liệu thừa tại các góc luôn bị cắt bỏ việc sứt mẻ và gãy vỡ và làm giảm tối

thiểu trọng lượng và kích thước của lăng kính. Các mặt bên ngoài phải được giữ sạch

sẽ đến tiêu chuẩn quang chính xác nhất, có thể thực hiện bằng cách áp dụng một lớp

phủ sơn mài hoặc tráng bạc bề mặt thích hợp. Trong nhiều trường hợp, người ta khắc

khía lên bề mặt để loại trừ ảnh ma tạo bởi sự phản xạ nội sai lạc.

Những thay đổi ở mật độ thủy tinh trong vật liệu làm lăng kính có thể tạo ra sự

méo ảnh và làm thay đổi đặc trưng tán sắc của thủy tinh. Tương tự, các bọt hoặc vụn

tạp chất trong thủy tinh có thể tạo ra sự nhiễu xạ và làm giảm sự truyền sáng. Thủy

tinh được chọn cho chế tạo lăng kính được đặc trưng bởi chiết suất, độ tán sắc, và các

tính chất truyền sáng của chúng.

Bộ tách chùm tia

Bộ tách chùm là một thành phần quang phổ biến cho truyền qua một phần và

phản xạ một phần chùm tia sáng tới, thường với tỉ lệ không bằng nhau. Ngoài nhiệm

vụ tách chùm tia, bộ tách chùm còn có thể dùng làm tái kết hợp hai chùm tia sáng hoặc

ảnh phân tách vào một đường đi. Cấu hình đơn giản nhất đối với một bộ tách chùm là

một bản thủy tinh phẳng không tráng (như bàn soi kính hiển vi) có năng suất phản xạ

bề mặt trung bình khoảng 4%. Khi đặt ở góc 45o, bản sẽ cho truyền qua đa phần ánh

sáng, nhưng phản xạ một lượng nhỏ ở góc 90o so với chùm tia tới. Đúng như tên gọi

bản tách chùm, bản thủy tinh crown quang được thiết kế tráng bạc một phần nhằm tạo

ra tỉ số truyền qua-phản xạ theo yêu cầu. Tỉ số này luôn biến thiên trong khoảng giữa

50:50 và 20:80, phụ thuộc vào từng ứng dụng.

Nói chung, một màng kim loại hay lưỡng cực lắng lên mặt trước (đối diện với

nguồn rọi sáng tới) của bản tách chùm, còn một lớp phủ chống phản xạ được tráng lên

mặt sau (xem hình 7). Chất phủ chống phản xạ được chọn phù hợp với góc tới của ánh

sáng nhằm làm giảm tối thiểu lượng ánh sáng phản xạ khỏi mặt sau của bản và làm

giảm khả năng tạo ảnh ma. Các chất chống phản xạ tiêu biểu chỉ có hệ số phản xạ

khoảng 0,5% ở góc tới 45o. Lớp phủ lưỡng cực cũng phải được xử lí tốt nhằm mang lại

năng suất phản xạ, các đặc điểm phân cực, và sự phân bố bước sóng thích hợp ở góc

mà bộ tách chùm được thiết kế. Vì cả chất phủ lưỡng cực và chất phủ chống phản xạ

118

đều có sự hấp thụ không đáng kể trong vùng ánh sáng khả kiến (điển hình là 0,5% đối

với bộ tách chùm 50:50 ở góc 45o), nên bản tách chùm lí tưởng cho nhiều ứng dụng

rộng rãi.

Hình 7. Bộ tách chùm dạng đĩa lưỡng cực

Một trong hệ quả lớn nhất của việc sử dụng chất phủ lưỡng cực cho việc chế tạo

bộ tách chùm là sự truyền và phản xạ không bằng nhau đối với các thành phần phân

cực p và s (song song và vuông góc) của chùm tia sáng tới không phân cực. Kết quả là

một số bộ tách chùm lưỡng cực chia ánh sáng không bằng nhau theo trạng thái phân

cực có thể gây khó khăn trong nhiều ứng dụng. Khi sử dụng lớp phủ lưỡng cực, hiện

tượng này thường có thể khắc phục bằng cách thay đổi sự định hướng vectơ phân cực

của ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứng phân cực có thể làm giảm qua việc sử dụng lớp

phủ lưỡng cực màng mỏng nhiều lớp phức tạp hơn, nhưng thường làm tiêu hao các mặt

hiệu suất khác.

Các lớp phủ bộ tách chùm không phân cực chuyên dụng được thiết kế dành cho

dùng với ánh sáng laser phân cực, trong đó bức xạ tới phải duy trì hướng phân cực của

nó trong cả chùm truyền qua và chùm phản xạ. Các lớp phủ có thể thực sự mang lại sự

tách rõ ràng 50/50 năng lượng laser, bất kể trạng thái phân cực của chùm tia tới. Là

một mặt lợi thế, ánh sáng không phân cực tới trên những lớp phủ này có cả thành phần

song song lẫn vuông góc truyền qua ở tỉ lệ hầu như bằng nhau. Các bộ tách chùm dạng

bản cũng có thể thiết kế để hoạt động như các bộ lọc cạnh sóng dài và sóng ngắn (khi

đặt ở góc 45o) cho những ứng dụng yêu cầu việc chọn lọc bước sóng nhất định. Trong

trường hợp bộ lọc sóng dài, các bước sóng dài được truyền qua và các bước sóng ngắn

bị phản xạ ở góc 90o so với chùm tia tới. Bộ lọc sóng ngắn hoạt động theo kiểu ngược

lại (cho truyền qua bước sóng ngắn và phản xạ bước sóng dài). Các bộ tách chùm hoạt

động như bộ lọc cạnh thường được gọi là gương lưỡng sắc.

Bộ tách chùm hình lập phương được chế tạo bằng cách dán hai mặt cạnh huyền

của một cặp lăng kính góc vuông với nhau, có màng phản xạ một phần lắng trên mặt

của một lăng kính (hình 8a). Cả bốn mặt của bộ tách chùm hình lập phương được xử lí

một lớp phủ chống phản xạ nhằm làm giảm tối thiểu ảnh ma. Trong điều kiện lí tưởng,

chùm ánh sáng tới phải đi vào bộ tách chùm qua lăng kính có phủ màng phản xạ sao

cho sự phản xạ xảy ra trước khi chùm tia chạm tới chỗ hàn nối khối lập phương lại với

nhau. Bộ tách chùm hình lập phương chống chấn động cơ và biến dạng cơ tốt hơn bộ

tách chùm dạng bản, chủ yếu do bề mặt phản xạ được bảo vệ bằng cách kẹp giữa các

lăng kính thủy tinh.

119

Hình 8. Cấu trúc của những bộ tách chùm thông dụng

Bộ tách chùm dạng bản có một số thuận lợi so với bộ tách chùm hình lập

phương chủ yếu do không có lớp kết dính quang học trong vùng lân cận màng lưỡng

cực hoặc màng kim loại, chúng có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng và làm giảm sự

truyền qua. Hệ quả là bộ tách chùm dạng bản có thể chịu được mức độ bức xạ cao hơn

đáng kể mà không bị phá hủy. Bản thủy tinh cũng nhỏ hơn và nhẹ hơn so với khối lập

phương lăng kính song sinh, và có thể dễ dàng lắp vào những không gian chật hẹp

trong những cơ cấu quang chật ních.

Các chất phủ tiên tiến cho bộ tách chùm hình lập phương gồm có màng kim

loại-lưỡng cực lai ghép kết hợp lợi thế của cả hai loại vật liệu. Kết quả là một bộ tách

chùm có hiệu suất vừa phải thường có mức hấp thụ khoảng 10% với độ nhạy phân cực

rất thấp. Sự hấp thụ làm thất thoát hầu như chia đều giữa chùm truyền qua và chùm

phản xạ, và các thành phần phân cực nằm trong 5 đến 10% lẫn nhau. Các lớp phủ băng

rộng khác có đặc trưng hấp thụ thấp hơn, nhưng lại cực nhạy với sự phân cực. Các lớp

phủ không phân cực lưỡng cực được thiết kế cho hiệu suất cao ở những bước sóng

nhất định, thường dùng cho những ứng dụng laser.

Loại bộ tách chùm quan trọng thứ ba được chế tạo từ màng đàn hồi mạnh sức

căng cao (như nitrocellulose) kéo căng giống như tấm vải bạt trên một khung kim loại

phẳng sơn đen. Được gọi là bộ tách chùm màng mỏng (hình 8b), chiều dày màng thay

đổi từ 2 đến 10 micromét, quá mỏng nên nó hầu như loại trừ hết ảnh ma. Ngoài ra, sự

quang sai, như sắc sai, quang sai cầu, và loạn thị, đã được làm giảm tới mức tối thiểu

khi so với bộ tách chùm dạng bản và hình lập phương, mở rộng bất ngờ khả năng sử

dụng cả ánh sáng hội tụ lẫn phân kì. Các màng mỏng không phủ chất cho truyền qua

khoảng 92% ánh sáng tới trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần, nhưng thường

biểu hiện độ hấp thụ không thể chấp nhận được trong vùng tử ngoại. Trong đa số ứng

dụng, màng mỏng thường được phủ thêm một lớp màng lưỡng cực mỏng lên mặt đối

diện với chùm tia sáng tới. Những bộ tách chùm này thường là nạn nhân của hiện

tượng giao thoa do trạng thái quá gần của các bề mặt màng, và chúng cũng là đối

tượng cho các dao động âm. Các bề mặt màng mỏng phải tránh bị chạm tiếp xúc và có

thể lau sạch chỉ bằng một làn gió nhẹ.

Bộ tách chùm đục lỗ (thường được gọi là bộ tách chùm chấm polka, xem hình

8c) được chế tạo bằng cách tráng một chất thủy tinh quang với một lớp nhôm mỏng có

những lỗ hình vuông kích thước đều đặn. Bề mặt thu được có diện mạo “chấm polka”,

đúng như tên gọi. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận kích thước lỗ, tỉ số diện tích bề mặt

phủ và không phủ chất trong bộ tách chùm đục lỗ có thể được điều chỉnh sao cho nó

120

tách đều chùm tia tới thành các thành phần truyền qua và phản xạ. Sóng ánh sáng

chạm tới bề mặt không phủ chất thì truyền qua (mất mát vài phần trăm do sự phản xạ

từ thủy tinh), còn sóng chạm tới lớp nhôm tráng thì bị phản xạ (thường ở góc 45o). Bộ

tách chùm đục lỗ biểu hiện độ nhạy không đáng kể trong một phạm vi góc rộng, và có

ích cho việc tách chùm tia sáng từ các nguồn bức xạ băng rộng, phân kì, như đèn hồ

quang thủy ngân và đèn volfram-halogen. Ngoài ra, cấu trúc dạng lưới biểu hiện sự

phân kì không đáng kể của chùm tia truyền qua do nhiễu xạ và không chịu sự phân

cực. Những bộ lọc này cũng có ích với đèn deuterium và xenon, và tìm thấy ứng dụng

trong máy đo ảnh phổ và nhiều quang hệ khác.

Hình 9. Sự lái chùm tia qua lăng kính hình nêm

Các lăng kính tròn có các bề mặt phẳng đặt hơi sớt qua nhau được gọi là nêm

quang học, và làm lệch ánh sáng bằng sự khúc xạ chứ không phản xạ. Mặc dù các nêm

về bản chất là hợp bởi lăng kính, nhưng chúng có thể được điều chỉnh để hoạt động

như bộ tách chùm hoặc bộ lái chùm tia. Góc mà một nêm làm lệch ánh sáng tới phụ

thuộc vào góc giữa mặt vào và mặt ra và chiết suất của thủy tinh chế tạo nên các bản

đó. Góc nêm thay đổi từ 2 đến 25 độ và có khả năng chọn lọc kép tương ứng làm lệch

chùm tia khúc xạ từ 2 đến 20 cm trên mỗi mét khoảng cách tính từ lăng kính. Hướng

ánh sáng khúc xạ sau khi đi qua nêm có thể điều khiển bằng cách quay lăng kính tròn

(xem hình 9). Trong nhiều trường hợp, hai nêm ghép đôi và đường đi ánh sáng bị thay

đổi đến mức độ còn lớn hơn nữa trong phạm vi 360 độ bằng cách quay các nêm theo

hướng ngược nhau. Lăng kính hình nêm hoạt động như bộ tách chùm linh hoạt ngăn

cản ảnh ma và lái chùm tia sáng qua đường đi có thể điều chỉnh trong quang hệ.

Cả lăng kính và bộ tách chùm đều là những thành phần quan trọng trong ống

ngắm của kính hiển vi, trong đó chúng làm nhiệm vụ làm lệch ánh sáng từ vật kính tới

thị kính hoặc cổng camera. Trong những chiếc kính hiển vi hiện đại trang bị ống ngắm

hai mắt nhìn, lăng kính cũng được sử dụng để làm thay đổi đường ngắm từ thẳng đứng

sang góc 45o tiện lợi hơn. Gương tách chùm lưỡng sắc cũng quan trọng trong kính hiển

vi huỳnh quang, mang lại sự rọi sáng kích thích cho mẫu vật và cho phép huỳnh quang

thứ cấp đi vào thị kính, đồng thời chặn lại các bước sóng kích thích bị phản xạ. Những

thiết bị quang khác, như kính thiên văn, kính định tâm, và dụng cụ trắc địa cũng dựa

trên lăng kính và bộ tách chùm để thực hiện chức năng của chúng.

121

SỰ NHÌN VÀ CẢM GIÁC VỀ MÀU SẮC

Sự nhìn màu sắc nổi của con người là một quá trình rất phức tạp đến nay vẫn

chưa được hiểu trọn vẹn, mặc dù hàng trăm năm nghiên cứu và mô phỏng đã trôi qua.

Sự nhìn yêu cầu sự tương tác gần như tức thời của hai mắt và não thông qua mạng lưới

thần kinh, các cơ quan thụ cảm và những tế bào chuyên biệt khác. Bước thứ nhất trong

quá trình cảm giác này là sự kích thích của cơ quan cảm thụ ánh sáng trong mắt, biến

kích thích sáng hoặc hình ảnh thành tín hiệu, và truyền tín hiệu điện chứa thông tin

nhìn từ mỗi mắt đến não thông qua dây thần kinh thị giác. Thông tin này được xử lí

tiếp trong vài giai đoạn, sau cùng thì truyền đến phần vỏ não có liên quan đến thị giác.

Hình 1. Cấu tạo của mắt người

Mắt người có các thành phần quang đa dạng, gồm giác mạc, mống mắt, con

ngươi, thủy dịch và thủy tinh dịch, một thủy tinh thể có tiêu cự thay đổi, và võng mạc

(như minh họa trong hình 1). Những thành phần này phối hợp với nhau, tạo nên ảnh

của các vật rơi vào tầm nhìn của mắt. Khi một vật được quan sát, trước tiên nó hội tụ

qua thành phần giác mạc lồi và thủy tinh thể, hình thành nên ảnh lộn ngược trên mặt

võng mạc, một màng nhiều lớp chứa hàng triệu tế bào thị giác. Để đến được võng mạc,

các tia sáng bị hội tụ bởi giác mạc phải lần lượt đi qua thủy dịch (trong khoang phía

trước), thủy tinh thể, thủy tinh dịch sền sệt, và lớp mạch máu và dây thần kinh của

võng mạc trước khi chúng đi đến phần nhạy sáng bên ngoài của các tế bào hình nón và

hình que. Những tế bào thị giác này nhận diện ảnh và biến nó thành tín hiệu điện

truyền lên não.

Bất chấp một số quan niệm sai lầm do có quá nhiều thuật ngữ dùng để mô tả

cấu tạo mắt, nhưng chính giác mạc, chứ không phải thủy tinh thể, mới chịu trách

nhiệm chính cho khả năng khúc xạ toàn bộ của mắt. Nhẵn bóng và trong suốt như thủy

tinh, mềm dẻo và bền như plastic, phần trong suốt, có độ cong cao, nằm phía ngoài này

của thành trước của nhãn cầu cho phép các tia sáng tạo ảnh truyền qua vào phần trong.

Giác mạc cũng bảo vệ mắt bằng cách làm một rào chắn vật lí che chắn phần trong của

mắt khỏi vi sinh vật, bụi bặm, các sợi nhỏ, các chất hóa học và những chất gây hại

khác. Mặc dù chiều rộng nhỏ hơn nhiều so với thủy tinh thể, nhưng giác mạc mang lại

khoảng 65% khả năng khúc xạ của mắt. Đa phần sức mạnh bẻ cong ánh sáng tập trung

gần chính giữa của giác mạc, nơi tròn hơn và mỏng hơn so với các phần ngoại biên của

mô.

Như cánh cửa sổ điều khiển ánh sáng đi vào mắt, giác mạc (hình 2) là yếu tố

cần thiết cho sự nhìn tốt và cũng đóng vai trò là bộ lọc ánh sáng tử ngoại. Giác mạc

122

loại trừ một số bước sóng tử ngoại gây phá hủy nhất có mặt trong ánh sáng Mặt Trời,

do đó bảo vệ được võng mạc dễ thương tổn và thủy tinh thể khỏi bị phá hoại. Nếu giác

mạc cong quá nhiều, như trường hợp cận thị, các vật ở xa sẽ xuất hiện dạng ảnh mờ,

do sự khúc xạ ánh sáng chưa hoàn chỉnh tới võng mạc. Trong trường hợp loạn thị, sự

không hoàn hảo hay không đều ở giác mạc gây ra sự khúc xạ không đồng đều, làm cho

ảnh chiếu lên võng mạc bị méo dạng.

Hình 2. Cấu tạo của giác mạc

Không giống như đa số các mô của cơ thể người, giác mạc không có các mạch

máu nuôi dưỡng hoặc bảo vệ chống lại sự xâm nhiễm. Cả những mao mạch nhỏ nhất

cũng sẽ gây trở ngại cho quá trình khúc xạ chính xác. Giác mạc nhận nuôi dưỡng từ

nước mắt và thủy dịch, chúng chiếm đầy khoang nằm phía sau cấu trúc này. Lớp biểu

mô phía ngoài của giác mạc chứa hàng nghìn đầu mút dây thần kinh nhỏ, khiến cho

giác mạc cực kì nhạy với sự đau đớn khi bị chà xát hoặc cào xước. Chiếm khoảng 10%

chiều dày của mô, lớp ngoài của giác mạc chặn các đối tượng lạ không cho đi vào mắt,

đồng thời mang lại bề mặt nhẵn cho sự hấp thụ oxy và chất dinh dưỡng. Lớp chính

giữa của giác mạc, gọi là chất nền, chiếm khoảng 90% mô, và gồm một mạng sợi

protein bão hòa nước mang lại sức bền, sức đàn hồi, và hình dạng chống đỡ cho biểu

mô. Các tế bào cấp dưỡng chiếm phần còn lại của lớp chất nền. Vì chất nền có xu

hướng hấp thụ nước, nên nhiệm vụ chính của mô màng trong là bơm nước dư thừa

khỏi chất nền. Không có hoạt động bơm này, chất nền sẽ đầy ứ nước, trở nên mờ

sương, và cuối cùng chuyển thành giác mạc mờ đục, tức là mắt bị mù.

Sự mất trong suốt một phần hoặc toàn bộ do thủy tinh thể, hoặc lớp bao ngoài

của nó, gây ra một chứng bệnh phổ biến gọi là đục nhãn mắt. Đục nhãn mắt là nguyên

nhân gây mù lòa hàng đầu trên thế giới, và là nguyên nhân quan trọng của sự suy giảm

thị lực ở nước Mĩ. Sự phát triển của bệnh đục nhãn mắt ở người trưởng thành liên quan

tới sự lão hóa bình thường, sự phơi sáng trước ánh sáng Mặt Trời, hút thuốc, thức ăn

nghèo dinh dưỡng, chấn thương mắt, các chứng bệnh như tiểu đường, tăng nhãn áp, và

tác dụng phụ phiền toái do sử dụng một số dược phẩm, như steroid. Trong giai đoạn

đầu, người bị đục nhãn mắt sẽ nhận thấy thế giới mờ đi hoặc không sắc nét nữa. Sự

nhìn rõ bị cản trở do sự suy giảm lượng ánh sáng đi tới võng mạc và sự kéo mây của

hình ảnh (do sự nhiễu xạ và tán xạ ánh sáng) cứ như thể là người đó nhìn thế giới qua

một màn sương mù (xem hình 3). Để chữa bệnh đục nhãn mắt, người ta phẫu thuật cắt

bỏ phần thủy tinh thể mờ đục, và thay thế bằng một thủy tinh thể plastic.

123

Hình 3. Bệnh đục nhãn mắt

Chức năng của võng mạc giống như sự kết hợp của một bộ cảm biến ảnh kĩ

thuật số (như dụng cụ tích điện kép CCD) với một bộ chuyển đổi tương tự sang số,

như có mặt trong các hệ camera kĩ thuật số hiện đại. Cơ quan thụ cảm bắt lấy ảnh của

mắt, gọi là các tế bào hình nón và hình que, liên kết với các bó sợi dây thần kinh thị

giác qua một loạt tế bào chuyên biệt phối hợp truyền tín hiệu lên não. Lượng ánh sáng

được phép đi vào mỗi mắt được điều chỉnh bởi mống mắt, một màng chắn tròn mở

rộng ở mức ánh sáng thấp và đóng lại nhằm bảo vệ con ngươi (lỗ) và võng mực ở mức

rọi sáng rất cao.

Khi nguồn sáng thay đổi, đường kính của con ngươi (nằm phía trước thủy tinh

thể) tự điều chỉnh kích thước giữa 2 đến 8mm, điều chỉnh lượng ánh sáng đi tới võng

mạc. Khi nguồn chiếu sáng rất chói, con ngươi thu hẹp lại và các phần ngoài của các

thành phần khúc xạ bị chặn khỏi đường đi tia sáng. Kết quả là các tia sáng tạo ảnh bị

quang sai ít hơn và ảnh trên võng mạc trở nên sắc nét hơn. Con ngươi rất hẹp (khoảng

2mm) tạo ra sự nhiễu xạ làm trải rộng ảnh của một nguồn điểm lên trên võng mạc.

Trong não, các sợi dây thần kinh thị giác từ mỗi mắt cắt nhau một tại nơi giao

thoa quang, nơi đó thông tin thị giác từ cả hai phần võng mạc truyền song song tương

quan nhau, giống như vai trò của máy phát đồng bộ thời gian dùng trong máy ghi

video kĩ thuật số. Từ đó, thông tin thị giác truyền qua ống quang đến bộ phận cong gập

hình đầu gối, ở đó tín hiệu được phân bố qua bức xạ quang tới hai phẩn vỏ não thị giác

nằm trên phần phía sau, ở dưới của mỗi bán cầu não. Trong lớp vỏ não ở dưới, thông

tin từ mỗi mắt được duy trì dưới dạng cột vạch trội thị giác. Khi tín hiệu thị giác được

truyền tới lớp trên của vỏ não, thông tin từ hai mắt hợp nhất với nhau và sự nhìn hai

mắt được thiết lập. Trong những trường hợp mắt không bình thường, như mắt xiên,

mắt lác, sự nhìn ảnh nổi bị phá vỡ. Trong trường hợp phẫu thuật mắt không đảm bảo,

thì thấu kính gắn trên kính đeo mắt có thể chữa được một số tật thuộc loại này. Nguyên

nhân gây ra sự gián đoạn đối với sự hợp nhất tín hiệu từ hai mắt có thể do chấn

thương, do bệnh cơ thần kinh, hoặc do khuyết tật bẩm sinh.

124

Hình 4. Sự phân bố tế bào hình que và hình nón trên võng mạc

Hố mắt giữa nằm trong khu vực gần chính giữa võng mạc, và nằm thẳng dọc

theo trục chính của mỗi mắt. Cũng gọi là “điểm vàng”, hố mắt nhỏ (dưới 1mm2),

nhưng rất chuyên biệt. Những vùng này chứa các tế bào hình nón chi chít, mật độ cao

(trên 200.000 tế bào hình nón/mm2 đối với mắt người trưởng thành, xem hình 4). Hố

mắt giữa là khu vực nhìn sắc nét nhất, và tạo ra độ phân giải không gian, độ tương

phản và màu sắc rõ nhất. Mỗi mắt có chừng bảy triệu tế bào hình nón, chúng rất mỏng

(đường kính 3m) và thon dài. Mật độ tế bào hình nón giảm ở bên ngoài hố mắt do tỉ

lệ tế bào hình que so với tế bào hình nón tăng dần lên (hình 4). Tại vùng rìa của võng

mạc, tổng số cả hai loại cơ quan thụ cảm thị giác này đều giảm về cơ bản, gây ra sự

mất mát sâu sắc độ nhạy thị giác tại rìa ngoài của võng mạc. Điều này có thể bù lại bởi

thực tế thì người ta nhìn liên tục các vật trong tầm nhìn (do cử động mắt nhanh tự

nhiên), nên ảnh nhận được có độ nét đồng đều. Trong thực tế, khi ảnh bị ngăn cản

không cho chuyển động tương đối so với võng mạc (thông qua một quang cụ nào đó),

thì mắt không còn cảm nhận được cảnh sau một vài giây.

Sự sắp xếp của các cơ quan cảm giảc trong các phần bên ngoài của võng mạc

một phần xác định giới hạn độ phân giải trong những vùng khác nhau của mắt. Để

phân giải ảnh, một hàng cơ quan thụ quang ít bị kích thích phải nằm giữa hai hàng cơ

quan thụ quang bị kích thích cao. Nếu không thì không thể phân biệt được sự kích

thích xuất phát từ hai ảnh nằm rất gần nhau hay từ một ảnh nối đến hai hàng cơ quan

thụ cảm. Với khoảng cách tâm-nối-tâm biến thiên từ 1,5 đến 2 m đối với các tế bào

hình nón trong hố mắt giữa, kích thích quang có độ phân tách chừng 3 đến 4 m sẽ tạo

ra một bộ phân giải cường độ trên võng mạc. Lấy ví dụ tham khảo, bán kính của cực

tiểu thứ nhất đối với hình ảnh nhiễu xạ hình thành trên võng mạc khoảng chừng 4,6

m đối với ánh sáng 550nm và đường kính con ngươi 2mm. Như vậy, sự sắp xếp của

các thành phần cảm giác trong võng mạc sẽ xác định độ phân giải giới hạn của mắt.

Một nhân tố khác, gọi là độ sắc nét thị giác (khả năng của mắt nhận ra những vật nhỏ

và phân giải độ phân tách của chúng), thay đổi theo nhiều thông số, bao gồm định

nghĩa của thuật ngữ và phương pháp người ta đo độ sắc nét. Trên võng mạc, độ sắc nét

thị giác nói chung cao nhất ở hố mắt giữa, hố này mở rộng ra tầm nhìn chừng 1,4 độ.

Sự sắp xếp không gian của các tế bào hình que và hình nón cũng với sự liên kết

của chúng với các dây thần kinh trong võng mạc được biểu diễn trong hình 5. Các tế

bào hình que, chỉ chứa sắc tố vàng, có độ nhạy cực đại với ánh sáng xanh dương-xanh

lá (bước sóng khoảng 500nm), mặc dù chúng biểu hiện sự phản ứng rộng đối với toàn

125

phổ khả kiến. Chúng là những tế bào thụ cảm thị giác chủ yếu nhất, với mỗi mắt chứa

khoảng 125-130 triệu tế bào hình que. Độ nhạy sáng của tế bào hình que gấp 1000 lần

so với tế bào hình nón. Tuy nhiên, ảnh phát sinh chỉ bởi sự kích thích tế bào hình que

thì tương đối không sắc nét và có bóng xám phía ngoài, giống như ảnh chụp đen trắng.

Sự nhìn hình que thường được gọi là sự nhìn tối do trong điều kiện ánh sáng yếu, hình

dạng và độ sáng của vật có thể phân biệt được, nhưng màu của chúng thì không. Cơ

chế thích nghi tối này cho phép nhận dạng ra con mồi và động vật ăn thịt thông qua

hình dáng và chuyển động ở nhiều loài động vật có xương sống.

Hệ thị giác của con người phản ứng theo hàm mũ, chứ không tuyến tính, cho

khả năng nhận một phạm vi độ sáng khó tin đến trên 10 bậc. Trong ánh sáng ban ngày,

người ta có thể nhận dạng các vật dưới ánh sáng chói chang từ Mặt Trời, còn vào ban

đêm, những vật lớn có thể được nhận ra bởi ánh sáng sao khi Mặt Trăng tối đen. Ở độ

nhạy ngưỡng, mắt người có thể phát hiện sự có mặt của khoảng 100-150 photon ánh

sáng xanh dương-xanh lá (500nm) đi vào con ngươi. Đối với bảy bậc độ sáng trên, sự

nhìn sáng chiếm ưu thế, và sự cảm quang chủ yếu do các tế bào hình nón trên võng

mạc mang lại. Trái lại, đối với bốn bậc độ sáng thấp, được gọi là sự nhìn tối, thì các tế

bào hình que đóng vai trò chính.

Hình 5. Cấu trúc hiển vi của võng mạc

Sự thích nghi của mắt cho phép sự nhìn thực hiện chức năng dưới những điều

kiện độ sáng cực đoan như thế. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian trước khi sự thích

nghi xảy ra, mỗi người có thể cảm nhận một phạm vi độ sáng chỉ trong khoảng ba bậc.

Một vài cơ chế là nguyên nhân làm cho mắt thích nghi với những mức độ sáng cao. Sự

thích nghi có thể xảy ra trong vài giây (bằng phản ứng con ngươi lúc đầu) hoặc có thể

mất vài phút (đối với sự nhìn tối), tùy thuộc vào mức thay đổi độ sáng. Độ nhạy của tế

bào hoàn toàn hình nón đạt chừng 5 phút, trong khi đó phải mất khoảng 30 phút để

thích nghi từ sự nhạy sáng vừa phải sang sự nhạy tối hoàn toàn bởi các tế bào hình

que.

Khi hoàn toàn thích nghi với ánh sáng, mắt người có phản ứng bước sóng từ

khoảng 400 đến 700nm, với độ nhạy cực đại ở 555nm (trong vùng xanh lá cây của phổ

ánh sáng khả kiến). Mắt thích nghi tối phản ứng với phổ bước sóng thấp hơn, từ 380

đến 650nm, với cực đại tại 507nm. Đối với cả sự nhìn sáng lẫn nhìn tối, những bước

sóng này là không tuyệt đối, mà thay đổi theo cường độ ánh sáng. Sự truyền ánh sáng

qua mắt trở nên thấp hơn dần ở những bước sóng ngắn. Trong vùng xanh dương-xanh

lá (500nm), chỉ khoảng 50% ánh sáng đi vào mắt tới được điểm ảnh trên võng mạc. Ở

126

400nm, giá trị giảm xuống còn vừa đúng 10%, kể cả mắt người trẻ tuổi. Sự tán xạ và

hấp thụ ánh sáng bởi các thành phần trong thủy tinh thể góp phần làm giảm thêm độ

nhạy ở màu xanh dương nhạt.

Các tế bào hình nón gồm có ba loại, mỗi loại “điều khiển” một phản ứng bước

sóng riêng có cực đại tập trung tại 430, 535, hoặc 590nm. Cơ sở cho từng cực đại là

việc sử dụng ba sắc tố quang khác nhau, mỗi sắc tố có một phổ hấp thụ ánh sáng khả

kiến đặc trưng. Các sắc tố thay đổi thể cấu tạo của chúng khi một photon được phát

hiện, cho phép chúng phản ứng với transducin khởi động một đợt sự kiện thị giác.

Transducin là một loại protein có mặt trong võng mạc và có khả năng chuyển hóa hiệu

quả năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện. Số lượng tế bào hình nón nhỏ hơn nhiều

so với tế bào hình que, với mỗi mắt chứa từ 5 tới 7 triệu cơ quan thụ cảm màu sắc

thuộc loại này. Sự nhìn màu sắc thực do sự kích thích của các tế bào hình nón mang

lại. Cường độ tương đối và sự phân bố bước sóng ánh sáng đi tới mỗi một trong ba loại

cơ quan thụ cảm hình nón xác định màu sắc nhìn được, theo kiểu tương tự như màn

hình video RGB cộng màu hoặc camera màu CCD.

Một chùm sáng chứa chủ yếu là bức xạ xanh dương bước sóng ngắn làm kích

thích các tế bào hình nón phản ứng với ánh sáng 430nm ở quy mô lớn hơn nhiều so với

hai loại tế bào hình nón kia. Chùm này sẽ kích hoạt sắc tố màu xanh dương trong

những tế bào hình nón nhất định, và ánh sáng đó nhận được là màu xanh dương. Ánh

sáng có đa số bước sóng tập trung ở khoảng 550nm được nhìn là màu xanh lá cây, và

chùm tia chứa hầu hết là bước sóng 600nm hoặc dài hơn được trông có màu đỏ. Như

đã nói ở phần trên, sự nhìn thuần túy bằng tế bào hình nón được gọi là sự nhìn sáng, và

nó chiếm ưu thế ở các mức sáng bình thường, cả trong nhà và ngoài phố. Đa số động

vật có vú là loài nhị sắc, thường có thể chỉ phân biệt được giữa các thành phần màu hơi

lam và hơi lục. Trái lại, một số động vật bậc cao (đáng chú ý nhất là con người) biểu

hiện sự nhìn màu tam sắc, phản ứng đáng kể với các kích thích sáng đỏ, lục, và lam.

Minh họa trong hình 6 là phổ hấp thụ của bốn sắc tố thị giác của con người,

biểu hiện cực đại trong vùng đỏ, lục, và lam của phổ ánh sáng khả kiến như mong đợi.

Khi cả ba loại tế bào hình nón được kích thích như nhau, thì ánh sáng nhận được sẽ

không có màu, hoặc màu trắng. Ví dụ, ánh sáng Mặt Trời lúc giữa trưa có vẻ là ánh

sáng trắng đối với con người, do nó chứa các lượng ánh sáng đỏ, lục, và lam hầu như

bằng nhau. Một bằng chứng khác cho phổ màu sắc từ ánh sáng Mặt Trời là sự chặn

ánh sáng bằng một lăng kính thủy tinh, nó làm khúc xạ (hoặc bẻ cong) các bước sóng

khác nhau ở mức độ khác nhau, làm trải ánh sáng thành các màu thành phần của nó.

Sự cảm nhận màu sắc của con người phụ thuộc vào tương tác của tất cả các tế bào thụ

cảm với ánh sáng, và sự kết hợp này mang lại sự kích thích gần như tam sắc. Có sự

lệch độ nhạy màu sắc theo sự thay đổi mức độ sáng, nên màu xanh trông tương đối

sáng hơn trong ánh sáng lờ mờ và màu đỏ trông sáng hơn trong ánh sáng chói chang.

Hiệu ứng này có thể quan sát bằng cách trỏ một ngọn đèn flash vào một bản in màu, sẽ

thấy ngay là màu đỏ trông sáng hơn nhiều và đậm hơn.

Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến độ nhạy màu sắc thị giác của con

người đã dẫn đến những thay đổi trong thực tế lâu nay của việc sơn các xe tình trạng

khẩn cấp, như xe chữa cháy và xe cấp cứu, toàn là màu đỏ. Mặc dù màu này dành cho

các xe dễ nhìn thấy và tránh né, nhưng sự phân bố bước sóng không dễ nhìn thấy ở

mức ánh sáng yếu và gần như trông tối đen vào ban đêm. Mắt người nhạy hơn nhiều

127

với màu vàng-lục hoặc các màu tương tự, đặc biệt vào ban đêm, và ngày nay đa số các

xe tình trạng khẩn cấp ít nhất phải có một phần sơn màu xanh hơi vàng sặc sỡ hoặc

màu trắng, thường vẫn giữ lại một số chỗ nổi bật nhất sơn màu đỏ theo sở thích truyền

thống.

Hình 6. Phổ hấp thụ của các sắc tố thị giác của con người

Khi chỉ có một hoặc hai loại tế bào hình nón được kích thích, thì ngưỡng màu

sắc nhận được có giới hạn. Ví dụ, nếu một dải hẹp ánh sáng lục (540-550nm) được

dùng để kích thích tất cả các tế bào hình nón, thì chỉ có một loại chứa sắc tố lục sẽ

phản ứng lại, tạo ra cảm giác nhìn thấy màu lục. Sự cảm nhận của thị giác con nó với

các màu trừ chủ yếu, ví dụ như màu vàng, có thể tăng theo một hoặc hai cách. Nếu tế

bào hình nón đỏ và lục được kích thích đồng thời với ánh sáng đơn sắc vàng có bước

sóng 580nm, thì mỗi cơ quan thụ cảm tế bào hình nón phản ứng lại hầu như bằng nhau

do sự chồng lần phổ hấp thụ của chúng xấp xỉ như nhau trong vùng này của phổ ánh

sáng khả kiến. Cảm giác màu tương tự có thể thu được bằng cách kích thích các tế bào

hình nón đỏ và lục riêng rẽ với hỗn hợp bước sóng đỏ và lục riêng biệt chọn lọc từ các

vùng phổ hấp thụ của cơ quan thụ cảm không có sự chồng lấn đáng kể. Kết quả, trong

cả hai trường hợp, là sự kích thích đồng thời của các tế bào hình nón đỏ và lục tạo ra

cảm giác màu vàng, mặc dù kết quả cuối cùng thu được bằng hai cơ chế khác nhau.

Khả năng nhận được các màu sắc khác đòi hỏi phải kích thích một, hai, hoặc cả ba loại

tế bào hình nón, đến mức độ khác nhau, với bảng màu bước sóng thích hợp.

Mặc dù hệ thị giác của con người có ba loại tế bào hình nón với các sắc tố màu

tương ứng của chúng, cộng với các tế bào hình que cảm thụ ánh sáng cho sự nhìn tối,

nhưng não người bù đắp cho những biến đổi bước sóng ánh sáng và nguồn sáng trong

sự cảm nhận màu sắc của nó. Đồng phân dị vị là các cặp phổ ánh sáng khác nhau được

não người nhận ra dưới dạng cùng một màu. Thật thú vị, các màu có thể nhận thức là

như nhau hoặc tương đương bởi con người đôi khi lại được phân biệt rõ ràng bởi

những động vật khác, đáng chú ý nhất là chim chóc.

Các neuron trung gian chuyên chở thông tin thị giác giữa võng mạc và não

không hề liên kết đơn giản một-nối-một với các tế bào cảm giác. Mỗi tế bào hình nón

và hình que trong hố mắt gởi tín hiệu đến ít nhất là ba tế bào tam cực, trong khi ở

những vùng ngoại vi hơn của võng mạc, tín hiệu từ một số lượng lớn tế bào hình que

cùng đổ về một tế bào hạch trung tâm. Độ phân giải không gian ở những phần ngoài

của võng mạc bị tổn hại bởi có một số lượng lớn tế bào hình que nối với một rãnh,

128

nhưng có nhiều tế bào cảm giác tham gia vào việc bắt lấy tín hiệu yếu làm cải thiện

đáng kể độ nhạy ngưỡng của mắt. Đặc điểm này của mắt người tương tự như sự hoạt

động của hệ camera kĩ thuật số CCD quét chậm.

Các tế bào cảm giác, tam cực, và các tế bào hạch trung tâm của võng mạc cũng

liên kết với các neuron khác, tạo nên một mạng đường dẫn ngăn chặn và kích thích

phức tạp. Kết quả là tín hiệu từ 5 đến 7 triệu tế bào hình nón và 125 triệu tế bào hình

que trong võng mạc người được xử lí và chuyên chở đến phẩn vỏ não thị giác bằng chỉ

khoảng 1 triệu sợi thần kinh thị giác. Cơ mắt được kích thích và điều khiển bởi tế bào

hạch trung tâm trong phần cong gập hình đầu gối, đóng vai trò như bộ điều khiển phản

hồi giữa võng mạc và vỏ não thị giác.

Mạng đường dẫn kích thích và ngăn cản phức tạp ở võng mạc sắp xếp trong ba

lớp tế bào thần kinh phát sinh từ một vùng đặc biệt của não trong sự phát triển thời kì

đầu. Các mạch điện và vòng phản hồi này mang lại sự kết hợp các hiệu ứng tạo ra sự

sắc nét cạnh, tăng cường độ tương phản, lấy tổng không gian, tính trung bình nhiễu, và

các dạng khác của việc xử lí tín hiệu, có lẽ bao gồm cả một số dạng đến nay chưa

khám phá ra. Trong sự nhìn của con người, một mức độ đáng kể của việc xử lí ảnh xảy

ra trong não, nhưng chính võng mạc cũng có liên quan ở quy mô rộng của nhiệm vụ xử

lí.

Một khía cạnh khác của sự nhìn của con người được gọi là bất biến màu, giá trị

màu của một vật không thay đổi trên một phạm vi chiếu sáng rộng. Năm 1672, Isaac

Newton chứng minh được bất biến màu ở cảm giác thị giác của con người và mang lại

manh mối cho lí thuyết cổ điển về sự cảm nhận màu sắc và hệ thần kinh. Edwin

H.Land, nhà sáng lập tập đoàn Polaroid, đã đề xuất lí thuyết Retinex của sự nhìn màu,

dựa trên những quan sát của ông về bất biến màu. Khi một màu (hoặc một giá trị xám

xịt) được quan sát dưới một ngọn đèn tương xứng, thì mảng màu sẽ không thay đổi

màu sắc của nó ngay cả khi độ chói của quang cảnh thay đổi. Trong trường hợp này,

gradient của nguồn chiếu sáng quang cảnh không làm thay đổi màu nhận được hoặc

sắc thái xám xịt của màng quan sát. Nếu mức độ rọi sáng đạt đến ngưỡng đối với sự

nhìn tối, thì cảm giác màu sẽ tan biến. Trong thuật toán của Land, giá trị sáng của các

khu vực màu được tính toán, và năng lượng tại một khu vực đặc biệt trong quang cảnh

được đem so sánh với tất cả các khu vực khác trong quang cảnh đối với dải sóng đó.

Tính toán được thực hiện ba lần, một cho mỗi dải sóng (sóng dài, sóng ngắn, và sóng

trung), và bộ ba giá trị sáng thu được xác định một vị trí đối với khu vực đó trong

không gian màu ba chiều được định nghĩa bởi lí thuyết Retinex.

Thuật ngữ mù màu là một từ không chính xác, thường được sử dụng trong trò

chuyện hàng ngày, để ám chỉ bất cứ sự khó khăn nào trong việc phân biệt giữa các

màu. Sự mù màu thật sự, hay không có khả năng nhìn thấy bất cứ màu nào, thì cực kì

hiếm, mặc dù có đến 8% nam giới và 0,5% phụ nữ sinh ra có một số dị tật về sự nhìn

màu (xem bảng 1). Sự khiếm khuyết di truyền ở sự nhìn màu thường là kết quả của

những khuyết tật ở các tế bào thụ quang trong võng mạc, một màng thần kinh đóng vai

trò màn ảnh nằm ở phía sau của mắt. Các khuyết tật về sự nhìn màu cũng có thể do

bệnh tật, do tác dụng phụ của việc dùng một số loại dược phẩm nhất định, hoặc do quá

trình lão hóa tự nhiên, và những khiếm khuyết này có lẽ ảnh hưởng đến các bộ phận

của mắt chứ không phải các tế bào thụ quang.

129

Hình 7. Phép kiểm tra sự mù màu Ishihara

Các tế bào hình nón bình thường và độ nhạy sắc tố cho phép một người phân

biệt tất cả các màu khác nhau cũng như các hỗn hợp màu tinh vi. Loại nhìn màu bình

thường này được gọi là tam sắc và dựa trên sự tương tác qua lại từ ngưỡng độ nhạy

chồng lấn của ba loại tế bào hình nón thụ quang. Một tật nhìn màu nhẹ xảy ra khi sắc

tố thuộc một trong ba loại tế bào hình nón bị mất, và độ nhạy cực đại của nó bị lệch

sang bước sóng khác, tạo ra một sự khiếm khuyết thị giác gọi là tam sắc dị thường,

một trong ba loại tật nhìn màu phổ biến. Nhị sắc, một dạng mù màu nặng hơn, xảy ra

khi một trong các sắc tố bị nhầm một cách nghiêm trọng trong đặc trưng hấp thụ của

nó, hoặc khi một sắc tố nhất định không được tạo ra. Sự thiếu hoàn toàn cảm giảc màu,

hay tật đơn sắc, cực kì hiếm, còn những người bị mù màu toàn phần chỉ nhìn thấy sự

thay đổi mức độ sáng, và thế giới trước mắt có màu đen, trắng và bóng xám. Tật này

chỉ xảy ra với những cá nhân thừa hưởng một gen rối loạn từ cả bố lẫn mẹ.

Người bị tật nhị sắc có thể phân biệt một số màu, và do đó ít bị ảnh hưởng đến

cuộc sống hàng ngày hơn so với người bị tật đơn sắc, nhưng họ luôn luôn lo lắng rằng

họ có vấn đề với sự nhìn màu của mình. Tật nhị sắc chia nhỏ thành ba loại: mù màu

đỏ, mù màu lục, và mù màu lam (xem hình 7). Xấp xỉ 2% nam giới trên thế giới thừa

hưởng một trong hai loại đầu, còn loại thứ ba hiếm thấy hơn nhiều.

Mù màu đỏ là chứng thiếu màu đỏ-lục, nguyên nhân do mất cảm giác màu đỏ,

gây ra sự thiếu phân biệt có thể nhận thấy được giữa màu đỏ, cam, vàng, và lục. Ngoài

ra, độ sáng của các màu đỏ, cam, và vàng giảm đột ngột so với mức bình thường. Hiệu

ứng cường độ suy giảm có thể làm cho đèn tín hiệu giao thông màu đỏ trông tối đen

(không có ánh sáng), và màu đỏ (nói chung) trông đen nghịt hoặc xám đen. Người bị

mù màu đỏ thường học cách phân biệt chính xác giữa màu đỏ và màu lục, và màu đỏ

từ màu vàng, chủ yếu dựa trên độ sáng biểu kiến của chúng, chứ không dựa trên bất kì

sự khác biệt màu sắc có thể nhận thức được nào. Màu lục nói chung thường trông sáng

hơn màu đỏ đối với những người này. Vì ánh sáng đỏ xuất hiện ở một đầu của phổ khả

kiến, nên có một chút chồng lấn trong độ nhạy với hai loại tế bào hình nón kia, và

người mù màu đỏ bị mất cảm giác rõ rệt với ánh sáng ở phía bước sóng dài (màu đỏ)

của quang phổ. Những người có khiếm khuyết về sự nhìn màu này có thể phân biệt

giữa màu lam và màu vàng, nhưng nhạt hơn, màu tím, và màu tía không thể phân biệt

từ các bóng khác nhau màu lam, do sự suy giảm thành phần đỏ trong những màu này.

130

Những người bị mù màu lục, chứng thiếu cảm giác màu lục, có nhiều vấn đề về

phân biệt màu sắc tương tự như người mù màu đỏ, nhưng có mức độ nhạy khá bình

thường trong phổ khả kiến. Do vị trí của ánh sáng lục nằm ở giữa của phổ ánh sáng

khả kiến, và đường cong độ nhạy chồng lấn của các cơ quan thụ cảm hình nón, nên có

một số phản ứng của các cơ quan thụ quang đỏ và lam với các bước sóng lục. Mặc dù

mù màu lục có liên quan với ít nhất là một phản ứng độ sáng với ánh sáng lục (và ít

suy giảm cường độ dị thường), nhưng những cái tên đỏ, cam, vàng, và lục đối với

người mù màu lục dường như là quá nhiều thuật ngữ cho những màu trông y hệt nhau.

Tương tự, các màu lam, tím, tía, và những màu nhạt hơn cũng không thể phân biệt

được với những người mắc chứng mù màu này.

Bảng 1. Tỉ lệ mắc phải chứng mù màu và nguyên nhân

Phân loại Nguyên nhân Tỉ lệ mắc (%)

Tam sắc dị thường 6.0

Mù màu đỏ Sắc tố cảm biến màu đỏ bất thường 1.0

Mù màu lục Sắc tố cảm biến màu lục bất thường 5.0

Mù màu lam Sắc tố cảm biến màu lam bất thường 0.0001

Nhị sắc 2.1

Mù màu đỏ Thiếu sắc tố cảm biến màu đỏ 1.0

Mù màu lục Thiếu sắc tố cảm biến màu lục 1.1

Mù màu lam Thiếu sắc tố cảm biến màu lam 0.001

Đơn sắc que Không có tế bào hình nón chức năng < 0.0001

Mù màu lam là sự thiếu cảm giác màu lam, và tạo ra sự thiếu màu lam-vàng

trong sự nhìn màu. Những người bị khuyết tật này không thể phân biệt màu lam và

màu vàng, nhưng thật sự có thể ghi nhận sự khác biệt giữa màu đỏ và màu lục. Chứng

này khá hiếm, và xảy ra ngang ngửa ở cả hai giới. Những người mù màu lam thường

không có nhiều khó khăn trong việc thực hiện những công việc hàng ngày như những

người mắc chứng nhị sắc đỏ-lục. Vì các bước sóng lam chỉ xuất hiện ở một đầu của

quang phổ, và có một chút sự chồng lấn độ nhạy với hai loại tế bào hình nón kia, nên

toàn bộ sự mất cảm giác trong vùng phổ đó có thể khá gay gắt đối với kiểu tật này.

Khi có một sự mất cảm giác màu do một tế bào thụ cảm hình nón, nhưng các tế

bào hình nón vẫn hoạt động, thì sự khiếm khuyết màu sắc nhìn được xem là tam sắc

bất thường, và chúng được phân loại tương tự như loại nhị sắc. Sự lộn xộn thường tăng

thêm do các chứng tật này lại được đặt tên tương tự, nhưng có thêm hậu tố dị thường.

Như vậy, sự mù màu đỏ dị thường và mù màu lục dị thường mang lại các vấn đề ghi

nhận màu sắc tương tự như chứng nhị sắc đỏ-lục, mặc dù không rõ rệt lắm. Mù màu đỏ

dị thường được xem là sự nhìn màu “yếu màu đỏ”, với màu đỏ (hoặc bất kì màu nào có

thành phần đỏ) trông nhạt hơn bình thường, và màu sắc lệch về phía màu lục. Người bị

mù màu lục biểu hiện “sự yếu màu lục”, và có những khó khăn tương tự trong việc

phân biệt giữa những dao động nhỏ trong màu sắc rơi vào vùng đỏ, cam, vàng, và lục

của phổ khả kiến. Điều này xảy ra do màu sắc trông có vẻ lệch về phía đỏ. Trái lại,

những người mù màu lục không bị mất độ sáng như người mù màu đỏ. Nhiều người có

các biến thể tam sắc dị thường này có chút ít khó khăn trong việc thực hiện công việc

đòi hỏi sự nhìn màu bình thường, và một số thậm chí còn không nhận thức được là sự

nhìn màu của họ bị suy yếu. Mù màu lam dị thường, hay sự yếu màu lam, không được

131

xem là một khiếm khuyết di truyền. Trong một số trường hợp sự khiếm khuyết đó

được ghi nhận, người ta cho rằng nó là do tự có chứ không phải di truyền. Một số bệnh

về mắt (như bệnh tăng nhãn áp, tấn công các tế bào hình nón lam) có thể gây ra chứng

mù màu lam. Sự mất tế bào hình nón màu lam vùng ngoại biên là phổ biến nhất trong

số các bệnh này.

Không kể các hạn chế, có một số lợi thế thị giác độc đáo đối với bệnh mù màu,

như tăng khả năng phân biệt các vật ngụy trang. Đường nét, chứ không phải màu sắc,

chịu trách nhiệm ghi nhận hình ảnh, và sự cải thiện tình trạng nhìn đêm có thể do

những khiếm khuyết nhìn màu nhất định. Trong quân sự, những người lính bắn tỉa và

chỉ điểm mù màu có giá trị cao vì những lí do này. Hồi đầu những năm 1900, trong

một nỗ lực nhằm đánh giá sự nhìn màu bất thường của con người, kính nhìn Nagel đã

được phát triển. Sử dụng thiết bị này, người quan sát điều chỉnh các nút điều khiển để

canh chỉnh hai trường màu cho màu sắc và độ sáng. Một phương pháp đánh giá khác,

phép kiểm tra đĩa Ishihara cho chứng mù màu, đặt theo tên tiến sĩ Shinobu Ishihara,

phân biệt giữa sự nhìn màu sắc bình thường và chứng mù màu đỏ-lục (xem hình 7).

Một phép kiểm tra đưa ra cho sự nhìn màu bình thường có thể phát hiện sự khác biệt

màu sắc giữa hình và nền. Với nhà quan sát bị khiếm khuyết màu đỏ-lục, các đĩa trông

cùng một màu, không có sự phân biệt giữa hình và hoa văn nền.

Là một phần tự nhiên của quá trình lão hóa, mắt người bắt đầu nhận màu sắc

khác đi trong những năm về sau, nhưng không trở nên “mù màu” như ý nghĩa thật sự

của thuật ngữ. Sự lão hóa làm vàng và tối thủy tinh thể cùng giác mạc, hiệu ứng thoái

hóa cũng đi cùng với sự co rút kích thước con ngươi. Với sự vàng hóa, các bước sóng

ngắn của ánh sáng khả kiến bị hấp thụ, nên màu lam trông tối đi. Hệ quả là những

người già thường gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa các màu sắc khác biệt cơ bản

ở thành phần lam của chúng, như màu lam và xám, hoặc màu đỏ và tía. Ở tuổi 60, khi

so với năng lực nhìn ở tuổi 20, chỉ có 33% ánh sáng tới trên giác mạc đi tới các tế bào

thụ quang trong võng mạc. Giá trị này giảm xuống còn khoảng 12,5% khi tuổi giữa 70.

Sự điều tiết của mắt là hoạt động sinh lí điều chỉnh thành phần thủy tinh thể

nhằm làm thay đổi hệ số khúc xạ và mang các vật ở gần mắt vào điểm hội tụ sắc nét.

Các tia sáng ban đầu bị khúc xạ tại bề mặt giác mạc sẽ bị hội tụ thêm sau khi đi qua

thủy tinh thể. Trong sự điều tiết, sự co cơ tròn làm thư giãn sức căng trên thủy tinh thể,

mang lại sự thay đổi hình dạng của mô trong suốt và mềm dẻo đó, đồng thời cũng hơi

đưa nó ra trước. Kết quả dây chuyền của sự biến đổi thủy tinh thể là điều chỉnh tiêu cự

của mắt để mang ảnh chính xác vào tiêu điểm trên lớp tế bào nhạy sáng có trên võng

mạc. Sự điều tiết cũng làm giãn sức căng tác dụng lên thủy tinh thể bởi các sợi zoule,

và cho phép mặt trước của thủy tinh thể tăng độ cong của nó. Mức độ tăng khúc xạ,

cùng với sự hơi lệch vị trí của thủy tinh thể, mang vật ở gần mắt vào tiêu điểm.

Tiêu điểm trong mắt được điều khiển bởi sự kết hợp của các thành phần gồm

mống mắt, thủy tinh thể, giác mạc, và mô cơ, có thể làm thay đổi hình dạng của thủy

tinh thể sao cho mắt có thể hội tụ cả những vật ở gần lẫn ở xa. Tuy nhiên, trong một số

trường hợp, các cơ này không hoạt động thích đáng hoặc mắt hơi bị biến đổi hình

dạng, và tiêu điểm không cắt qua võng mạc (một trạng thái thường gọi là sự nhìn hội

tụ). Khi già, thủy tinh thể trở nên cứng hơn và không thể làm hội tụ một cách chính

xác, dẫn đến sự nhìn nghèo nàn. Nếu điểm hội tụ rơi vào phía trước võng mạc, trạng

thái được gọi là cận thị, và những người có tật này không thể hội tụ các vật ở xa. Trong

132

trường hợp mà tiêu điểm nằm phía sau võng mạc, mắt sẽ gặp rắc rối khi hội tụ những

vật ở gần, tạo ra một trạng thái gọi là viễn thị. Những tật này của mắt luôn có thể chữa

bằng cách đeo kính (hình 8), dùng một thấu kính lõm để chữa cận thị và một thấu kính

lồi để chữa viễn thị.

Hình 8. Sự điều tiết của mắt người

Sự nhìn hội tụ không phải hoàn toàn do sinh lí và có thể ảnh hưởng bằng cách

tập luyện, nếu như mắt không bị dị tật. Những bài tập lặp đi lặp lại có thể được sử

dụng để phát triển sự nhìn hội tụ mạnh. Các vận động viên, ví dụ vận động viên bóng

rỗ, có sự nhìn hội tụ tốt. Tại mỗi thời điểm, hai mắt phải phối hợp với nhau để duy trì

sự nhìn hai mắt, với hệ thống cơ thần kinh phản ứng nhanh và chính xác thường không

biết mệt mỏi, điều khiển tính linh động và sự phối hợp của chúng. Những thay đổi độ

tụ của mắt hoặc chuyển động của đầu được xem xét trong những tính toán thực hiện

bởi hệ thị giác phức tạp nhằm tạo ra thông tin thần kình thích hợp cho cơ mắt. Một

chuyển động 10 độ của mắt có thể hoàn thành trong khoảng 40 mili giây, với những

tính toán xảy ra nhanh hơn mắt có thể đạt tới mục tiêu dự định của nó. Chuyển động

nhỏ của mắt được gọi là giật mắt, và chuyển động lớn hơn từ điểm này đến điểm khác

được gọi là xoay mắt.

Hệ thị giác của con người không phải chỉ phát hiện ánh sáng và màu sắc, mà

như trong quang hệ, nó phải có thể phân biệt rõ giữa các vật, hoặc một vật và phông

nền của nó. Được gọi là độ tương phản sinh lí, hoặc sự nhận thức độ tương phản, mối

quan hệ giữa độ sáng khả kiến của hai vật nhìn tại cùng một thời điểm (tương phản

đồng thời) hoặc nhìn liên tiếp (tương phản liên tiếp) so với nền, có thể, hoặc không thể

giống nhau. Với hệ thị giác của con người, độ tương phản giảm trong môi trường tối

và người ta sẽ chịu sự khiếm khuyết màu sắc giống như người mù màu đỏ-lục. Độ

tương phản phụ thuộc vào sự nhìn hai mắt, độ sắc thị giác, và việc xử lí ảnh bởi vỏ não

thị giác. Một vật có độ tương phản thấp, không thể nào phân biệt được nó với phông

nền trừ khi nó đang chuyển động, được gọi là ngụy trang. Tuy nhiên, những người mù

màu thường có khả năng phát hiện các vật ngụy trang do tăng sự nhìn bởi tế bào hình

que và mất khả năng xử lí các màu sai lạc. Sự tăng độ tương phản có nghĩa là tăng độ

khả kiến, và giá trị định lượng cho sự tương phản thường được biểu diễn bằng phần

trăm hoặc tỉ số. Dưới những điều kiện tốt nhất, mắt trần có thể phát hiện sự có mặt của

2% độ tương phản.

Với sự nhìn của con người, sự tăng biểu kiến độ tương phản nhận được trong

một vùng hẹp trên mỗi mặt ranh giới giữa hai khu vực có độ sáng và/hoặc màu sắc

133

khác nhau. Vào cuối thế kỉ 19, nhà vật lí học người Pháp Michel E. Chevreul đã phát

hiện thấy độ tương phản đồng thời. Là một chức năng đặc biệt của nhận thức thị giác

của con người, phần rìa hay đường biên của vật luôn trông nổi bật, tách vật ra khỏi

phông nền của nó và làm dịu đi sự định hướng không gian. Khi đặt trên một nền sáng

chói, vùng rìa của một vật tối trông nhạt hơn phần còn lại của nền (trong thực tế, độ

tương phản đã tăng lên). Với hiện tượng nhận thức này, màu sắc có độ tương phản

mạnh nhất, màu bù, được tạo ra (bởi não) tại vùng rìa. Vì màu sắc và phần bù của nó

được nhận thức đồng thời, nên thu được kết quả là sự tương phản đồng thời. Khung

viền và các đường ranh giới khác tách rời khu vực tương phản có xu hướng làm giảm

hiệu ứng (hoặc sự chiếu sáng) bằng việc loại trừ sự tương phản ở mép rìa. Nhiều dạng

kính hiển vi quang học, đáng chú ý nhất là kính hiển vi rọi sáng tương phản pha, đã

khai thác đặc điểm này của hệ thị giác con người. Bằng cách làm tăng độ tương phản

vật lí của ảnh mà không phải làm biến đổi vật thông qua nhuộm màu hoặc những kĩ

thuật khác, mẫu vật tương phản pha được bảo vệ khỏi bị phá hủy hoặc chết (trong

trường hợp mẫu vật sống).

Phản ứng tần số không gian của mắt người có thể đánh giá bằng việc xác định

khả năng phát hiện một dãy vạch trong cách tử điều biến sin. Cách tử kiểm tra có các

vùng (vạch) xen kẽ sáng và tối, tăng tuyến tính từ tần số cao đến tần số thấp dọc theo

trục ngang, còn độ tương phản giảm theo hàm mũ từ trên xuống dưới. Ranh giới giữa

các vạch chỉ có thể phân biệt bởi những người có sự nhìn bình thường từ 7 đến 10 chu

kì/độ. Đối với sự nhìn không màu, khi tần số không gian rất thấp (khoảng cách giữa

các vạch rộng), yêu cầu phải có độ tương phản cao mới phát hiện được sự biến đổi

cường độ theo dạng sin. Khi tần số không gian tăng, con người có thể phát hiện những

chu kì có độ tương phản thấp, đạt tới cực đại khoảng 8 chu kì/độ trong trường thị giác.

Bên ngoài điểm đó, một lần nữa phải yêu cầu có độ tương phản cao hơn nữa mới có

thể phát hiện các vạch sin mảnh hơn.

Việc kiểm tra hàm truyền điều tiết của hệ thị giác con người cho thấy độ tương

phản là cần thiết để phát hiện ra sự biến đổi độ chói ở cách tử dạng sin chuẩn hóa khi

tăng lẫn giảm tần số không gian. Về mặt thì mắt xử sự hơi khác với một dụng cụ tạo

ảnh đơn giản (ví dụ như camera phim hoặc bộ cảm biến CCD). Hàm truyền điều biến

của một hệ camera hội tụ, đơn giản đạt cực đại tại tần số không gian bằng không, với

mức độ điều biến giảm xuống 0 tại tần số ngưỡng của camera.

Khi độ chói của quang cảnh dao động tuần hoàn vài lần trong một giây (như

xảy ra với màn hình máy tính và tivi), con người nhận thức được một cảm giác kích

thích, mặc dù các cảnh liên tiếp là tách rời nhau. Khi tần số dao động tăng, sự kích

thích cũng tăng và đạt tới cực đại ở khoảng 10 hertz, nhất là khi lóe sáng xen kẽ với

cảnh tối. Ở những tần số cao hơn, các cảnh không còn xuất hiện rời rạc, và các vật bị

dời chỗ từ cảnh này sang cảnh khác bây giờ được nhận thức là đang chuyển động êm

ái. Thường được gọi là sự rung hình, cảm giác dao động sáng kích thích có thể duy trì

lên đến 50-60 hertz. Ở ngoài một tần số và độ chói nhất định, gọi là tần số rung hình

tới hạn, sự rung màn ảnh không còn được nhận thấy. Đây là nguyên nhân chủ yếu vì

sao mà việc tăng tốc độ làm tươi màn hình máy tính từ 60 lên 85-100 hertz tạo ra sự

hiển thị ổn định, không rung hình.

134

Hình 9. Mắt chip cảm biến thị giác nhân tạo

Những tiến bộ trong công nghệ chế tạo bán dẫn, đặc biệt là kĩ thuật oxit kim

loại bổ chính (CMOS) và CMOS lưỡng cực (BiCMOS) đã đưa tới một thế hệ mới của

các bộ cảm quang mini có phạm vi động học khác lạ và phản ứng nhanh. Gần đây, dãy

chip cảm biến CMOS đã được sắp xếp để mô phỏng hoạt động của võng mạc con

người. Những cái gọi là mắt chip này, bằng cách kết hợp quang học, sự nhìn của con

người, và các bộ vi xử lí, đang phát triển khoa mắt qua lĩnh vực mới quang sinh thái

học. Võng mạc bị hỏng do các chứng bệnh suy nhược thị giác, như viêm màng lưới

võng mạc hoặc thoái hóa, cũng như sự lão hóa và các thương tổn đến võng mạc, cướp

đi sự nhìn, đang được chữa bằng cách cấy mắt chip. Mắt chip silicon chứa khoảng

3500 bộ dò sáng mini gắn trên các điện cực kim loại bắt chước chức năng của các tế

bào hình que và hình nón ở mắt người. Các bộ dò sáng hấp thụ ánh sáng tới khúc xạ

bởi giác mạc và thủy tinh thể và tạo ra một lượng nhỏ điện tích kích thích các neuron

võng mạc. Có đường kính 2mm (xem hình 9), võng mạc thay thế dày phân nửa một

mảnh giấy bình thường, và được cấy vào một lỗ nằm phía dưới võng mạc bị hỏng.

Là một sự thay thế cho mắt chip, việc thay ghép võng mạc bằng một bộ xử lí tín

hiệu số và một camera gắn trên một cặp kính, thu lấy và truyền hình ảnh của vật hoặc

quang cảnh. Không có dây truyền, ảnh được gởi tới một chip nhận ghép phía sau lớp

võng mạc, nơi các xung thần kinh được truyền lên não. Tuy nhiên, võng mạc nhân tạo

sẽ không trị được bệnh tăng nhãn áp hoặc các tật nhìn hỏng các sợi thần kinh dẫn tới

dây thần kinh thị giác. Khi quang sinh thái học phát triển, người ta có thể hiểu tốt hơn

về hệ thị giác phức tạp của con người.

135

CÁC MÀU CƠ BẢN

Ánh sáng đến từ Mặt Trời gồm một phổ bức xạ điện từ gần như liên tục, với đa

số năng lượng tập trung trong vùng bước sóng nằm giữa 220 và 3200 nanomét. Khi

chúng truyền qua bầu khí quyển của Trái Đất, đa phần sóng ánh sáng trên 2000nm (các

bước sóng hồng ngoại) bị hấp thụ bởi cacbon dioxit, hơi nước, và ozon cho nên đa số

chưa bao giờ đến được mặt đất. Các sóng tử ngoại ngắn hơn cũng bị hấp thụ bởi lớp

ozon. Hiệu ứng lọc lựa này của bầu khí quyển làm giới hạn phổ ánh sáng đến được mặt

đất có bước sóng giữa 320 và 2000nm.

Hình 1. Các bộ cảm thụ quang hình que và hình nón trong mắt người

Mắt người nhạy cảm với một dải hẹp bức xạ điện từ nằm trong vùng bước sóng

giữa 400 và 700nm, thường được gọi là phổ ánh sáng khả kiến, đó là nguồn duy nhất

của màu sắc. Khi kết hợp với nhau, tất cả các bước sóng có mặt trong ánh sáng khả

kiến, khoảng một phần ba toàn dải phân bố phổ truyền qua được bầu khí quyển Trái

Đất, hình thành nên ánh sáng trắng không màu có thể bị khúc xạ và tán sắc thành các

màu thành phần của nó bằng cách sử dụng lăng kính. Các màu đỏ, lục, và lam trước

nay vốn được xem là màu cơ bản vì chúng là cơ sở cho sự nhìn của con người.

Mắt người chứa các cơ quan thụ quang tế bào hình nón (xem hình 1) gắn trong

một hố nhỏ ở chính giữa võng mạc được điều chỉnh nhằm phản ứng với các bước sóng

nằm trong ba vùng này (đỏ, lục, và lam) với các protein sắc tố chuyên biệt. Tất cả các

màu của phổ ánh sáng khả kiến, từ tím tới đỏ, có thể được tạo ra bằng cách cộng hoặc

trừ những kết hợp khác nhau của ba màu cơ bản này. Ánh sáng được con người nhận

thức là trắng khi cả ba loại tế bào hình nón bị kích thích đồng thời bởi lượng ánh sáng

đỏ, lục, và lam bằng nhau. Vì cộng ba màu này mang lại ánh sáng trắng, nên các màu

đỏ, lục, và lam được gọi là các màu cộng cơ bản.

Khi chỉ có một hoặc hai loại tế bào hình nón bị kích thích, thì vùng màu sắc

cảm nhận được bị giới hạn. Ví dụ, nếu một dải hẹp ánh sáng lục (540 đến 550nm)

được dùng để kích thích tất cả các tế bào hình nón, thì chỉ có tế bào nào có chứa cơ

quan thụ quang lục mới phản ứng lại, tạo ra cảm giác nhìn thấy màu lục. Sự cảm nhận

các màu cộng không cơ bản, ví dụ như màu vàng, có thể phát sinh theo một trong hai

cách. Nếu như các tế bào hình nón đỏ và lục bị kích thích đồng thời với ánh sáng vàng

đơn sắc có bước sóng 580nm, thì mỗi cơ quan thụ quang tế bào hình nón phản ứng hầu

như ngang nhau vì sự chồng lấn phổ hấp thụ của chúng xấp xỉ như nhau trong vùng

này của phổ ánh sáng khả kiến. Cùng một cảm giác màu như vậy có thể thu được bằng

cách kích thích từng tế bào hình nón đỏ và lục với một hỗn hợp bước sóng đỏ và lục

136

riêng biệt chọn lựa từ các vùng thuộc phổ hấp thụ của cơ quan thụ quang không có sự

chồng lấn đáng kể. Kết quả, trong cả hai trường hợp, là sự kích thích đồng thời của các

tế bào hình nón đỏ và lục, tạo ra cảm giác màu vàng, mặc dù kết quả cuối cùng thu

được bởi hai cơ chế khác nhau. Khả năng cảm nhận những màu sắc khác yêu cầu kích

thích một, hai, hoặc cả ba loại tế bào hình nón đến mức độ khác nhau với bộ bước sóng

thích hợp.

Nếu như các phần bằng nhau của ánh sáng lục và lam được cộng với nhau, thì

màu thu được được gọi là màu lục lam. Tương tự như vậy, các phần bằng nhau của ánh

sáng lục và đỏ tạo ra màu vàng, và các phần bằng nhau của ánh sáng đỏ và lam mang

lại màu đỏ tươi. Các màu lục lam, đỏ tươi, và vàng thường được gọi là màu bù, vì mỗi

phần bù thuộc các màu cơ bản trong hỗn hợp ánh sáng trắng. Màu vàng (đỏ cộng với

lục) là phần bù của màu lam vì khi hai màu này cộng với nhau thì ánh sáng trắng được

tạo ra. Tương tự, màu lục lam (lục cộng với lam) là phần bù của màu đỏ, và màu đỏ

tươi (đỏ cộng với lam) là phần bù của ánh sáng lục.

Hình 2. Các màu cơ bản

Các màu bù (lục lam, vàng, và đỏ tươi) cũng còn được gọi là các màu trừ cơ

bản vì mỗi màu có thể hình thành bằng cách trừ đi một trong các màu cộng cơ bản (đỏ,

lục, và lam) từ ánh sáng trắng. Ví dụ, ánh sáng vàng được quan sát thấy khi toàn bộ

ánh sáng lam bị tách khỏi ánh sáng trắng, màu đỏ tươi được hình thành khi màu lục bị

lấy đi, và màu lục lam được tạo ra khi màu đỏ bị tách mất. Màu sắc quan sát thấy bằng

cách trừ đi một màu cơ bản khỏi ánh sáng trắng thu được vì não cộng gộp các màu còn

lại để tạo ra phần bù hoặc màu trừ tương ứng. Hình 2 minh họa các vòng màu chồng

lấn của cả các màu cơ bản cộng và trừ. Những vùng chồng lấn cho biết những màu

mới được tạo ra bằng cách cộng hoặc trừ những kết hợp khác nhau sử dụng sáu màu cơ

bản này, và cũng cho thấy các màu cộng và trừ bù nhau như thế nào.

Khi bất kì hai màu trừ cơ bản nào được cộng lại, chúng tạo ra một màu cộng cơ

bản. Ví dụ, cộng màu đỏ tươi và màu lục lam với nhau tạo ra màu lam, còn cộng màu

vàng và màu đỏ tươi với nhau tạo ra màu đỏ. Tương tự, cộng màu vàng với màu lục

lam tạo ra màu lục (xem hình 2). Khi cả ba màu trừ cơ bản được cộng lại, ba màu cộng

cơ bản sẽ bị lấy khỏi ánh sáng trắng, để lại màu đen (không có bất kì màu nào). Màu

trắng không thể tạo ra bằng bất cứ sự kết hợp nào của các màu trừ cơ bản, đó là lí do

chủ yếu vì sao không có hỗn hợp nước sơn hoặc mực in nào có thể dùng để in màu

trắng.

Một ví dụ hay về sự cộng màu và trừ màu là những thay đổi quan sát thấy ở

màu sắc ánh sáng Mặt Trời khi Mặt Trời mọc, truyền trên bầu trời, và khi Mặt Trời

lặn. Màu sắc của ánh sáng Mặt Trời thay đổi khi nó truyền qua bầu khí quyển của Trái

Đất vì sự va chạm của các photon với những mật độ khác nhau của các phân tử không

khí làm loại mất một số màu. Khi Mặt Trời ở cao trên bầu trời vào cuối buổi sáng hoặc

đầu buổi chiều, ánh sáng trông có màu vàng. Khi Mặt Trời tiến đến đường chân trời,

137

ánh sáng phải truyền qua phần không khí nhiều hơn và bắt đầu chuyển sang màu cam

và rồi thì màu đỏ. Hiện tượng này xảy ra vì không khí hấp thụ một lượng tăng dần ánh

sáng lam từ Mặt Trời, chỉ để lại những bước sóng dài hơn trong vùng đỏ của phổ ánh

sáng khả kiến.

Hình 3. Sự thay đổi màu theo sự chiếu sáng

Loạt ảnh trong hình 3 là những bức cảnh chụp của một quân bài (con ba cơ),

một trái ớt hình quả chuông màu lục, và một chùm nho màu tía-hơi xanh đặt trên nền

tối đen. Trong bức ảnh phía bên trái (hình 3a), ba vật được rọi bằng ánh sáng trắng và

trông giống như chúng ta mong đợi chúng xuất hiện dưới ánh sáng tự nhiên. Trong bức

ảnh thứ hai (hình 3b), các vật được rọi bằng ánh sáng đỏ. Chú ý là quân bài phản xạ

toàn bộ ánh sáng đỏ chạm tới nó, đồng thời chỉ có cuống chùm nho và những chỗ óng

ánh trắng trên chùm nho và quả ớt phản xạ ánh sáng đỏ. Đa phần ánh sáng đỏ đi tới

chùm nho và quả ớt đều bị hấp thụ.

Bức thứ ba của loạt ảnh (hình 3c) biểu diễn các vật dưới sự rọi sáng bằng ánh

sáng màu lục. Các kí hiệu trên quân bài bây giờ trông có màu đen và thân quân bài

phản xạ ánh sáng màu lục. Chùm nho phản xạ một số ánh sáng lục, còn quả ớt trông

bình thường (nhưng óng ánh xanh). Bức ảnh thứ tư (hình 3d) minh họa các vật dưới sự

rọi sáng màu lam. Chùm nho trông bình thường với những chỗ nổi bật màu lam, nhưng

cuống thì chuyển sang đen và bây giờ không còn nhìn thấy. Quân bài phản xạ ánh sáng

lam có các kí hiệu màu đen và quả ớt chỉ phản xạ ánh sáng lam ở những chỗ nổi bật.

Loạt ảnh này chứng tỏ một vật trông có màu đỏ (ví dụ, trong ánh sáng trắng) hấp thụ

các bước sóng lam và lục, nhưng phản xạ các bước sóng trong vùng đỏ của quang phổ.

Do đó vật trông có màu đỏ.

Mắt người nhạy cảm với những sự chênh lệch rất nhỏ về màu sắc và có lẽ có

khả năng phân biệt giữa 8-12 triệu sắc thái màu khác nhau. Đa số màu sắc chứa một số

phần của toàn bộ bước sóng trong phổ khả kiến. Cái thực sự thay đổi từ màu này sang

màu khác là sự phân bố bước sóng trong một màu cho trước. Bước sóng chiếm ưu thế

xác định sắc thái cơ bản của màu sắc có thể là, ví dụ, màu tía, màu mòng két, màu be,

màu hồng hoặc màu cam. Tỉ số của bước sóng ưu thế và những bước sóng khác xác

định độ bão hòa màu của vật và xem nó trông bão hòa nhạt hay đậm. Cường độ màu và

hệ số phản xạ của vật được quan sát xác định độ sáng của màu (ví dụ, màu lam tối

hoặc lam nhạt). Điều này được minh họa thú vị bên dưới đây bằng Cây màu Munsell,

trong đó mỗi màu được biểu diễn bằng một vị trí riêng ở trên cây (xem hình 4). Giá trị

màu được biểu diễn bằng sự sắp đặt trên đường tròn, và độ bão hòa được biểu diễn

bằng khoảng cách ngang của một màu tính từ trục ở chính giữa, và độ sáng được biểu

diễn bằng vị trí đứng trên thân cây.

138

Hình 4. Cây màu Munsell

Phần nhiều trong bài này tập trung vào tính chất của ánh sáng trắng liên quan

đến sự cộng màu và trừ màu của ánh sáng khả kiến truyền đi có thể hình dung trên

màn hình máy tính hoặc ti vi. Tuy nhiên, đa số cái thực sự quan sát thấy là ánh sáng

phản xạ từ những vật xung quanh chúng ta, như những người khác, nhà cửa, xe cộ,

phong cảnh, vân vân… Những vật này tự chúng không tạo ra ánh sáng, mà phát ra màu

bằng một quá trình gọi là phép trừ màu, trong đó những bước sóng ánh sáng nhất định

bị trừ đi (hấp thụ) và những bước sóng khác thì phản xạ lại (như minh họa trong hình

3). Ví dụ, một chiếc lá màu lục trông có màu này dưới ánh sáng Mặt Trời tự nhiên vì

nó phản xạ các bước sóng lục và hấp thụ tất cả những màu sắc khác. Sắc thái, độ sáng,

và sự bão hòa màu của ánh sáng màu lục phản xạ được xác định bởi phổ bước sóng

chính xác bị phản xạ.

Các sắc tố và thuốc nhuộm chịu trách nhiệm cho đa số màu sắc chúng ta nhìn

thấy trong thế giới thực. Mắt, da, và tóc có chứa các protein sắc tố tự nhiên phản xạ

màu sắc hình dung ở những người xung quanh chúng ta (tính luôn cả sự hỗ trợ của

màu sắc trang điểm mặt và nhuộm tóc). Sách vở, báo chí, bảng hiệu và các bản thông

báo in bằng mực màu tạo ra màu sắc thông qua quá trình trừ màu. Tương tự như vậy,

xe cộ, máy bay, nhà cửa và những công trình xây dựng khác được sơn lớp nước sơn

chứa nhiều sắc tố đa dạng. Khái niệm trừ màu, như đã nói ở trên, là nguyên nhân gây

ra đa số màu sắc tạo ra bởi các vật vừa mô tả. Trong nhiều năm trời, những người họa

sĩ và thợ in đã tìm kiếm các chất chứa thuốc nhuộm và sắc tố đặc biệt tốt ở việc trừ

những màu nhất định.

Tất cả ảnh màu, và những hình khác được sơn hoặc chụp, được tạo ra chỉ bằng

bốn loại mực màu – đỏ tươi, lục lam, vàng (các màu cơ bản trừ) và màu đen (xem hình

5). Mực trộn có những màu này với tỉ lệ thay đổi có thể tạo ra màu sắc cần thiết cho

việc tái tạo lại hầu như bất kì hình ảnh hoặc màu sắc nào. Ba màu trừ cơ bản có thể (về

lí thuyết) dùng độc lập, tuy nhiên các hạn chế của đa số thuốc nhuộm và sắc tố khiến

cần phải thêm màu đen mới thu được bình mực màu thực sự. Khi một hình ảnh được

chuẩn bị in trong một cuốn sách hoặc tạp chí, trước tiên nó được tách thành các thành

phần màu trừ cơ bản, hoặc bằng kĩ thuật nhiếp ảnh hoặc với máy tính như minh họa

trong hình 5. Mỗi thành phần màu độc lập được đưa vào một phim dùng chuẩn bị bản

in cho màu đó. Ảnh cuối cùng được tạo ra bằng cách in liên tục từng bản màu, chồng

lên nhau, bằng mực in thích hợp, hình thành nên một hỗn hợp tái tạo lại diện mạo ban

đầu. Việc sơn cũng tương tự như vậy. Những sắc tố chính chứa các màu trừ cơ bản

139

trộn lẫn với nhau hình thành nên những màu khác nhau dùng bình nước sơn pha chế

sau cùng.

Hình 5. Bốn bản in màu riêng rẽ

Bài này bao quát nhiều khía cạnh khác nhau của sự cộng và trừ các màu cơ bản.

Được dùng trong kính hiển vi để quan sát và chụp ảnh màu, khái niệm về các màu cơ

bản cộng và trừ rất quan trọng. Nguồn ánh sáng cho kính hiển vi thường là bóng đèn

volfram-halogen có thể phát ra ánh sáng chói có nhiệt độ màu tập trung khoảng

3200K, hoặc đèn hồ quang cho kính hiển vi huỳnh quang tạo ra nhiệt độ màu trong

phạm vi 5500K. Đối với người quan sát, những nguồn này trông như ánh sáng trắng có

thể bị hấp thụ, khúc xạ, phản xạ, phân cực, và/hoặc truyền qua bởi một mẫu vật nằm

trên bàn soi hiển vi. Các quy luật màu cơ bản áp dụng xem mẫu vật tương tác với ánh

sáng kính hiển vi như thế nào và xác định màu nào được hiển thị khi mẫu vật được

hình dung qua thị kính. Những quy luật này cũng áp dụng được cho phim dùng trong

máy quay phim truyền thống hoặc dụng cụ ghi ảnh kĩ thuật số gắn trên kính hiển vi, cả

hai đều phụ thuộc vào mối tương quan giữa các màu cơ bản để ghi ảnh.

140

QUANG SAI Ở HỆ THẤU KÍNH

Kính hiển vi và các thiết bị quang học khác thường bị ảnh hưởng bởi các lỗi

thấu kính làm méo ảnh bởi nhiều cơ chế đa dạng liên quan tới những khiếm khuyết

(thường được gọi là chung là quang sai) có nguồn gốc từ dạng hình cầu của các bề mặt

thấu kính. Có ba nguồn gốc chính của hoạt động thấu kính không lí tưởng được quan

sát thấy ở kính hiển vi.

Hình 1. Sắc sai quanh trục

Trong số ba loại sai sót chủ yếu của thấu kính, hai loại liên quan tới sự định

hướng của đầu sóng và tiêu diện so với trục quang của kính hiển vi. Những loại sai sót

này bao gồm các lỗi thấu kính trên trục như sắc sai và cầu sai, và các lỗ ngoài trục chủ

yếu biểu hiện như coma, loạn thị, và cong trường. Loại quang sai thứ ba, thường thấy

trong kính hiển vi ghi hình nổi có hệ thấu kính phóng to/thu nhỏ, là sự méo hình, gồm

cả méo tang trống và méo gối cắm kim.

Nói chung, hệ quả cuối cùng của quang sai trong kính hiển vi là nó gây ra các

khiếm khuyết ở những đặc trưng nhỏ xíu và chi tiết mẫu vật của ảnh quan sát thấy

hoặc ghi hình kĩ thuật số. Thấu kính nhân tạo được dùng lần đầu tiên trong kính hiển vi

vào thế kỉ thứ 18 khi nhà chế tạo thiết bị người London John Dollond phát hiện thấy sự

sắc sai có thể được làm giảm hoặc loại trừ bằng việc sử dụng kết hợp hai loại thủy tinh

khác nhau để chế tạo thấu kính. Vài thập kỉ sau, trong thế kỉ 19, các vật kính tiêu sắc

(không bị sắc sai) có khẩu độ số cao được phát triển, mặc dù vẫn còn tồn tại các sự

méo dạng hình học với thấu kính. Các chất thủy tinh hiện đại và chất phủ chống phản

xạ, cùng với kĩ thuật mài và chế tạo tiên tiến, đã loại trừ đa số quang sai khỏi vật kính

kính hiển vi ngày nay. Tuy nhiên, vẫn phải quan tâm tới những hiện tượng nhân tạo

này, nhất là khi kiểm soát kính hiển vi kĩ thuật số độ phóng đại cao, hoặc khi làm việc

với kính hiển vi ảnh nổi có hệ thấu kính phóng to/thu nhỏ.

Sắc sai

Một trong những khiếm khuyết phổ biến nhất quan sát thấy ở các thấu kính

dạng cầu, sự sắc sai, xảy ra vì thấu kính khúc xạ các màu khác nhau trong ánh sáng

trắng ở những góc khác nhau theo bước sóng (xem hình 1). Ánh sáng đỏ không bị

khúc xạ cùng góc như ánh sáng lục hoặc ánh sáng lam nên tiêu điểm trên trục chính

của thấu kính hơi lệch xa thấu kính hơn đối với ánh sáng đỏ. Tương tự, ánh sáng lục bị

hội tụ gần thấu kính hơn ánh sáng đỏ, và ánh sáng lam bị hội tụ trong một mặt phẳng

gần thấu kính nhất. Hiện tượng này thường được gọi là sự tán sắc và xảy ra ở một mức

độ nhất định đối với tất cả các thấu kính có dạng cầu. Sự bất lực của thấu kính trong

việc mang tất cả màu sắc vào một mặt phẳng tiêu chung làm cho kích thước ảnh và

tiêu điểm đối với mỗi trong ba bước sóng chiếm ưu thế hơi khác đi. Kết quả là một vân

141

màu hay quầng hào quang xuất hiện xung quanh ảnh, với màu của quầng hào quang

thay đổi khi tiêu điểm của vật kính thay đổi.

Sắc sai thường đi kèm với sự chênh lệch độ phóng đại ảnh xuất hiện như là một

hệ quả của sự thay đổi mặt phẳng tiêu đối với mỗi nhóm màu, một hiệu ứng thường

được gọi là sự lệch sắc phóng đại. Quang sai thuộc loại này có thể được làm giảm đáng

kể, hoặc loại trừ, bằng cách chế tạo các thấu kính ghép gồm từng nguyên tố thấu kính

có đặc điểm tán sắc màu khác nhau. Nhiều loại thấu kính quang đa dạng hiện có sẵn

cho các nhà thiết kế thấu kính. Ví dụ, thủy tinh crown có tính chất tán sắc cho phép nó

ghép đôi trong hệ đôi thấu kính cùng với nguyên tố thấu kính thủy tihn flint để tạo ra

một hệ đôi thấu kính tiêu sắc làm hội tụ các bước sóng lam và đỏ trong cùng mặt

phẳng ảnh. Một quang hệ có công thức thủy tinh và hình dạng càng phức tạp, tinh vi,

càng có khả năng làm giảm sự sắc sai.

Cầu sai

Một khiếm khuyết khác có thể gây hệ quả nghiêm trọng lên ảnh tạo bởi kính

hiển vi, sự cầu sai, có nguyên nhân do sử dụng các thấu kính có bề mặt hình cầu, hiện

tại thì đó là phương pháp thực tiễn duy nhất để chế tạo thấu kính. Cầu sai xảy ra khi

sóng ánh sáng truyền qua vùng ngoài rìa của thấu kính không được mang vào hội tụ

chính xác với sóng ánh sáng truyền qua vùng chính giữa (xem hình 2 cho một ví dụ sử

dụng ánh sáng đơn sắc đỏ). Kết quả là mặt phẳng ảnh rạch ròi không tồn tại, và mẫu

vật không thể được hội tụ chính xác. Lấy ví dụ, một nguồn sáng điểm sẽ xuất hiện

dưới dạng một đốm bao quanh bởi quầng sáng chói hoặc dải vân nhiễu xạ khi kính

hiển vi được mang vào tiêu điểm “tốt nhất” của nó. Những mẫu vật phức tạp có chiều

dày đáng kể thường bị mờ đi nên không nhận ra được, nhất là tại vùng biên của tầm

nhìn.

Hình 2. Cầu sai

Việc hiệu chỉnh quang hệ (như kính hiển vi chẳng hạn) đối với sự cầu sai

thường được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp một nguyên tố thấu kính dương với

một nguyên tố thấu kính âm có bề dày khác nhau, chúng được dán với nhau hình thành

nên một nhóm thấu kính phức hợp. Cầu sai rất quan trọng về mặt độ phân giải của thấu

kính vì chúng ảnh hưởng tới sự tạo ảnh trùng khớp của các điểm dọc theo trục chính và

làm giảm hiệu suất của thấu kính, điều đó sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ sắc nét

và rõ ràng của mẫu vật. Những khiếm khuyết thấu kính này có thể thường xuyên được

giảm bớt bằng cách hạn chế phơi sáng đối với vùng rìa của thấu kính bằng màn chắn,

và cũng có thể sử dụng các mặt thấu kính không có dạng cầu bên trong quang hệ.

Các vật kính kính hiển vi hiện đại chất lượng cao nhất sử dụng sự cầu sai trong

một số cách, gồm các kĩ thuật mài thấu kính đặc biệt, các công thức thủy tinh cải tiến,

và điều khiển tốt hơn đường đi của ánh sáng. Vật kính được hiệu chỉnh cao đối với sự

142

cầu sai thường được thiết kế trong những điều kiện đặc biệt, như hạn chế chặt chẽ

chiều dày lớp thủy tinh tráng, tẩm dầu và dung sai chiết suất hẹp. Các vòng đệm hiệu

chỉnh có thể điều chỉnh được có sẵn trên một số vật kính không dầu rất khô là do sự

thay đổi bề dày lớp thủy tinh tráng. Người điều khiển kính hiển vi phải nghiên cứu cẩn

thận các yêu cầu cơ bản của vật kính chuyên dụng để làm cho sự cầu sai nhất định

không xảy ra do sử dụng vật kính dưới những điều kiện mà nó không được thiết kế để

hoạt động.

Coma

Tương tự với sự cầu sai ở nhiều mặt, coma nói chung bị gặp phải với các tia

sáng ngoài trục và sẽ gay gắt nhất khi kính hiển vi không được canh hàng thích hợp.

Quang sai được đặt tên do sự tương đồng mạnh mẽ của nó với hình dạng của đuôi sao

chổi, và rõ ràng bằng một vệt ánh sáng trông như phát ra từ một đốm tập trung tại vùng

rìa của tầm nhìn. Coma thường được xem là quang sai khó giải quyết nhất vì tính

không đối xứng mà nó tạo ra trong ảnh. Ví dụ, vào một ngày nắng đẹp, khi một kính

phóng đại được dùng để hội tụ ảnh của Mặt Trời lên vỉa hè, quang sai coma có thể

nhìn thấy trong ảnh khi kính phóng đại nghiêng đi so với các tia chủ yếu đến từ Mặt

Trời. Ảnh của Mặt Trời, khi chiếu lên bê tông, sẽ kéo dài ra thành một hình giống như

sao chổi đặc trưng của sự quang sai coma.

Hình 3. Quang sai coma

Hình dạng khác biệt hiển thị bởi ảnh chịu sự quang sai coma là kết quả của sự

chênh lệch khúc xạ bởi các tia sáng truyền qua các đới thấu kính khác nhau khi góc tới

trở nên xiên hơn (ngoài trục). Tính khắc nghiệt của quang sai coma là một hàm của

hình dạng thấu kính mỏng. Ở mức độ lớn nhất, coma làm cho các tia kinh tuyến truyền

qua rìa của thấu kính đến tại mặt phẳng ảnh gần trục chính hơn so với các tia sáng

truyền qua phần giữa của thấu kính (và gần trục chính hơn, như minh họa trong hình

3). Trong trường hợp này, các tia sáng vùng rìa tạo ra ảnh nhỏ nhất và quang sai coma

được gọi là âm. Trái lại, khi các tia vùng rìa hội tụ xa xuống dưới trục chính để tạo ra

ảnh lớn hơn nhiều, thì quang sai đó được gọi là dương. Hình “sao chổi” có “đuôi” của

nó hướng về tâm của tầm nhìn hoặc ra xa tùy thuộc vào quang sai tương ứng có giá trị

âm hoặc dương. Mức độ quang sai càng lớn đối với những thấu kính có khẩu độ càng

rộng, và có thể được hiệu chỉnh (một phần) bằng cách giảm kích thước khẩu độ. Các

nhà chế tạo kính hiển vi luôn cố gắng hiệu chỉnh sự quang sai coma để điều chỉnh

đường kính của trường vật cho một kết hợp vật kính và thị kính cho trước.

143

Loạn thị

Quang sai loạn thị tương tự như coma; tuy nhiên, hiện tượng này không nhạy

với kích thước khẩu độ và phụ thuộc nhiều vào góc xiên của chùm tia sáng. Sự quang

sai này biểu hiện bởi ảnh ngoài trục của một vật điểm xuất hiện dưới dạng một đoạn

thẳng hoặc elip thay vì là một điểm riêng biệt. Tùy thuộc vào góc của chùm tia sáng

ngoài trục đi vào thấu kính, ảnh đoạn thẳng có thể hướng theo hai hướng khác nhau

(xem hình 4): kinh tuyến hoặc vĩ tuyến. Tỉ số cường độ của ảnh đơn vị sẽ giảm bớt, với

độ rõ nét, độ chi tiết, và độ tương phản bị mất khi khoảng cách tới tâm tăng lên.

Hình 4. Loạn thị

Trong kính hiển vi rẻ tiền, loạn thị thường là kết quả của độ cong thấu kính

không đối xứng do sai sót trong chế tạo hoặc gắn không khớp lên khung của nó hoặc

sự định hướng bên trong vật kính hình tang trống. Lỗi loạn thị thấu kính thường được

hiệu chỉnh bằng cách thiết kế vật kính kính hiển vi mang lại khoảng cách chính xác của

từng nguyên tố thấu kính cũng như hình dạng thấu kính và chiết suất thích hợp. Sự

canh hàng và điều chỉnh cẩn thận từng nguyên tố thấu kính được thực hiện với miếng

đệm và miếng chèn nhằm làm giảm hoặc loại trừ ảnh hưởng của loạn thị.

Cong trường

Cũng thường gọi là sự cong tầm nhìn, sự quang sai này là kết quả tự nhiên của

việc sử dụng thấu kính có các bề mặt cong, rất quen thuộc với các nhà hiển vi học có

kinh nghiệm. Khi ánh sáng hội tụ qua một thấu kính cong, thì mặt phẳng ảnh tạo bởi

thấu kính đó sẽ bị cong, như minh họa trong hình 5. Ảnh có thể hội tụ trên một vùng

nằm giữa các điểm A và B, tạo ra một sự hội tụ sắc nét hoặc lên rìa hoặc lên vùng

chính giữa. Được phân loại là nhóm quang sai ngoài trục, sự cong trường tạo ra mặt

phẳng ảnh có hình dạng một mặt cầu lõm (giống như một mặt thấu kính lồi) khi nhìn

từ phía vật kính. Mặc dù các đới liên tiếp có thể mang vào hội tụ bằng cách tịnh tiến

vật kính, nhưng toàn bộ ảnh không thể hội tụ đồng thời lên một mặt phẳng như mặt

phẳng phim hoặc bề mặt của bộ cảm biến ảnh CCD hoặc CMOS.

144

Hình 5. Sự cong trường

Các nhà chế tạo quang học xử lí sự cong trường bằng cách thêm vào một

nguyên tố thấu kính hiệu chỉnh cho vật kính trong những vật kính trường-phẳng được

thiết kế đặc biệt. Mặc dù sự hiệu chỉnh quang cho sự cong trường yêu cầu phải thêm

một vài thấu kính mới, nhưng những vật kính này (gọi là vật kính phẳng) là loại phổ

biến nhất được sử dụng ngày nay. Sự cong trường ít khi bị loại trừ hoàn toàn, nhưng

người ta thường khó phát hiện sự cong ở rìa với đa số vật kính đã hiệu chỉnh phẳng.

Kết quả là những mức độ cong trường rất hạn chế không làm giảm giá trị ảnh chụp

hiển vi hoặc ảnh kĩ thuật số. Hiện tượng này diễn ra gay gắt hơn ở độ phóng đại thấp

và có thể là vấn đề nghiêm trọng đối với ảnh chụp hiển vi.

Méo hình

Méo hình là quang sai quan sát thấy phổ biến ở kính hiển vi ảnh nổi, và nó được

biểu hiện bởi sự biến đổi hình dạng của ảnh chứ không phải độ nét hoặc phổ màu sắc.

Hai loại méo hình thường thấy nhất, méo hình dương và âm (thường gọi là méo hình

gối cắm kim và hình tang trống) có thể thường có mặt trong những ảnh rất sắc nét đã

được hiệu chỉnh quang sai tốt như đối với cầu sai và sắc sai, cũng như coma và loạn

thị. Khi ảnh chịu sự méo hình, hình dạng thật của vật không còn được duy trì trong

ảnh. Hình 6 minh họa sự méo hình gối cắm kim và méo hình tang trống trong ảnh của

một mạch tích hợp vi xử lí của máy tính.

Hình 6. Méo hình

Méo hình có thể khó phát hiện, đặc biệt khi quang sai tương đối nhẹ và vật thiếu

cấu trúc tuần hoàn. Loại hiện tượng này xảy ra gay gắt nhất ở những vật có các đường

thẳng, như hình lưới, hình vuông, hình chữ nhật, hoặc các hình đa giác khác sắp xếp

đều đặn sẵn sàng biểu hiện sự cong có mặt do méo hình. Méo hình thường tìm thấy

trong các thiết kế quang sử dụng các hệ thấu kính phức hợp (chụp ảnh xa, mắt đỏ, và

phóng to/thu nhỏ) chứa các thấu kính khum, lõm, bán cầu và thấu kính lồi dày. Các hệ

thấu kính phức tạp, như ống phóng to/thu nhỏ, có thể có sự méo hình rõ rệt hơn, chúng

145

biến đổi theo tiêu cự, tạo ra méo hình gối cắm kim ở tiêu cự dài và méo hình tang

trống ở tiêu cự ngắn. Vì lí do này nên kính hiển vi ảnh nổi phóng to/thu nhỏ thường có

một lượng méo hình đáng kể có mặt và các nhà chế tạo kính hiển vi phải tiêu tốn nhiều

công sắc để làm giảm bớt sự quang sai này.

146

HIỆN TƯỢNG LƯỠNG CHIẾT

Lưỡng chiết được định nghĩa chính thức là sự khúc xạ kép trong một chất trong

suốt, phân tử có trật tự, biểu hiện bởi sự tồn tại của sự chênh lệch chiết suất phụ thuộc

vào định hướng. Nhiều chất rắn trong suốt có tính đẳng hướng quang học, nghĩa là

chiết suất bằng nhau theo mọi hướng trong toàn bộ mạng tinh thể. Ví dụ cho chất rắn

đẳng hướng là thủy tinh, muối ăn (NaCl, như minh họa trong hình 1(a) ), nhiều

polyme, và nhiều loại hợp chất đa dạng cả hữu cơ và vô cơ.

Hình 1. Cấu trúc tinh thể của chất đẳng hướng và dị hướng

Cấu trúc mạng tinh thể đơn giản nhất là hình lập phương, như minh họa bởi mô

hình phân tử natri clorit trong hình 1(a), một sự sắp xếp trong đó tất cả các ion natri và

clo bố trí có trật tự với khoảng cách đều nhau dọc theo ba trục vuông góc. Mỗi ion clo

được bao quang bởi (và liên kết tĩnh điện với) sáu ion natri riêng lẻ và ngược lại đối

với ion natri. Cấu trúc mạng trong hình 1(b) biểu diễn khoáng vật canxit (canxi

cacbonat) gồm một mảng ba chiều hơi phức tạp, nhưng có trật tự cao, của các ion

canxi và cacbonat. Canxit có cấu trúc mạng tinh thể không đẳng hướng, nó tương tác

với ánh sáng theo kiểu hoàn toàn khác với các tinh thể đẳng hướng. Polyme minh họa

trong hình 1(c) là vô định hình và không có bất cứ cấu trúc tinh thể tuần hoàn nào có

thể nhận ra được. Các polyme thường có một số mức độ trật tự tinh thể và có thể hoặc

không thể trong suốt về mặt quang học.

Các tinh thể được phân loại là đẳng hướng hoặc dị hướng tùy thuộc vào hành

trạng quang của chúng và các trục tinh thể của chúng có tương đương với nhau hay

không. Tất cả các tinh thể đẳng hướng đều có các trục tương đương tương tác với ánh

sáng theo kiểu giống nhau, bất chấp sự định hướng tinh thể so với sóng ánh sáng tới.

Ánh sáng đi vào tinh thể đẳng hướng bị khúc xạ ở mộc góc không đổi và truyền qua

tinh thể ở một vận tốc mà không bị phân cực do tương tác với các thành phần điện của

mạng tinh thể.

Thuật ngữ dị hướng dùng để chỉ đặc điểm phân bố không gian không đều, mang

lại những giá trị khác nhau có thể thu được khi vật được khảo sát từ một vài hướng bên

trong cùng chất đó. Những tính chất quan sát thấy thường phụ thuộc vào phép khảo sát

nhất định được sử dụng và thường thay đổi tùy thuộc vào hiện tượng quan sát dựa trên

các sự kiện quang học, âm học, nhiệt học, từ học hay là điện học. Mặt khác, như đã nói

ở phần trên, tính đẳng hướng vẫn giữ được sự đối xứng, bất chấp đến hướng đo đạc,

với mỗi loại khảo sát sẽ cho kết quả báo cáo giống nhau.

Các tinh thể dị hướng, như thạch anh, canxit, tuamalin, có các trục tinh thể khác

biệt và tương tác với ánh sáng bằng một cơ chế phụ thuộc vào sự định hướng của mạng

tinh thể so với góc ánh sáng tới. Khi ánh sáng đi vào trục quang của tinh thể dị hướng,

nó xử sự theo kiểu tương tự như tương tác với tinh thể đẳng hướng, và truyền qua với

147

một vận tốc. Tuy nhiên, khi ánh sáng đi vào trục không tương đương, nó bị khúc xạ

thành hai tia, mỗi tia bị phân cực với hướng dao động định hướng vuông góc (trực

giao) với nhau và truyền đi ở vận tốc khác nhau. Hiện tượng này được gọi là sự khúc

xạ kép hoặc lưỡng chiết và được biểu hiện ở một mức độ lớn hoặc nhỏ trong mọi tinh

thể dị hướng.

Bức xạ điện từ truyền qua không gian với dao động vectơ điện trường và từ

trường theo kiểu sin vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Vì ánh

sáng khả kiến gồm cả thành phần điện và từ, nên vận tốc ánh sáng truyền qua chất một

phần phụ thuộc vào độ dẫn điện của chất. Sóng ánh sáng truyền qua một tinh thể trong

suốt phải tương tác với các điện trường địa phương trong hành trình của chúng. Tốc độ

tương đối mà tín hiệu điện truyền qua chất thay đổi theo loại tín hiệu và tương tác của

nó với cấu trúc điện tử, và được xác định bằng một thuộc tính gọi là hằng số điện môi

của chất. Quan hệ vectơ giới hạn tương tác giữa một sóng ánh sáng và tinh thể mà qua

đó nó truyền qua bị chi phối bởi sự định hướng vốn có của các vectơ điện mạng tinh

thể và hướng của vectơ thành phần điện của sóng. Do đó, việc xem xét kĩ lưỡng các

tính chất điện của chất dị hướng là cơ sở để tìm hiểu cách thức sóng ánh sáng tương

tác với chất khi nó truyền qua.

Hình 2. Đường đi của ánh sáng qua tinh thể canxit

Hiện tượng khúc xạ kép có cơ sở là các định luật điện từ học, lần đầu tiên được

đề xuất bởi nhà toán học người Anh James Clerk Maxwell vào những năm 1860. Loạt

phương trình phức tạp của ông chứng tỏ rằng vận tốc ánh sáng qua một chất bằng với

tốc độ ánh sáng trong chân không (c) chia cho căn bậc hai của tích số của hằng số điện

môi () và độ từ thẩm () của môi trường. Nói chung, các chất sinh khối có độ từ thẩm

rất gần với 1,0. Hằng số điện môi của một chất, do đó, liên hệ với chiết suất của nó qua

phương trình đơn giản sau

= n2

trong đó là hằng số điện môi, và n là chiết suất đo được của môi trường. Phương

trình này thu được cho những tần số nhất định của ánh sáng và bỏ qua sự tán sắc của

ánh sáng đa sắc khi nó truyền qua chất. Các tinh thể dị hướng gồm các định hướng

mạng nguyên tử và phân tử phức tạp có tính chất điện biến thiên phụ thuộc vào hướng

mà chúng được khảo sát. Kết quả là chiết suất cũng biến thiên theo hướng khi ánh sáng

truyền qua một tinh thể dị hướng, làm tăng vận tốc và quỹ đạo theo những hướng nhất

định.

148

Có lẽ một trong những bằng chứng gây ấn tượng sâu sắc nhất của sự khúc xạ

kép là hiện tượng xảy ra với tinh thể canxi cacbonat (canxit), như minh họa trong hình

2. Khối canxit dễ tách tạo ra hai ảnh khi đặt nó trên vật, và rồi nhìn với ánh sáng phản

xạ truyền qua tinh thể. Một trong hai ảnh xuất hiện dưới dạng bình thường như mong

đợi khi quan sát một vật qua thủy tinh trong hoặc một tinh thể đẳng hướng, còn ảnh kia

thì hơi bị dịch chỗ, do bản chất của ánh sáng khúc xạ kép. Khi tinh thể dị hướng khúc

xạ ánh sáng, chúng tách tia sáng tới thành hai thành phần đi theo những đường khác

nhau trong hành trình của chúng qua tinh thể và ló ra dưới dạng các tia tách xa nhau.

Hành trạng bất thường này, như đã nói ở trên, là do sự sắp xếp của các nguyên tử trong

mạng tinh thể. Vì trật tự hình học chính xác của các nguyên tử không đối xứng so với

trục tinh thể, nên các tia sáng truyền qua tinh thể có thể chịu những chiết suất khác

nhau, tùy thuộc vào hướng truyền.

Một trong hai tia truyền qua tinh thể dị hướng tuân theo định luật khúc xạ bình

thường, và truyền với cùng vận tốc trong mỗi hướng qua tinh thể. Tia sáng này được

gọi là tia thường. Còn tia kia truyền với vận tốc phụ thuộc vào hướng truyền trong tinh

thể, và được gọi là tia bất thường. Vì vậy, mỗi tia sáng đi vào tinh thể bị tách thành

một tia thường và một tia bất thường ló ra khỏi đầu bên kia của tinh thể dưới dạng các

tia phân cực thẳng có vectơ điện trường của chúng dao động trong những mặt phẳng

vuông góc với nhau.

Hình 3. Định hướng của vectơ điện trong tinh thể canxit lưỡng chiết

Những hiện tượng này được minh trong các hình từ 2 đến 4. Tinh thể canxit

biểu diễn trong hình 3(b) đặt trên một kí tự A hoa trên tờ giấy trắng chứng tỏ một ảnh

kép nhìn qua tinh thể. Nếu như tinh thể đó quay chầm chậm xung quanh kí tự, một

trong hai ảnh của kí tự sẽ vấn cố định, còn ảnh kia tiến động trong quỹ đạo trong 360

độ xung quanh ảnh thứ nhất. Định hướng của mặt phẳng dao động vectơ điện cho cả

tia thường (O) và tia bất thường (E) được chỉ rõ bằng các đoạn có mũi tên hai đầu

trong hình 3(b). Chú ý là các trục này vuông góc với nhau. Trục quang của tinh thể,

hợp một góc bằng nhau (103o) với cả ba mặt tinh thể gắn với nhau tại góc, cũng được

chỉ rõ ở phần phía dưới của tinh thể. Mức độ lưỡng chiết trong canxit quá rõ rệt nên

ảnh của kí tự A hình thành bởi tia thường và tia bất thường hoàn toàn tách rời nhau.

Mức độ lưỡng chiết cao này không quan sát thấy trong các chất dị hướng khác còn lại.

Các bản phân cực lưỡng sắc trong suốt có thể được sử dụng để xác định hướng

vectơ điện cho cả tia bất thường và tia thường trong tinh thể canxit, như minh họa

trong hình 3(a) và hình 3(c). Khi bản phân cực được định hướng sao cho tất cả sóng

ánh sáng có vectơ điện định hướng theo phương ngang truyền qua (hình 3(a)), còn

sóng có vectơ điện thẳng đứng thì bị hấp thụ, và ngược lại (hình 3(c)). Trong tinh thể

canxit biểu diễn trên hình 3, tia bất thường có góc dao động vectơ điện thẳng đứng,

149

chúng bị hấp thụ khi bản phân cực định hướng theo phương ngang (hình 3(a)). Trong

trường hợp này, chỉ có ánh sáng từ tia thường truyền qua được bản phân cực và ảnh

tương ứng của nó của kí tự A là ảnh duy nhất quan sát được. Trái lại, khi xoay bản

phân cực sao cho hướng truyền dao động định thẳng đứng (hình 3(c)), thì tia thường bị

chặn lại và ảnh của kí tự A tạo ra bởi tia bất thường là ảnh duy nhất nhìn thấy.

Trong hình 3, các tia sáng tới gây ra tia thường và tia bất thường đi vào tinh thể

theo hướng chếch góc so với trục quang, và đó là nguyên nhân gây ra kí tự lưỡng chiết

nhìn thấy. Tuy nhiên, hành xử của tinh thể dị hướng sẽ khác đi, nếu như ánh sáng tới đi

vào tinh thể theo hướng hoặc song song hoặc vuông góc với trục quang, như minh họa

trong hình 4. Khi một tia tới đi vào tinh thể vuông góc với trục quang, nó bị tách thành

tia thường và tia bất thường như đã mô tả ở trên, nhưng thay vì đi theo đường khác

nhau, quỹ đạo của chúng lại trùng nhau. Mặc dù tia thường và tia bất thường ló ra khỏi

tinh thể ở cùng một nơi, nhưng chúng biểu hiện chiều dài quang trình khác nhau và rồi

bị lệch pha tương đối so với nhau (hình 4(b)). Hai trường hợp vừa mô tả được minh

họa trong hình 4(a), đối với trường hợp chéo góc (xem hình 2 và hình 3), và hình 4(b)

cho tình huống trong đó ánh sáng tới vuông góc với trục quang của tinh thể lưỡng

chiết.

Trong trường hợp tia sáng tới chạm tới tinh thể theo hướng song song với trục

quang (hình 4(c)), chúng hành xử như tia thường và không bị tách thành từng thành

phần bởi tinh thể lưỡng chiết dị hướng. Canxit và những tinh thể dị hướng khác hoạt

động như thể chúng là chất đẳng hướng (như thủy tinh) dưới những tính huống như thế

này. Chiều dài quang trình của các tia sáng ló ra khỏi tinh thể là như nhau, nên không

có sự lệch pha tương đối.

Hình 4. Sự tách sóng ánh sáng bởi tinh thể lưỡng chiết

Mặc dù người ta thường sử dụng hoán đổi các thuật ngữ khúc xạ kép và lưỡng

chiết để chỉ khả năng của một tinh thể dị hướng làm phân tách ánh sáng tới thành tia

thường và tia bất thường, nhưng những hiện tượng này thật ra là chỉ những biểu hiện

khác nhau của cùng một quá trình. Sự phân chia thật sự ánh sáng tới thành hai phần

nhìn thấy, mỗi phần bị khúc xạ ở một góc khác nhau, là quá trình khúc xạ kép. Ngược

lại, lưỡng chiết là chỉ nguồn gốc vật lí của sự phân tách, đó là tồn tại một sự dao động

chiết suất nhạy với hướng trong chất có trật tự về mặt hình học. Sự chênh lệch chiết

suất, hay lưỡng chiết, giữa tia thường và tia bất thường truyền qua một tinh thể dị

hướng là đại lượng có thể đo được, và có thể biểu diễn dưới dạng giá trị tuyệt đối bởi

phương trình sau:

150

Độ lưỡng chiết (B) = | ne – no |

trong đó ne và no tương ứng là chiết suất mà tia bất thường và tia thường chịu. Phương

trình này đúng cho bất kì phần nào hoặc mảnh vỡ nào của một tinh thể dị hướng, với

ngoại lệ là trường hợp sóng ánh sáng truyền dọc theo trục quang của tinh thể. Vì giá trị

chiết suất đối với mỗi thành phần có thể biến thiên, nên giá trị tuyệt đối của độ lệch

này có thể xác định tổng lượng lưỡng chiết, nhưng dấu lưỡng chiết sẽ có giá trị âm

hoặc dương. Việc xác định dấu lưỡng chiết bằng phương pháp phân tích được sử dụng

để phân các chất dị hướng thành loại, gọi là chất lưỡng chiết dương hoặc chất lưỡng

chiết âm. Độ lưỡng chiết của vật không phải là một giá trị cố định, mà nó sẽ thay đổi

theo sự định hướng của tinh thể tương đối so với góc tới của ánh sáng.

Hiệu quang trình là một khái niệm quang cổ điển liên quan tới độ lưỡng chiết,

và cả hai được định nghĩa bằng sự lệch pha tương đối giữa tia thường và tia bất thường

khi chúng ló khỏi một chất dị hướng. Nói chung, hiệu quang trình được tính bằng cách

nhân chiều dày vật với chiết suất, nhưng chỉ khi môi trường là đồng nhất và không

chứa sự lệch hay gradient chiết suất đáng kể. Đại lượng này, cũng như giá trị lưỡng

chiết, thường được biểu diễn bằng nanomét và tăng lên khi chiều dày vật tăng lên. Đối

với một hệ có hai giá trị chiết suất (n1 và n2), thì hiệu quang trình () được xác định

bằng phương trình

Hiệu quang trình () = (n1 – n2) t (chiều dày)

Để xét mối quan hệ pha và sự chênh lệch vận tốc giữa tia thường và tia bất

thường sau khi chúng truyền qua một tinh thể lưỡng chiết, thì thường người ta phải xác

định đại lượng gọi là độ trễ tương đối. Như đã nói ở phần trên, hai tia sáng đó định

hướng sao cho chúng dao động vuông góc với nhau. Mỗi tia sẽ đi tới một môi trường

điện (chiết suất) hơi khác khi nó đi vào tinh thể và điều này sẽ ảnh hưởng tới vận tốc

mà tia sáng truyền qua tinh thể. Vì sự chênh lệch chiết suất, một tia sẽ truyền qua tinh

thể ở tốc độ chậm hơn tia kia. Nói cách khác, vận tốc của tia chậm hơn sẽ bị trễ so với

tia nhanh hơn. Giá trị trễ này (độ trễ tương đối) có thể xác định định lượng bằng

phương trình sau:

Độ trễ () = chiều dày (t) x độ lưỡng chiết (B)

hoặc = t | ne – no |

Trong đó là độ trễ định lượng của chất, t là chiều dày của tinh thể lưỡng chiết và B là

độ lưỡng chiết đo được, như đã định nghĩa ở phần trên. Các nhân tố góp phần vào giá

trị của độ trễ là độ lớn của sự chênh lệch chiết suất trong môi trường nhìn thấy bởi tia

thường và tia bất thường, và chiều dày của vật. Rõ ràng là chiều dày hoặc độ chênh

lệch chiết suất càng lớn thì mức độ trễ giữa các sóng càng lớn. Những quan sát ban đầu

thực hiện trên khoáng vật canxit cho thấy tinh thể canxit dày hơn gây ra sự chênh lệch

lớn hơn trong việc tách các ảnh nhìn thấy qua tinh thể, như hiện tượng minh họa trong

hình 3. Quan sát này phù hợp với phương trình trên, cho thấy độ trễ tăng lên theo chiều

dày tinh thể.

Hành trạng của tia sáng thường trong tinh thể lưỡng chiết có thể mô tả dạng một

đầu sóng cầu trên cơ sở nguyên lí Huygens về sóng phát ra từ một nguồn sáng điểm

trong môi trường đồng chất (như minh họa trong hình 5). Sự truyền các sóng này qua

tinh thể đẳng hướng xảy ra ở tốc độ không đổi vì chiết suất mà các sóng chịu là đồng

đều theo mọi hướng (hình 5(a)). Trái lại, đầu sóng mở rộng của các sóng bất thường,

151

chúng chạm tới sự dao động chiết suất như một hàm theo hướng (xem hình 5(b)), có

thể mô tả bằng một mặt elipsoid tròn xoay.

Hình 5. Sự truyền đầu sóng trong tinh thể dị hướng

Giới hạn trên và dưới của vận tốc sóng bất thường được xác định bởi trục dài và

trục ngắn của elipsoid (hình 5(c)). Đầu sóng đạt tới vận tốc cao nhất của nó khi truyền

theo hướng song song với trục dài của elipsoid, trục này cũng thường được gọi là trục

nhanh. Mặt khác, đầu sóng chậm nhất xuất hiện khi sóng truyền dọc theo trục ngắn của

elipsoid. Trục này được gọi là trục chậm. Giữa hai thái cực này, các đầu sóng truyền

theo hướng khác chịu một gradient chiết suất, tùy thuộc vào sự định hướng, và truyền

với vận tốc có giá trị trung gian.

Các chất tinh thể trong suốt thường được phân làm hai loại định rõ bởi số trục

quang có mặt trong mạng phân tử. Tinh thể một trục có một trục quang và gồm họ

hàng đông nhất của các chất lưỡng chiết phổ biến, như canxit, thạch anh, và các cấu

trúc tổng hợp hoặc sinh học có trật tự. Loại chủ yếu kia là tinh thể hai trục, chúng là

những chất lưỡng chiết có hai trục quang độc lập. Các đầu sóng thường và bất thường

trong tinh thể một trục trùng nhau tại trục chậm hoặc trục nhanh của elipsoid tùy thuộc

vào sự phân bố chiết suất bên trong tinh thể (minh họa trong hình 6). Hiệu quang trình

hoặc độ trễ tương đối giữa các tia này được xác định bởi sự trễ của một sóng phía sau

sóng kia trong mặt đầu sóng nằm dọc theo hướng truyền.

Trong trường hợp mà các đầu sóng thường và bất thường trùng nhau tại trục dài

hoặc trục chính của elipsoid, thì chiết suất mà sóng bất thường chịu lớn hơn so với

sóng thường (hình 6(b)). Tình huống này được gọi là lưỡng chiết dương. Tuy nhiên,

nếu các đầu sóng thường và bất thường chồng lấn tại trục chính của elipsoid (hình

6(a)), thì xảy ra tình huống ngược lại. Trong thực tế, chiết suất mà qua đó sóng thường

truyền vượt quá chiết suất của sóng bất thường, và chất đó được gọi là lưỡng chiết âm.

Biểu đồ elipsoid liên hệ sự định hướng và độ lớn tương đối của chiết suất trong tinh

thể được gọi là elipsoid chiết suất, và như minh họa trong hình 5 và 6.

152

Hình 6. Elipsoid chiết suất

Trở lại với tinh thể canxit biểu diễn trong hình 2, tinh thể được minh họa đó có

trục quang nằm tại góc trên bên trái. Khi đi vào tinh thể, sóng ánh sáng thường bị khúc

xạ mà không bị lệch khỏi góc tới bình thường như thể nó truyền qua một môi trường

đẳng hướng. Còn sóng bất thường bị lệch sang bên trái và truyền đi với vectơ điện

trường vuông góc với vectơ điện trường của sóng thường. Vì canxit là tinh thể lưỡng

chiết âm, nên sóng thường là sóng chậm và sóng bất thường là sóng nhanh.

Các tinh thể lưỡng chiết trong kính hiển vi quang học phân cực

Như đã đề cập ở phần trên, ánh sáng bị khúc xạ kép qua tinh thể dị hướng bị

phân cực có hướng dao động vectơ điện trường của sóng thường và sóng bất thường

định hướng vuông góc với nhau. Hành trạng của các tinh thể dị hướng dưới sự chiếu

sáng phân cực trực giao trong kính hiển vi quang học bây giờ có thể xác định được.

Hình 7 minh họa một tinh thể lưỡng chiết (dị hướng) đặt giữa hai bản phân cực có

hướng dao động vuông góc với nhau (và nằm theo hướng chỉ bởi mũi tên hướng tới kí

hiệu bản phân cực và bản phân tích).

Ánh sáng trắng không phân cực từ đèn rọi đi vào bản phân cực ở bên trái và bị

phân cực thẳng và định hướng theo hướng chỉ bởi mũi tên (sát bên kí hiệu bản phân

cực) và được biểu diễn tùy tiện bằng một sóng ánh sáng sin màu đỏ. Sau đó, ánh sáng

phân cực đi vào tinh thể dị hướng (gắn trên bàn soi hiển vi), ở đó nó bị khúc xạ và chia

tách thành hai thành phần tách biệt dao động song song với trục tinh thể và vuông góc

với nhau. Sóng ánh sáng phân cực sau đó truyền qua bản phân tích (có hướng phân cực

được chỉ bởi mũi tên kế bên kí hiệu bản phân tích), chỉ cho phép những thành phần

sóng ánh sáng song song với trục truyền bản phân tích đi qua. Độ trễ tương đối của tia

này so với tia kia được biểu thị bằng một phương trình (chiều dày nhân với hiệu chiết

suất) liên quan tới sự dao động tốc độ giữa tia thường và tia bất thường bị khúc xạ bởi

tinh thể dị hướng.

Để kiểm tra chặt chẽ hơn xem các tinh thể lưỡng chiết, dị hướng tương tác với

ánh sáng phân cực trong kính hiển vi quang học như thế nào, sẽ phải xét đến tính chất

của từng tinh thể một. Chất là tinh thể lưỡng chiết, giả sử có hình bốn cạnh, có một

trục quang định hướng theo phương song song với trục dài của tinh thể. Sự rọi sáng

trong hình 8 biểu diễn tinh thể như nó sẽ xuất hiện trong thị kính của kính hiển vi dưới

sự rọi sáng phân cực trực giao khi nó quay xung quanh trục quang kính hiển vi. Trong

mỗi khung của hình 8, trục của bản phân cực kính hiển vi được chỉ rõ bởi kí tự in hoa

P và định hướng Đông-Tây (nằm ngang). Trục của bản phân tích kính hiển vi được chỉ

bằng kí tự A định hướng Bắc-Nam (thẳng đứng). Các trục này vuông góc với nhau và

153

gây ra vùng tối hoàn toàn khi quan sát qua thị kính không có mẫu vật nào trên bàn soi

hiển vi.

Hình 7. Tinh thể lưỡng chiết giữa hai bản phân cực trực giao

Hình 8(a) minh họa tinh thể dị hướng hình 4 cạnh, lưỡng chiết ở tình trạng định

hướng trong đó trục (quang) dài của tinh thể nằm song song với trục truyền của bản

phân tích. Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua bản phân tích, và rồi qua tinh

thể, dao động trong mặt phẳng song song với hướng của bản phân tích. Vì không có

ánh sáng nào tới trên tinh thể bị khúc xạ thành sóng thường và sóng bất thường phân

kì, nên sóng ánh sáng đẳng hướng truyền qua tinh thể không tạo ra được dao động

vectơ điện trong hướng chính xác để truyền qua bản phân tích và mang lại hiệu ứng

giao thoa (xem mũi tên nằm ngang trong hình 8(a) và phần dưới đây). Kết quả là tinh

thể rất tối, hầu như không nhìn thấy được trên nền màu đen. Đối với nhiều kết quả rọi

sáng, tinh thể mô tả trong hình 8(a) không tắt hoàn toàn (như khi nó nằm giữa các bản

phân cực trực giao) mà truyền qua một phần nhỏ ánh sáng đỏ, cho phép người đọc lưu

ý đến vị trí của tinh thể.

Các nhà hiển vi học kinh điển thường gọi sự định hướng này là vị trí dập tắt đối

với tinh thể, nó đóng vai trò quan trọng làm một điểm tham chiếu để xác định chiết

suất của chất dị hướng bằng kính hiển vi phân cực. Bằng cách gỡ bỏ bản phân tích

trong kính hiển vi phân cực trực gíao, thì một hướng cho phép của dao động sáng

truyền qua bản phân cực tương tác với chỉ một thành phần điện trong tinh thể lưỡng

chiết. Kĩ thuật đó cho phép sự chia tách của một chiết suất cho phép đo. Sau đó, chiết

suất còn lại của chất lưỡng chiết có thể đo bằng cách quay bản phân cực đi 90 độ.

Tình huống rất khác đi trong hình 8(b), trong đó trục (quang) dài của tinh thể

bây giờ nằm ở một góc xiên () so với trục truyền của bản phân cực, một tình huống

xảy ra qua sự quay bản soi kính hiển vi. Trong trường hợp này, một phần ánh sáng đi

tới trên tinh thể từ bản phân cực được truyền lên bản phân tích. Để nhận được ước tính

định lượng của lượng ánh sáng truyền qua bản phân tích, một phép phân tích vectơ đơn

giản có thể được áp dụng để giải quyết vấn đề này. Bước thứ nhất là xác định những

đóng góp từ bản phân cực cho o và e (xem hình 8(b), các kí hiệu đại diện cho tia

thường (o) và tia bất thường (e), chúng đã được nói tới trong phần trước). Chiếu các

vectơ xuống trục của bản phân cực, và giả sử một giá trị 1 tùy ý cho cả o và e, chúng tỉ

lệ với cường độ thật sự của tia thường và tia bất thường. Những đóng góp từ bản phân

cực cho o và e được minh họa bằng các mũi tên màu đen có kí hiệu x và y trên trục bản

phân cực (P) trong hình 8(b). Những chiều dài này sau đó được đo lên các vectơ o và e

154

(minh họa bằng các mũi tên màu đỏ biểu diễn các vectơ), sau đó cộng lại tạo nên vectơ

tổng hợp r’. Chiếu vectơ tổng lên trục bản phân tích (A) tạo ra giá trị tuyệt đối R. Giá

trị của R trên trục bản phân tích tỉ lệ với lượng ánh sáng truyền qua bản phân tích. Kết

quả cho thấy một phần ánh sáng từ bản phân cực truyền qua bản phân tích và tinh thể

lưỡng chiết biểu hiện một số mức độ sáng ngời.

Hình 8. Sự định hướng của tinh thể lưỡng chiết trong ánh sáng phân cực

Độ sáng cực đại đối với chất lưỡng chiết quan sát thấy khi trục (quang) dài của

tinh thể định hướng hợp góc 45 độ so với cả bản phân cực và bản phân tích, như minh

họa trong hình 8(c). Chiếu vectơ o và e xuống trục bản phân cực (P) xác định những

đóng góp từ bản phân cực cho những vectơ này. Khi những hình chiếu này được đo lên

vectơ, vectơ tổng có thể xác định bằng cách hoàn chỉnh một tam giác đến trục của bản

phân tích (A). Kĩ thuật vừa mô tả sẽ chỉ hoạt động đối với sự định hướng của bất kì

tinh thể nào so với trục bản phân cực và bản phân tích, vì o và e luôn luôn vuông góc

với nhau, chỉ có sự chênh lệch về định hướng của o và e so với trục tinh thể mà thôi.

Khi các tia thường và bất thường ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng vẫn dao

động vuông góc với nhau. Tuy nhiên, các thành phần của những sóng này truyền qua

bản phân tích đang dao động trong cùng một mặt phẳng (như minh họa trong hình 8).

Vì sóng này trễ so với sóng kia, nên giao thoa (tăng cường hoặc triệt tiêu) xảy ra giữa

các sóng khi chúng truyền qua bản phân tích. Kết quả chung cuộc là một số chất lưỡng

chiết có được một phổ màu sắc khi quan sát trong ánh sáng trắng qua các bản phân cực

trực giao.

Phân tích định lượng màu sắc giao thoa quan sát thấy ở vật lưỡng chiết thường

được thực hiện bằng cách tham khảo biểu đồ Michel-Levy giống như biểu đồ minh họa

trong hình 9. Như đã rõ ràng từ biểu đồ này, các màu phân cực được hình dung trong

kính hiển vi và ghi lên phim hoặc chụp kĩ thuật số có thể tương quan với độ trễ thực tế,

chiều dày, và độ lưỡng chiết của vật. Biểu đồ tương đối dễ sử dụng với các vật lưỡng

chiết nếu hai trong số ba biến yêu cầu đã được biết. Khi vật được đặt giữa các bản

phân cực trực giao trong kính hiển vi và quay đến vị trí có độ sáng cực đại bằng bất kì

một trong số nhiều đĩa trễ đa dạng, thì màu sắc hình dung được trong thị kính có thể

cho biết trục trễ để tìm sự chênh lệch bước sóng giữa các sóng thường và bất thường

truyền qua vật. Bằng cách đo chiết suất của vật dị hướng và tính độ chênh lệch (lưỡng

chiết) của chúng, thì màu sắc giao thoa có thể được xác định từ các giá trị lưỡng chiết

dọc theo phần trên của biểu đồ. Bằng cách ngoại suy các đường xiên góc trở lại trục

tung, thì có thể ước tính được chiều dày của vật.

155

Hình 9. Biểu đồ lưỡng chiết Michel-Levy

Phần phía dưới của biểu đồ Michel-Levy (trục x) đánh dấu các bậc trễ theo bội

của gần 550 nanomét. Khu vực giữa 0 và 550nm được gọi là bậc 1 của màu sắc phân

cực, và màu đỏ tươi xuất hiện trong vùng 550nm thường được gọi là màu đỏ bậc 1.

Các màu nằm giữa 550 và 1000nm được gọi là các màu bậc 2, và cứ thế tiếp tục trong

biểu đồ. Màu đen tại nơi bắt đầu của biểu đồ gọi là màu đen bậc 0. Nhiều biểu đồ

Michel-Levy in trong các sách giáo khoa vẽ các màu bậc cao lên tới bậc 5 hoặc bậc 6.

Khu vực nhạy cảm nhất của biểu đồ là màu đỏ bậc 1 (550nm), vì chỉ một sự

thay đổi nhỏ trong độ trễ đã làm cho màu sắc lệch đột ngột lên vùng bước sóng lục lam

hoặc xuống màu vàng. Nhiều nhà chế tạo kính hiển vi đã khai thác sự nhạy này bằng

cách cung cấp một đĩa trễ toàn sóng hoặc bộ phận bù màu đỏ bậc 1 với kính hiển vi

phân cực của họ để hỗ trợ các nhà khoa học trong việc xác định các tính chất của chất

lưỡng chiết.

Phân loại sự lưỡng chiết

Mặc dù lưỡng chiết là một tính chất cố hữu của nhiều tinh thể dị hướng, như

canxit và thạch anh, nhưng nó cũng có thể phát sinh từ những nhân tố khác, như trật tự

cấu trúc, ứng suất vật lí, sự biến dạng, sự chảy qua một ống dẫn giới hạn, và sức căng.

Lưỡng chiết bản chất là thuật ngữ dùng để mô tả các chất xuất hiện tự nhiên có sự

không đối xứng về chiết suất phụ thuộc theo hướng. Những chất này bao gồm nhiều

tinh thể dị hướng tự nhiên và tổng hợp, các khoáng vật, và các hóa chất.

Lưỡng chiết cấu trúc là thuật ngữ dùng để chỉ nhiều chất dị hướng, gồm các bộ

phận phân tử vĩ mô sinh học như nhiễm sắc thể, sợi cơ, các vi ống, tinh thể lỏng ADN,

và những cấu trúc protein có thớ như sợi tóc. Không giống như nhiều dạng lưỡng chiết

khác, lưỡng chiết cấu trúc thường nhạy với gradient chiết suất trong môi trường xung

quanh. Ngoài ra, nhiều chất tổng hợp cũng biểu hiện sự lưỡng chiết cấu trúc, gồm các

loại sợi, polyme chuỗi dài, chất dẻo và composite.

Lưỡng chiết ứng suất và sức căng xảy ra do các lực bên ngoài và/hoặc sự biến

dạng tác dụng lên chất không lưỡng chiết tự nhiên. Ví dụ là các màng và sợi bị kéo

căng, thủy tinh biến dạng và thấu kính plastic, và các lớp polyme bị kéo căng. Cuối

cùng, lưỡng chiết dòng chảy có thể xảy ra do sự xếp hàng của chất như polyme không

đối xứng trở nên có trật tự trong sự có mặt của dòng chất lỏng. Các phân tử hình que

và dạng đĩa, và các cơ cấu phân tử vĩ mô như phân tử nặng ADN và chất tẩy rửa,

thường được dùng như những ứng cử viên cho nghiên cứu sự lưỡng chiết dòng chảy.

156

Tóm lại, lưỡng chiết là một hiện tượng biểu hiện bởi sự không đối xứng của các

tính chất có thể là về bản chất quang học, điện học, cơ học, âm học, hoặc từ học. Nhiều

chất biểu hiện mức độ lưỡng chiết khác nhau, nhưng điều hấp dẫn nhất đối với với các

nhà hiển vi quang học là những vật đó trong suốt và sẵn sàng quan sát được bằng ánh

sáng phân cực.

157

ÁNH SÁNG VÀ NĂNG LƯỢNG

Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả trực tiếp

dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang lại thực phẩm,

nước và cả không khí. Kiến thức của chúng ta về giá trị của các tia sáng Mặt Trời suy

đi nghĩ lại quẩn quanh theo kiểu mà chúng ta thu lợi từ nguồn năng lượng đó, nhưng

có những liên hệ còn cơ bản hơn nhiều xuất phát từ mối liên quan giữa ánh sáng và

năng lượng. Dù cho loài người có nghĩ ra được những cơ chế tài tình để khai thác năng

lượng Mặt Trời hay không thì hành tinh của chúng ta và môi trường luôn luôn biến đổi

chứa trong nó vốn bị chi phối bởi năng lượng của ánh sáng Mặt Trời.

Hình 1. Biểu tượng thần Mặt Trời thời Cổ đại

Chúng ta đều biết rằng nếu như Mặt Trời không mọc, thì thời tiết của chúng ta

sẽ chuyển sang mùa đông lạnh lẽo mãi mãi, ao hồ và sông suối sẽ đóng băng khắp nơi,

và thực vật và động vật sẽ nhanh chóng bị diệt vong. Các động cơ sẽ không hoạt động

được, và chúng ta không có cách nào để chuyên chở thực phẩm hoặc nhiên liệu, hoặc

để phát ra điện. Với chất đốt hạn chế để tạo ra lửa, loài người sẽ sớm không còn nguồn

thắp sáng hoặc nguồn cấp nhiệt. Tuy nhiên, với sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về

hệ Mặt Trời, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng Mặt Trời sẽ mọc lên vào ngày mai,

như trước nay nó vẫn mọc kể từ khi Trái Đất lần đầu tiên cô đặc lại từ một đám mây

khí của các mảnh vụn vũ trụ. Trong quá khứ chưa lâu lắm, loài người không chắc chắn

lắm về điều này. Họ không thể giải thích được tại sao Mặt Trời lại chuyển động ngang

qua bầu trời, họ cũng không biết cách thức nó tạo ra ánh sáng khác biệt giữa ngày và

đêm. Nhiều nền văn minh đã ghi nhận tầm quan trọng của Mặt Trời, tôn thờ ngôi sao

gần chúng ta nhất này làm thần thánh (xem hình 1) với niềm hi vọng là nó sẽ không

biến mất.

Lượng năng lượng rơi lên bề mặt Trái Đất đến từ Mặt Trời khoảng chừng 5,6 tỉ

tỉ megajun mỗi năm. Tính trung bình cho toàn bộ bề mặt Trái Đất, điều này có nghĩa là

mỗi mét vuông nhận được chừng 5 kWh mỗi ngày. Năng lượng đến từ Mặt Trời trong

một ngày có thể cung cấp nhu cầu cho toàn bộ dân cư của Trái Đất trong ba thập kỉ. Rõ

ràng là không có phương tiện nào có khả năng (và cũng không cần thiết) khai thác toàn

bộ nguồn năng lượng có sẵn này, cũng hiển nhiên là việc nắm bắt cả một phần nhỏ của

nguồn năng lượng có sẵn này ở dạng có thể sử dụng được sẽ có giá trị rất lớn.

Mặc dù toàn bộ năng lượng chạm đến bầu khí quyển Trái Đất xuất phát từ Mặt

Trời là thật đáng kinh ngạc, nhưng nó không có mức độ tập trung rất cao so với các

dạng năng lượng khác mà chúng ta sử dụng, ví dụ như lửa, các loại đèn nóng sáng và

158

các lò sưởi điện. Vì vậy, bất cứ phương tiện nào bắt lấy năng lượng Mặt Trời cũng

phải chiếm một diện tích tương đối lớn để làm tập trung có hiệu quả phần năng lượng

cần thiết. Chỉ trong vài thập niên gần đây, loài người mới bắt đầu tìm kiếm nghiêm túc

cơ chế khai thác tiềm năng khổng lồ của năng lượng Mặt Trời. Mối quan tâm lớn này

có nguyên do từ sức tiêu thụ năng lượng liên tục tăng lên, làm phát sinh các vấn đề

môi trường và mối lo ngại về sự cạn kiệt không thể tránh khỏi của các nguồn nhiên

liệu hóa thạch mà chúng ta ngày càng phụ thuộc nhiều vào chúng.

Cung cấp năng lượng cho sự sống

Năng lượng Mặt Trời có liên quan mật thiết tới sự tồn tại của mọi sinh vật sống

có mặt trên hành tinh này và cách thức mà các dạng sống buổi đầu phát triển trên Trái

Đất nguyên thủy, sau cùng tiến hóa thành những dạng hiện tại của chúng. Hiện nay,

các nhà khoa học nhận thấy cây cối hấp thụ nước và carbon dioxide từ môi trường, và

sử dụng năng lượng từ Mặt Trời (xem hình 2) chuyển hóa các chất đơn giản này thành

glucose và oxygen. Với glucose là viên gạch cấu trúc cơ bản, cây cối tổng hợp nên một

số chất hóa sinh phức tạp chứa carbon để sinh trưởng và duy trì sự sống. Quá trình này

gọi là sự quang hợp và là cơ sở của sự sống trên Trái Đất.

Các nhà khoa học vẫn chưa làm sáng tỏ được cơ chế phức tạp mà qua đó sự

quang hợp xảy ra, nhưng quá trình này đã tồn tại hàng triệu năm nay rồi và sự thích

nghi rất sớm trong lịch sử tiến hóa của sự sống. Những sinh vật sống đầu tiên là các

sinh vật hướng hóa chất, lớn lên bằng cách thu năng lượng từ những phản ứng hóa học

đơn giản. Từ những tổ chức nguyên thủy này, tế bào ra đời có thể thu năng lượng cần

thiết từ sự quang hợp, tạo ra sản phẩm là oxygen. Đơn giản nhất trong nhóm các cơ thể

sống này là cyanobacteria. Sinh vật một tế nào chưa có nhân thật thuộc loại này là sinh

vật sống lớn tuổi nhất trên hành tinh chúng ta, và người ta tin rằng chúng là dạng sống

thống trị trên Trái Đất hơn 2 tỉ năm. Các nhà địa chất đã tìm thấy những khối

cyanobacteria hóa thạch lớn, gọi là stromatolite, trên ba tỉ năm tuổi (một số mẫu vật

khác có thể tìm thấy ở vùng biển nông duyên hải Australia).

Hình 2. Hướng sáng để phát triển

Trước khi các sinh vật quang hợp phát triển, có rất ít oxygen trong bầu khí

quyển Trái Đất, nhưng một khi quá trình tạo oxygen bắt đầu, khi đó tồn tại khả năng

có các sinh vật tiến hóa cần oxygen. Do lượng năng lượng rất lớn có sẵn từ Mặt Trời,

nên khả năng nhận được các thành phần cần thiết cho sự sống là nguồn cung cấp Mặt

Trời có thể thực hiện dễ dàng với những dạng thức sống phức tạp hơn nhiều trước khi

quá trình quang hợp tiến triển.

159

Đa số cây cối lớn lên trên đất, và nếu bị nhổ lên, chúng sẽ chết. Trong nhiều thế

kỉ, loài người tin rằng cây cối sinh sôi là nhờ ăn đất. Những phép đo tỉ mỉ sự tăng

trưởng của cây xanh đã được thực hiện bởi nhà khoa học người Bỉ, Jan Baptista van

Helmont, vào đầu thế kỉ 17. Van Helmont đã chứng minh được một cái cây đang lớn

tăng trọng nhiều hơn lượng đất bị mất, và kết luận rằng cây xanh được nuôi dưỡng

bằng một thứ gì đó, ngoài đất ra. Cuối cùng, ông kết luận cây lớn lên, một phần. là nhờ

nước. Hơn nửa thế kỉ sau, nhà sinh lí học người Anh Stephen Hales phát hiện thấy cây

xanh cũng cần có không khí để trưởng thành, và, thật ngạc nhiên, ông nhận thấy cây

cối hấp thụ khí carbon dioxide từ không khí.

Nhà hóa học người Anh Joseph Priestley là nhà nghiên cứu đầu tiên nhận thấy

cây xanh giải phóng oxygen khi chúng khỏe mạnh và tăng trưởng. Thí nghiệm của ông

chứng minh cho quá trình quang hợp, và cho thấy hô hấp và quang hợp là những quá

trình có liên quan, nhưng hoạt động theo chiều ngược nhau. Thí nghiệm nổi tiếng nhất

của Priestley (khoảng năm 1772) chứng minh rằng một cây nến sẽ nhanh chóng tắt nếu

đặt nó trong một cái bình hình chuông, nhưng nó sẽ cháy trở lại trong cùng không khí

đó nếu như đặt một cây xanh trong đó vài ngày. Ông kết luận cây xanh có thể “hoàn

trả” phần không khí bị “tổn hại” bởi ngọn nến cháy. Trong những thí nghiệm khác,

Priestley chứng minh được rằng một con chuột đặt trong bình sẽ “làm tổn hại” không

khí theo kiểu giống như cây nến, nhưng có thể thở trong không khí sau khi “hoàn trả”,

dẫn đến quan điểm cho rằng hô hấp và quang hợp là hai quá trình ngược nhau. Theo

lời Priestley thì “phần không khí đó sẽ hoặc là làm tắt ngọn nến, hoặc là hoàn toàn bất

tiện cho con chuột mà tôi đặt vào đó”. Priestley đã phát hiện ra một chất sau này được

đặt tên là oxygen, bởi nhà hóa học người Pháp Antoine Laurent Lavoisier, người

nghiên cứu mối quan hệ giữa sự cháy và không khí.

Một yếu tố then chốt để hiểu được sự quang hợp vẫn còn thiếu, mãi cho đến khi

nhà sinh lí học người Hà Lan Jan Ingenhousz xác định được, vào năm 1778, rằng cây

xanh chỉ hấp thụ carbon dioxide và giải phóng oxygen khi nào chúng phơi ra trước ánh

sáng. Cuối cùng, nhà vật lí người Đức, Julius Robert Mayer đã chính thức hóa ý tưởng

cho rằng năng lượng được chuyển hóa từ ánh sáng để tạo ra một hóa chất mới trong

cây xanh đang sinh trưởng. Mayer tin rằng một quá trình hóa học thích hợp (ngày nay

gọi là oxy hóa) là nguồn năng lượng cơ bản đối với một cơ thể sống.

Quang hợp, có nghĩa là “kết hợp với nhau bằng ánh sáng”, là quá trình mà qua

đó hầu như tất cả mọi cây xanh, một số vi khuẩn, và một vài sinh vật nguyên thủy khai

thác năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời để tạo ra đường (và oxygen là sản phẩm). Sự

chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học phụ thuộc vào một chất

gọi là chlorophyll, sắc tố màu xanh lá cây đã mang lại màu xanh cho chiếc lá. Không

phải tất cả cây cối đều có lá, nhưng chúng thật sự rất có hiệu quả trong việc chuyển

hóa quang năng thành hóa năng. Thường thì những chiếc lá hay được xem là những

máy thu Mặt Trời sinh học, được trang bị hàng loạt tế bào nhỏ xíu thực hiện quang hợp

ở cấp độ vi mô.

160

Hình 3. Cấu trúc của tế bào lạp lục

Sắc tố được định nghĩa là chất hấp thụ và phản xạ ánh sáng khả kiến. Đa phần

sắc tố là những chất có màu, biểu hiện màu nhất định phụ thuộc vào sự phân bố bước

sóng ánh sáng phản xạ và hấp thụ. Mỗi sắc tố có phổ hấp thụ đặc trưng riêng của nó,

xác định phần phổ trên đó sắc tố thu nhận có hiệu quả năng lượng từ ánh sáng.

Chlorophyll, chất hóa sinh phổ biến với mọi cơ thể quang hợp, phản xạ bước sóng màu

xanh lá cây (trung bình) và hấp thụ các bước sóng xanh-tím và đỏ-cam ở hai đầu dải

phổ ánh sáng khả kiến.

Chlorophyll là một phân tử phức hợp tồn tại ở vài biến thể hoặc đồng phân

trong cây xanh và các cơ thể quang hợp khác. Tất cả sinh vật thực hiện quang hợp đều

chứa loại chất gọi là chlorophyll a. Nhiều sinh vật khác cũng chứa các sắc tố phụ, gồm

những chlorophyll khác, carotenoid và xanthophyll, hấp thụ những bước sóng khác

trong phổ khả kiến. Như vậy, cây xanh có thể thích ứng với những nhân tố môi trường

nhất định tác động bản chất của ánh sáng có sẵn lên chúng theo kiểu thích hợp. Các

nhân tố như chiều sâu và chất lượng nước ảnh hưởng mạnh đến bước sóng ánh sáng có

sẵn trong môi trường sông nước và môi trường biển khác nhau, và đóng vai trò to lớn

trong nhiệm vụ quang hợp của phytoplankon và những loài sinh vật nguyên thủy khác.

Khi một sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, năng lượng hoặc có thể tiêu tan

dưới dạng nhiệt, phát ra ở bước sóng dài hơn dưới dạng huỳnh quang, hoặc nó có thể

gây ra một phản ứng hóa học. Các màng và cấu trúc nhất định trong sinh vật quang

hợp đóng vai trò đơn vị cấu trúc của sự quang hợp vì chlorophyll sẽ chỉ tham gia và

những phản ứng hóa học khi phân tử đó tương thích với protein gắn trên màng (ví dụ

như lục lạp, hình 3). Quang hợp là một quá trình hai giai đoạn, và trong cơ thể có lục

lạp, hai khu vực cấu trúc khác nhau này nằm trong những quá trình riêng. Một quá

trình phụ thuộc ánh sáng (thường gọi là phản ứng sáng) xảy ra trong hạt xếp cọc, trong

khi một quá trình phụ thuộc ánh sáng thứ hai (phản ứng tối) xảy ra đồng thời trong

chất nền của lục lạp (hình 3). Người ta cho rằng phản ứng tối có thể xảy ra trong sự

thiếu sáng chừng nào mà các hạt mang năng lượng phát triển trong phản ứng sáng có

mặt.

Giai đoạn thứ nhất của sự quang hợp xảy ra khi năng lượng từ ánh sáng được sử

dụng trực tiếp để tạo ra các phân tử mang năng lượng, như adonesine triphosphate

161

(ATP). Trong giai đoạn này, nước bị tách các thành phần của nó, và oxygen được giải

phóng dưới dạng sản phẩm. Các tác nhân vận chuyển năng lượng hóa sau đó được

dùng trong quá trình thứ hai và là quá trình cơ bản nhất của quá trình quang hợp: tạo ra

các liên kết carbon-carbon. Giai đoạn thứ hai không yêu cầu rọi sáng (quá trình tối) và

chịu trách nhiệm cung cấp chất dinh dưỡng cơ bản cho tế bào cây xanh, cũng như tổng

hợp chất liệu cho thành tế bào và các thành phần khác. Trong quá trình này, carbon

dioxide gắn với hydrogen tạo thành carbonhydrate, một họ chất hóa sinh chứa cùng số

nguyên tử carbon và phân tử nước. Nói chung, quá trình quang hợp không cho phép cơ

thể sống sử dụng trực tiếp năng lượng ánh sáng, mà yêu cầu bắt năng lượng trong giai

đoạn thứ nhất, tiếp theo sau là giai đoạn thứ hai của các phản ứng hóa sinh phức tạp

chuyển hóa năng lượng thành liên kết hóa học.

Hiện tượng quang điện

Một câu hỏi cơ bản phát sinh trong số các nhà khoa học, vào đầu những năm

1700, là khả năng tác động của ánh sáng lên vật chất, và bản chất và hàm ý của những

tương tác này. Vào thế kỉ 19, các nhà nghiên cứu đã xác định được ánh sáng có thể tạo

ra hạt mang điện khi chiếu vào bề mặt những kim loại nhất định. Những nghiên cứu

sau đó đưa tới khám phá thấy rằng hiện tượng này, ngày nay gọi là hiệu ứng quang

điện, làm tự do hoặc giải phóng các electron liên kết với các nguyên tử trong kim loại

(hình 4). Năm 1900, nhà vật lí người Đức, Phillip Lenard, xác nhận được nguồn phát

sinh điện tích là sự phát xạ electron, và tìm thấy mối quan hệ bất ngờ giữa bước sóng

ánh sáng và năng lượng và số electron được giải phóng. Bằng cách sử dụng ánh sáng

có bước sóng nhất định (lọc bằng một lăng kính), Lenard chứng minh được rằng năng

lượng từ electron giải phóng chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chứ không phụ

thuộc vào cường độ sáng. Ánh sáng cường độ thấp tạo ra ít electron hơn, nhưng mỗi

electron đều có năng lượng như nhau, bất chấp cường độ sáng. Hơn nữa, Lenard còn

nhận thấy ánh sáng có bước sóng ngắn giải phóng electron có năng lượng lớn hơn

năng lượng electron tự do được giải phóng bằng ánh sáng có bước sóng dài hơn.

Hình 4. Hiệu ứng quang điện

Lenard kết luận rằng cường độ ánh sáng xác định số electron được giải phóng

bởi hiện tượng quang điện, và bước sóng ánh sáng xác định lượng năng lượng nội tại

chứa trong mỗi electron được giải phóng. Vào lúc ấy, sự tương tác bất thường này giữa

ánh sáng và vật chất đã đưa ra một nan đề mà nền vật lí cổ điển không thể nào giải

thích nổi. Hiệu ứng quang điện là một trong số vài vấn đề lí thuyết mà các nhà vật lí

vướng phải vào những năm 1900 do niềm tin rộng rãi vào thuyết sóng ánh sáng. Mãi

cho đến khi một nhà vật lí Đức khác, Max Planck, đề ra một lí thuyết thay thế. Planck

cho rằng ánh sáng, và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải liên tục, mà gồm

162

những gói năng lượng (lượng tử) rời rạc. Thuyết lượng tử của ông, mà với nó ông đã

nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1918, giải thích cách ánh sáng có thể, trong một số

trường hợp, được xem là hạt tương đương với lượng tử năng lượng, là lí thuyết kế thừa

tư tưởng của Isaac Newton, người cũng tin ánh sáng là hạt vào hai trăm năm trước đó.

Albert Einstein đã dựa trên các nguyên lí lượng tử của Planck giải thích hiệu

ứng quang điện trong một lí thuyết cơ sở sẽ dung hòa bản chất sóng liên tục của ánh

sáng với hành trạng hạt của nó. Lập luận cho lối giải thích của Einstein là ánh sáng có

bước sóng nhất định xử sự như thể nó gồm các hạt rời rạc, ngày nay gọi là photon, tất

cả có chung năng lượng. Hiệu ứng quang điện xảy ra do mỗi electron bị bật ra là kết

quả của một va chạm giữa một photon từ ánh sáng và một electron trong kim loại. Ánh

sáng có cường độ lớn hơn chỉ gây ra nhiều photon hơn va chạm lên kim loại trong một

đơn vị thời gian, tương ứng làm bật ra nhiều electron hơn. Năng lượng của mỗi

electron phát ra phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của ánh sáng gây ra sự phát xạ, với

ánh sáng tần số cao hơn sẽ tạo ra electron có năng lượng cao hơn. Sự tỉ lệ giữa năng

lượng photon và tần số ánh sáng được mô tả bằng định đề cơ bản Planck của thuyết

lượng tử, lí thuyết liên kết thuyết hạt và thuyết sóng, sau này được phát triển thành cơ

sở của cơ học lượng tử.

Planck ban đầu đưa ra một mối quan hệ cơ sở giữa năng lượng và tần số là một

phần lí thuyết của ông về cơ chế mà các chất rắn phát ra bức xạ khi bị nung nóng (bức

xạ vật đen). Định đề nổi tiếng phát biểu rằng năng lượng (E) của photon tới bằng với

tần số (f) của ánh sáng nhân với một hằng số (h), ngày nay gọi là hằng số Planck. Mối

quan hệ đơn giản đó được biểu diễn như sau:

E = hf

Hiệu ứng quang điện biểu hiện ở ba dạng: quang điện ngoài, quang dẫn, và

quang điện trong, dạng thứ ba là đáng kể nhất đối với sự chuyển hóa năng lượng sáng

thành năng lượng điện. Hiệu ứng quang điện ngoài xảy ra khi ánh sáng va chạm lên

một bề mặt kim loại chuẩn bị trước, ví dụ cesium, và chuyển hóa đủ năng lượng làm

bật electron vào không gian tự do gần kề bề mặt đó. Trong tế bào quang điện, electron

bật ra bị hút bởi cực dương, và khi áp vào một hiệu điện thế thì một dòng điện phát

sinh sau đó tỉ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng tới lên tế bào. Hiệu ứng quang điện

ngoài được mô tả kĩ lưỡng đối với các vùng năng lượng cao, ví dụ như vùng phổ tia X

và tia gamma, và các tế bào thuộc loại này thường được sử dụng để phát hiện và

nghiên cứu các hiện tượng xảy ra ở những mức năng lượng này.

Nhiều chất biểu hiện sự thay đổi đáng kể độ dẫn điện khi bị rọi sáng, và tính

chất quang dẫn của chúng có thể được khai thác để đóng mở các dụng cụ điện, cũng

như những ứng dụng khác. Trong các chất có độ dẫn điện cao, như kim loại, sự thay

đổi độ dẫn điện có thể không đáng kể. Tuy nhiên, trong chất bán dẫn, sự thay đổi này

có thể khá lớn. Vì sự tăng độ dẫn điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng chạm tới chất liệu,

nên dòng điện là một dòng ngoài sẽ tăng theo cường độ ánh sáng. Loại tế bào này

thường được dùng trong những bộ cảm biến ánh sáng để thực hiện những công việc

như bật và tắt đèn đường và đèn chiếu sáng trong nhà.

Hiệu ứng quang điện trong và pin Mặt Trời

Tế bào Mặt Trời chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, hoặc

gián tiếp bằng cách trước tiên chuyển nó thành năng lượng nhiệt, hoặc qua một quá

163

trình trực tiếp gọi là hiệu ứng quang điện trong. Các loại tế bào Mặt Trời phổ biến nhất

dựa trên hiệu ứng quang điện trong, xảy ra khi ánh sáng rơi vào một chất bán dẫn hai

lớp tạo ra một sự chênh lệch điện thế, hay hiệu điện thế, giữa hai lớp. Hiệu điện thế tạo

ra trong tế bào có thể điều khiển dòng điện qua một mạch điện ngoài có thể dùng làm

dụng cụ cấp điện.

Năm 1839, nhà vật lí Pháp Edmund Becquerel phát hiện thấy ánh sáng chiếu

vào hai điện cực giống hệt nhau đặt ngập trong một dung dịch dẫn điện yếu sẽ tạo ra

một hiệu điện thế. Hiệu ứng này không hiệu quả lắm để tạo ra dòng điện, và vì không

có ứng dụng thực tế nào vào lúc đó, nên nó vẫn chỉ là một sự hiếu kì trong nhiều năm.

Vài thập kỉ sau, sự quang dẫn của selenium được khám phá bởi Willoughby Smith

trong lúc ông đang kiểm tra các chất để phát triển cáp viễn thông dưới nước. Một mô

tả của tế bào quang điện selenium đầu tiên được công bố vào năm 1877, và sức hấp

dẫn rất lớn thu được từ việc hiệu ứng quang điện trong được quan sát thấy trong chất

rắn. Nhà phát minh người Mĩ Charles Fritts đã chế tạo được tế bào Mặt Trời đầu tiên

cấu tạo từ bánh xốp selenium vào năm 1883, mặc dù tế bào của ông có hiệu chuyển

hóa chỉ khoảng 1-2%. Các ứng dụng thương mại thực dụng và công nghiệp không dễ

dàng có mặt ngay, và vào đầu thế kỉ 20 (sau phát minh ra bóng đèn điện), việc phát

điện bằng tuabin mới trở nên phổ biến. Sự hứng thú với hiệu ứng quang điện trong

nhanh chóng bị lu mờ, và đa số các nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung vào việc

điều khiển và ứng dụng dòng điện.

Sự hiểu biết toàn diện về hiện tượng bao hàm hiệu ứng quang điện trong không

có được, mãi cho tới khi thuyết lượng tử được phát triển. Các ứng dụng quang điện

trong ban đầu chủ yếu là cảm biến hoặc đo ánh sáng, chứ không phải tạo ra năng lượng

điện. Tác nhân cần thiết cho nghiên cứu trong lĩnh vực này đến từ mô tả của Einstein

về hiệu ứng quang điện và những thí nghiệm buổi đầu sử dụng tế bào quang điện thô

sơ. Tế bào Mặt Trời thực dụng đầu tiên phát sinh từ khám phá ra tính chất quang điện

trong chất bán dẫn silicon pha tạp chất. Các môđun Mặt Trời chế tạo bởi Phòng thí

nghiệm Bell trong năm 1954 được chế tạo từ các dẫn xuất tương tự silicon, và hoạt

động ở hiệu suất gần 6%. Vào năm 1960, tế bào quang điện trong được cải tiến đạt tới

hiệu suất 14%, một giá trị đủ ghi nhận để tạo ra các dụng cụ hữu dụng.

Ngày nay, những tế bào quang điện trong thông dụng nhất đều sử dụng vài lớp

silicon pha tạp, cùng loại chất bán dẫn được sử dụng để sản xuất chip máy tính. Chức

năng của chúng phụ thuộc vào chuyển động của các thực thể mang điện giữa các lớp

silion xen kẽ. Trong silicon tinh khiết, khi đủ năng lượng nhận vào (ví dụ, bằng cách

làm nóng), một số electron trong các nguyên tử silicon có thể thoát ra tự do khỏi liên

kết của chúng trong tinh thể, để lại phía sau một lỗ trống trong cấu trúc điện tử của

nguyên tử. Các electron tự do này chuyển động ngẫu nhiên qua chất rắn tìm lỗ trống

khác để kết hợp và giải phóng năng lượng thừa của chúng. Giữ vai trò các hạt mang

điện tự do, các electron có khả năng tạo ra dòng điện, mặc dù trong silicon tinh khiết

có quá ít chúng nên mức dòng điện là không đáng kể. Tuy nhiên, silicon có thể được

cải thiện bằng cách thêm vào những tạp chất nhất định sẽ làm tăng hoặc là số lượng

electron tự do (silicon loại n), hoặc là số lượng lỗ trống (chỗ thiếu electron, còn gọi là

silicon loại p). Vì cả lỗ trống và electrond đều lưu động bên trong mạng tinh thể silicon

cố định nên chúng có thể kết hợp để trung hòa lẫn nhau dưới sự tác động của một hiệu

điện thế. Silicon pha tạp theo kiểu này có đủ tính nhạy sáng để sử dụng trong các ứng

dụng quang điện trong.

164

Hình 5. Dòng electron và dòng điện trong tế bào Mặt Trời

Trong một tế bào quang điện trong điển hình, hai lớp bán dẫn silicon pha tạp

liên kết sít sao với nhau (xem hình 5). Một lớp được cải biến để có quá số electron tự

do (gọi là lớp n), còn lớp kia được điều chỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p). Khi hai lớp

bán dẫn khác nhau được ghép lại tại một ranh giới chung (gọi là tiếp giáp p-n),

electron tự do trong lớp n đi vào lớp p nhằm lắp đầy các lỗ trống. Sự kết hợp của

electron và lỗ trống tại tiếp giáp p-n tạo ra một rào cản ngăn số electron vượt qua tăng

thêm. Khi sự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cân bằng, một điện trường ổn định

được thiết lập qua ranh giới phân tách hai lớp.

Khi ánh sáng có bước sóng (và năng lượng) thích hợp chạm tới tế bào tách lớp

và bị hấp thụ, electron được tự do chuyển động về mọi phía. Những electron gần ranh

giới (tiếp giáp p-n) có thể băng qua tiếp giáp bởi điện trường cố định. Vì electron có

thể dễ dàng băng qua ranh giới, nhưng không thể quay trở lại theo hướng khác (chống

lại gradient điện trường) nên sẽ thu được sự bất cân bằng điện tích giữa hai vùng chất

bán dẫn. Những electron đi vào lớp n bởi hiệu ứng khu biệt hóa của trường ổn định có

xu hướng tự nhiên rời khỏi lớp đó để điều chỉnh sự bất cân bằng điện tích. Tiến về phía

này, các electron sẽ đi theo đường đi khác nếu như có đường đi đó. Bằng cách đặt một

dòng điện ngoài mà qua đó các electron có thể quay trở lại lớp kia, thì dòng điện sẽ

được tạo ra liên tục chừng nào mà ánh sáng còn chạm tới tế bào Mặt Trời. Trong cấu

trúc của tế bào quang điện trong, các lớp tiếp xúc kim loại được đặt vào mặt ngoài của

hai lớp bán dẫn, và cung cấp một đường dẫn tới mạch điện ngoài nối hai lớp lại. Kết

quả cuối cùng là việc tạo ra công suất điện thu được trực tiếp từ năng lượng ánh sáng.

Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào Mặt Trời biến thiên theo bước sóng của ánh sáng

tới, nhưng những chiếc tế bào tiêu biểu được chế tạo để sử dụng phổ bước sóng rộng

của ánh sáng ban ngày do Mặt Trời cung cấp. Lượng năng lượng tạo ra bởi tế bào phụ

thuộc vào bước sóng, với những bước sóng dài phát ra ít điện hơn những bước sóng

ngắn. Vì những tế bào hiện có thường thường tạo ra hiệu điện thế chỉ khoảng bằng với

tế bào đèn flash, nên cần phải ghép hàng trăm, hoặc thậm chí hàng ngàn tế bào lại để

tạo ra đủ điện cho những ứng dụng cần thiết. Một số xe ô tô chạy bằng năng lượng Mặt

Trời đã được chế tạo và đã hoạt động thành công ở tốc độ cao qua việc sử dụng một số

lượng lớn các tế bào Mặt Trời. Năm 1981, khí cầu Solar Challenger được bọc 16.000

tế bào Mặt Trời, tạo ra công suất hơn 3000 watt, đã bay qua eo biển Anh chỉ điều

khiển bằng ánh sáng Mặt Trời. Những kì công gây hứng thú như thế này đã làm tăng

thêm việc sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào

165

Mặt Trời vẫn còn trong thời kì chưa đủ độ chín, và nguồn năng lượng này vẫn chỉ mới

giới hạn trong những dụng cụ yêu cầu công suất thấp.

Các tế bào quang điện trong hiện nay sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lĩnh

vực chất bán dẫn silicon pha tạp chuyển hóa trung bình 18% (đạt giá trị lớn nhất vào

khoảng 25%) năng lượng ánh sáng tới thành dòng điện, so với 6% đối với những tế

bào sản xuất trong thập niên 1950. Ngoài những cải tiến về hiệu suất, người ta cũng

nghĩ ra những phương pháp mới để sản xuất những tế bào ít tốn kém hơn so với những

tế bào chế tạo từ silicon đơn tinh thể. Những cải tiến như thế bao gồm các màng mỏng

silicon tăng trưởng trên những bánh xốp silicon đa tinh thể ít đắt hơn nhiều. Silicon

không kết tinh cũng được thử với một số thành công, khi cho bốc hơi các màng silicon

mỏng lên chất nền thủy tinh. Những chất khác ngoài silicon, như gallium arsenide,

cadmium telluride, và đồng indium diselenide, đang được nghiên cứu vì những tiềm

năng của chúng cho các ứng dụng tế bào Mặt Trời. Gần đây, các màng mỏng titanium

dioxide đã được phát triển cho việc chế tạo tế bào quang điện trong tiềm năng. Những

màng trong suốt này đặc biệt hấp dẫn vì chúng cũng có thể thực thi nhiệm vụ kép như

những cánh cửa sổ.

Năng lượng Mặt Trời thụ động và năng lượng Mặt Trời chủ động

Mặc dù các tế bào Mặt Trời chuyển hóa trực tiếp ánh sáng thành năng lượng

điện, nhưng những phương tiện gián tiếp cũng có thể sử dụng ánh sáng để tạo ra năng

lượng dưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thành hai loại: các hệ năng lượng

Mặt Trời thụ động và chủ động. Các hệ thụ động phụ thuộc vào sự hấp thụ nhiệt mà

không liên quan tới chuyển động cơ học. Lấy ví dụ, lò Mặt Trời không gì hơn là một

cái hộp cách nhiệt với thủy tinh bao ngoài và bên trong màu đen, có thể đạt tới nhiệt độ

quá 100 độ C dưới ánh sáng Mặt Trời mạnh, trực tiếp. Nhiệt độ này có thể dùng để đun

nấu thức ăn, và ở những nước đang phát triển hoặc những khu vực có nguồn nhiên liệu

hạn chế, đây là một công cụ đơn giản có thể mang lại sự cải thiện đáng kể cho chất

lượng cuộc sống.

Các hệ năng lượng Mặt Trời chủ động thường dựa trên việc sử dụng ánh sáng

Mặt Trời để đun nóng một chất lỏng, sau đó dẫn dòng chất lỏng nóng tới một khu vực

khác cần đến nó. Những hệ nước nóng quy mô nhỏ đáp ứng được nhu cầu nước tắm và

giặt giũ ở một nơi trên thế giới. Những dụng cụ đơn giản cấu tạo gồm ống dẫn nước

màu đen kẹp giữa các đĩa thủy tinh, và được cách nhiệt để gom góp càng nhiều nhiệt

càng tốt. Các hệ chủ động quy mô lớn sử dụng các tia gương để hội tụ ánh sáng vào

một máy thu trung tâm, có thể là một nồi đun tạo ra hơi nước làm quay tuabin. Những

trạm phát điện Mặt Trời sử dụng vài trăm, hoặc vài ngàn chiếc gương parabol có thể

tạo ra đủ hơi nước từ dòng nước bơm qua máy thu để phát ra hàng chục megawatt điện

trong hàng giờ liền vào ban ngày có nắng.

Sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành nhiên liệu cháy – Hydrogen

Mặc dù năng lượng Mặt Trời tồn tại thuộc dạng nguồn vô tận, có sẵn, không

phải mua bán (và không độc), nhưng sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời

có liên quan tới hàng loạt vấn đề giới hạn khắt khe những ứng dụng có hiệu quả.

Trường hợp đáng thèm muốn nhất sẽ là việc nghĩ ra một cơ chế chuyển hóa năng

lượng Mặt Trời thành dạng chắc chắn và di động có thể dễ dàng truyền tải đi tới những

nơi xa. Nhiều nỗ lực nghiên cứu đang nhắm tới việc sử dụng năng lượng Mặt Trời tập

166

trung để thu được nhiệt độ cao cần thiết điều khiển các phản ứng hóa học khác nhau,

thường sử dụng chất xúc tác hóa học để tạo ra những kết hợp khác nhau của nhiên liệu

khí có thể dễ dàng tích trữ và chuyên chờ. Một số khả năng hiện đang hứa hẹn, nhưng

đa số các nhà chuyên môn trong lĩnh vực chuyển hóa năng lượng đều đồng ý rằng

nhiên liệu cuối cùng lấy từ sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời chính là hydrogen.

Nhu cầu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu hiện đang tràn ngập. Hydrogen phân

tử cấu tạo từ nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ, và có thể dễ dàng tích trữ và vận chuyển.

Hơn nữa, hydrogen có thể lấy từ nước với oxygen là sản phẩm duy nhất. Khi hydrogen

cháy, nó kết hợp với oxygen trong không khí tạo ra nước trở lại, do đó có thể tái tạo

nguồn vật liệu. Điều quan trọng nhất là trong suốt chu trình giải phóng năng lượng ở

dạng có thể sử dụng được, không có bước trung gian nào sinh ra những chất độc đáng

kể. Cũng như Mặt Trời tiếp tục tạo ra năng lượng ánh sáng của nó, nguồn hydrogen là

vô tận. Hiện nay, hydrogen được sử dụng chủ yếu là nhiên liệu tên lửa (dưới dạng các

tế bào nhiên liệu xúc tác như minh họa trong hình 6) và là thành phần của một số quá

trình công nghệ hóa học. Tuy nhiên, với những cải tiến thu được gần đây, nguyên tố

nhỏ nhất này có thể sẽ đáp ứng mọi nhu cầu về điện và vận chuyển của loài người.

Hình 6. Tế bào nhiên liệu hydrogen

Mặc dù hydrogen có thể sản xuất trực tiếp từ nước, nhưng yêu cầu phải cấp

một số năng lượng vào để thực hiện việc tách nó khỏi oxygen. Một phương pháp điều

khiển phản ứng đó là sử dụng dòng điện trong một quá trình gọi là điện phân, và ánh

sáng Mặt Trời có thể được sử dụng để phát ra dòng điện cho sự chuyển hóa đó. Sự

điện phân bao hàm một phản ứng oxy hóa khử, trong đó dòng điện truyền qua một cặp

điện cực trong nước, sinh ra chất khí hydrogen và oxygen ở hai điện cực. Một hướng

khả dĩ khác cho việc sản xuất hydrogen là tập trung ánh sáng Mặt Trời ở nhiệt độ đủ

cao để gây ra sự phân li nhiệt của nước thành các thành phần oxygen và hydrogen của

nó, sau đó có thể tách chúng ra.

Cuối cùng, một phương pháp tách nước tinh vi hơn nữa làm phát sinh phân tử

hydrogen thật đáng thèm khát. Một kĩ thuật mà từ đó sự phân tích thu được là khai thác

năng lượng Mặt Trời qua các phản ứng hóa học theo kiểu tương tự như quá trình

quang hợp sử dụng bởi cây xanh và vi khuẩn. Khi chúng phơi ra trước ánh sáng Mặt

Trời, thực vật chứa chlorophyll màu xanh liên tục tách các phân tử nước, giải phóng

oxygen và kết hợp hydrogen với carbon dioxide tạo ra đường. Nếu phần đầu của quá

167

trình này, hoặc một quá trình tương tự, có thể mô phỏng lại, thì sẽ thu được nguồn

cung cấp hydrogen vô tận, điều khiển bằng nguồn năng lượng Mặt Trời.

Một cố gắng quan trọng nữa là tập trung phát triển sự quang hợp nhân tạo, ở

mức độ cơ bản, có thể mô tả là sự phân tích điện tích khử quang tại mặt phân cách giới

hạn phân tử. Một trong những mục tiêu nhiều tham vọng nhất của nghiên cứu này là

phát triển các enzym điều khiển bằng ánh sáng, và cả điện tử học ở quy mô phân tử,

bao gồm sự chuyển tải các hạt mang điện đáp ứng lại ánh sáng và hoạt động hóa học.

Một đối tượng khác của nghiên cứu này là việc sản xuất các chất theo công nghệ sinh

học, như các enzym và sắc tố. Trong những năm gần đây, vi khuẩn và các sinh vật

tương tự làm thoái hóa dầu đã được sử dụng để khắc phục các vụ tràn dầu. Hiện nay,

các nhà khoa học đang cố gắng hoàn thiện phương pháp sử dụng sinh vật sống và sinh

trưởng nhờ năng lượng Mặt Trời cho những mục đích đa dạng thuộc công nghệ sinh

học, ví dụ như tẩy sạch các nguồn cấp nước bị ô nhiễm.

Dưới những điều kiện nhất định, tảo có thể bị khử mất chuỗi quang hợp bình

thường của chúng ở một giai đoạn nhất định và sản sinh một lượng lớn hydrogen.

Bằng cách ngăn cản các tế bào khỏi nhiên liệu trữ cho sự cháy lúc thông thường, tảo có

thể bị buộc phải kích hoạt một lộ trình trao đổi chất khác mang đến kết quả là việc sản

sinh ra lượng đáng kể hydrogen. Khám phá này làm tăng thêm hi vọng rằng một ngày

nào đó nhiên liệu hydrogen có thể sản xuất từ ánh sáng Mặt Trời và nước thông qua

quá trình quang hợp bằng các phức hợp quang hóa quy mô lớn. Những nghiên cứu gần

đây cho thấy vi khuẩn đại dương chứa sắc tố hấp thụ ánh sáng proteorhodopsin, cho

phép chúng chuyển hóa ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng tế bào mà không phụ

thuộc chlorophyll. Khám phá này làm tăng thêm khả năng sử dụng các vi khuẩn dễ

thao tác, như E.coli, trong máy phát năng lượng điều khiển bằng ánh sáng có hàng loạt

ứng dụng trong cả vật lí học và khoa học về sự sống.

Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử: Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện

Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của hiệu ứng quang điện là trong

các dụng cụ dùng để phát hiện photon mang thông tin về hình ảnh trong camera, kính

hiển vi, kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự phát triển của công

nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanh chóng đã xuất hiện trong công nghệ dùng để

chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện có ý nghĩa. Một vài loại detector ánh sáng

đang được sử dụng phổ biến. Một số thu nhận các tín hiệu có thông tin hình ảnh mà

không phân biệt không gian, còn một số khác là những detector cục bộ bắt lấy hình

ảnh trực tiếp hơn với thông tin không gian và cường độ kết hợp. Các detector ánh sáng

dựa trên hiệu ứng quang điện gồm các ống nhân quang, các diode quang thác, dụng cụ

tích điện kép, bộ phận khuếch đại hình ảnh, và các bộ cảm biến quang bán dẫn oxide

kim loại bổ chính (CMOS). Trong số này, dụng cụ tích điện kép được dùng rộng rãi

nhất cho công việc ghi ảnh và phát hiện, và do đó được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên

tắc hoạt động của nó cũng là cơ sở cho nhiệm vụ của các loại detector khác.

Dụng cụ tích điện kép (CCD) là mạch tích hợp trên nền silicon gồm một ma

trận, hay một dãy, dày đặc các diode quang hoạt động bằng cách chuyển hóa năng

lượng ánh sáng dưới dạng photon thành điện tích. Mỗi diode quang trong dãy hoạt

động theo nguyên tắc tương tự như tế bào quang điện trong, nhưng trong CCD, các

electron phát ra bởi tương tác của photon với nguyên tử silicon được lưu trữ trong một

168

giếng thế và sau đó có thể truyền qua chip, qua thanh ghi, rồi đi ra ngoài tới bộ phận

khuếch đại. Hình 7 minh họa cấu trúc của một CCD điển hình.

Hình 7. Cấu tạo của dụng cụ tích điện kép

CCD được phát minh vào cuối thập niên 1960 bởi nhà khoa học nghiên cứu tại

Phòng thí nghiệm Bell, người lúc đầu mang ý tưởng về một loại mạch điện nhớ mới

dùng cho máy tính. Những nghiên cứu sau đó cho thấy rằng dụng cụ đó, vì khả năng

truyền điện tích của nó và phản ứng điện của nó với ánh sáng, cũng sẽ có ích cho

những ứng dụng khác như xử lí tín hiệu và ghi ảnh. Niềm hi vọng ban đầu về một dụng

cụ nhớ mới hoàn toàn tan biến, nhưng CCD nổi lên là một trong những ứng cử viên

hàng đầu cho các detector ghi ảnh điện tử dùng cho mọi mục đích, có khả năng thay

thế phim trong lĩnh vực ghi ảnh kĩ thuật số, cả cho mục đích phổ dụng lẫn trong các

lĩnh vực chuyên môn như kĩ thuật chụp ảnh hiển vi kĩ thuật số.

Chế tạo trên chất nền silicon giống hệt như các mạch tích hợp khác, CCD được

xử lí trong một chuỗi in ảnh litô phức tạp gồm khắc acid, cấy ion, lắng màng mỏng,

kim loại hóa và thụ động hóa để vạch rõ các nhiệm vụ khác nhau bên trong dụng cụ.

Chất nền silicon được pha tạp điện hình thành silicon loại p, một chất trong đó hạt

mang điện chủ yếu là các lỗ trống tích điện dương. Khi một photon tử ngoại, khả kiến,

hoặc hồng ngoại va chạm với một nguyên tử silicon nằm trong hoặc gần diode quang

CCD, nó sẽ luôn tạo ra một electron tự do và một “lỗ trống” gây ra bởi sự vắng mặt

tạm thời của electron trong mạng tinh thể silicon. Electron tự do sau đó được gom vào

một giếng thế (nằm sâu bên trong silicon, trong một khu vực gọi là lớp suy vong), còn

lỗ trống buộc phải rời khỏi giếng và cuối cùng bị chiếm chỗ trong chất nền silicon.

Từng diode quang cách điện với các láng giềng của chúng bằng một rãnh dừng, hình

thành bằng cách cho khuếch tán các ion boron qua một mặt lọc vào chất nền silicon

loại p.

Đặc điểm kiến trúc chủ yếu của CCD là một dãy lớn chuỗi thanh ghi lệch chế

tạo có lớp polysilicon pha tạp dẫn điện xếp theo chiều thẳng đứng phân tách với chất

nền bán dẫn silicon bằng một màng mỏng cách điện silicon dioxide. Sau khi electron

được thu gom vào mỗi diode quang của dãy, một điện thế được áp vào lớp điện cực

polysilicon (gọi là các cổng) làm thay đổi thế tĩnh điện của silion nằm bên dưới. Chất

nền silicon nằm ngay dưới điện cực cổng khi đó trở thành một giếng thế có khả năng

169

thu gom các electron phát ra cục bộ do ánh sáng tới gây ra. Các cổng lân cận giúp giam

giữ electron trong giếng thế bằng cách hình thành vùng thế cao, gọi là hàng rào thế,

bao quanh giếng. Bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế đặt vào cổng polysilicon, chúng

có thể có xu hướng hoặc là hình thành một giếng thế, hoặc là hàng rào thế để điện tích

tích hợp được thu thập bởi diode quang.

Sau khi được rọi sáng bằng photon tới trong thời kì gọi là sự tích hợp, giếng thế

trong dãy diode quang CCD trở nên đầy electron tạo ra trong lớp suy vong của chất

nền silicon. Điện tích trữ trong mỗi giếng phải được đọc lại theo một phương pháp có

hệ thống. Những phép đo điện tích lưu trữ này được hoàn thành bằng sự kết hợp di

chuyển chuỗi và song song của điện tích tích góp đến một nút ra tại rìa chíp, nơi nó kết

nối với bộ khuếch đại ngoài. Tốc độ truyền điện tích song song thường đủ để hoàn

thành trong thời gian tích hợp điện tích cho hình ảnh tiếp theo.

Sau khi thu gom vào giếng thế, electron dời chỗ song song, mỗi lần một hàng,

bằng một tín hiệu phát ra từ đồng hồ thanh ghi dịch đứng. Đồng hồ thanh ghi dịch

đứng hoạt động theo chu kì, làm thay đổi điện thế trên các điện cực xen kẽ của cổng

thẳng đứng để làm di chuyển điện tích tích góp qua CCD. Sau khi đi qua dãy cổng

thanh ghi dịch song song, cuối cùng điện tích chạm tới một hàng cổng đặc biệt gọi là

chuỗi thanh ghi lệch. Tại đây, các gói electron biểu diễn mỗi pixel bị dịch ngang trong

chuỗi, dưới sự điều khiển của đồng hồ thanh ghi dịch ngang, về phía bộ khuếch đại

ngoài và ra khỏi chip. Một CCD tiêu biểu chỉ có một bộ khuếch đại đọc lại nằm ở góc

của toàn bộ dãy diode quang. Trong bộ khuếch đại ra, các gói electron ghi nhận lượng

điện tích tạo ra bởi các diode quang liên tiếp từ trái sang phải trong một hàng bắt đầu

với hàng thứ nhất và tiếp tục cho tới hết. Điều này tạo ra một sự quét mành tương tự

của điện tích quang phát từ toàn bộ dãy hai chiều của các nguyên tố cảm biến diode

quang.

Sự chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng

Vì độ lớn và tính rộng khắp của ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm tới Trái

Đất, nên sự chuyển hóa ngược lại từ các dạng năng lượng khác thành ánh sáng dường

như là không quan trọng. Tuy nhiên, những bức hình chụp mới đây từ phi thuyền và vệ

tinh của Trái Đất vào ban đêm cho thấy ở những khu vực dân cư đông đúc, loài người

đã thành công trong việc tạo ra một lượng đáng kể ánh sáng bằng cách chuyển hóa

nguồn năng lượng điện (hình 8). Những quá trình tự nhiên khác cũng xảy ra làm phát

sinh ánh sáng, thường đi cùng với nhiệt. Dù cho xảy ra tự nhiên hay là có sự hỗ trợ

khéo léo của con người, ánh sáng có thể phát ra từ các cơ chế chuyển hóa năng lượng

cơ học, hóa học, và điện học. Hình 8 là một ảnh ghép từ hàng trăm tấm ảnh chụp Trái

Đất từ vệ tinh. Ánh sáng từ các nguồn nhân tạo mô tả rõ ràng các trung tâm dân cư

chính ở Bắc Mĩ và Tây Âu, như minh họa trong hình.

170

Hình 8. Ảnh chụp Trái Đất ban đêm nhìn từ vệ tinh

Tại một số thời điểm trong quá khứ xa xôi, loài người đã học được cách sử

dụng lửa theo kiểu có lợi. Những ngọn lửa phát sáng có khả năng mang lại nguồn sáng

nhân tạo đầu tiên, và những ngọn lửa tự nhiên này vẫn được duy trì làm tài sản quý

trong thời gian dài. Nếu một ngọn lửa tắt, thì một nguồn lửa mới phải được tìm thấy

bằng cách săn tìm và thu thập. Thành công sớm nhất trong việc cố ý tạo ra lửa là kết

quả của việc sản sinh nhiệt và than hồng từ ma sát khi cọ các que củi vào nhau, hoặc

“lóe” tia lửa điện bằng cách cọ những hòn đá hoặc khoáng vật nhất định với nhau,

chúng làm bốc cháy một số chất liệu dễ bắt lửa đặt gần đó. Người La Mã đã biết cách

sử dụng đuốc tẩm nhựa làm nguồn sáng di động từ hơn 2000 năm trước. Lửa không

phải chỉ có ích, mà còn có ý nghĩa biểu trưng to lớn trong nhiều nền văn hóa sơ khai và

trong thần thoại của họ. Bắt đầu từ truyền thống Hy Lạp cổ đại, các kì thế vận hội

Olympic ngày nay vẫn giữ tinh thần “mang lửa” từ Hy Lạp tới địa điểm tổ chức sự

kiện.

Loài người đã sử dụng sự cháy của một số dạng nhiên liệu kết hợp với oxygen

trong không khí cung cấp lửa (cũng như nhiệt) trong hàng nghìn năm trời, và một

hướng tiến bộ không thể tránh được sau đó là việc tìm kiếm những cải tiến cả về chức

năng và độ an toàn. Sau khi người ta biết rằng mỡ động vật và dầu thực vật cháy với

ngọn lửa màu vàng chói, đã có nhu cầu lớn về những loại dầu này, và phần nhiều trong

số đó được lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu. Việc đốt cháy dầu khó

kiểm soát, và phải thêm bấc vào đèn để điều khiển tốc độ cháy và ngăn cản nguy hiểm

vì ngọn lửa cháy bùng lên. Đèn dầu được biết là đã sử dụng hơn 10.000 năm. Nến là

một mô phỏng của đèn dầu, cung cấp nhiên liệu ở dạng rắn, tiện lợi hơn. Những cây

nến sớm nhất sử dụng mỡ động vật hoặc sáp ong, còn những cây nến hiện đại chủ yếu

cấu tạo từ parafin chiết từ dầu mỏ. Sự phát triển hơn nữa trong việc sử dụng lửa mang

lại ánh sáng xảy ra trong thế kỉ 19, khi những ngọn đèn khí trở nên được sử dụng rộng

rãi ở các thành phố và đô thị.

Diêm được sử dụng để đốt cháy các chất dễ bắt lửa khác sử dụng phản ứng hóa

học để tạo ra lửa. Que diêm thường phủ hợp chất phosphore bắt lửa trong sự có mặt

của oxygen khi chúng được làm nóng bằng ma sát qua việc cọ xát lên một mặt mài

mòn. Cái gọi là diêm an toàn phải thắp sáng bằng cách cọ xát lên một bề mặt đặc biệt,

và sẽ không bắt lửa khi vô tình cọ xát với các bề mặt khác. Hợp chất hóa học trong đầu

diêm và bề mặt cọ xát kết hợp tạo ra tia lửa điện lúc đầu khởi động một phản ứng hóa

học dẫn tới sự cháy của que diêm.

171

Sự chuyển hóa năng lượng điện thành ánh sáng bắt đầu trở thành thực tế trong

những năm 1800 với sự phát triển đèn hồ quang. Những đèn này hoạt động bằng cách

tạo ra một dòng điện phóng qua một khe giữa hai que than, tạo ra một cung sáng chói

duy trì liên tục. Mặc dù chúng có khả năng phát ra nhiều ánh sáng hơn những ngọn nến

củ kĩ hoặc phương pháp đèn khí, nhưng đèn hồ quang yêu cầu duy trì liên tục và là

ngọn lửa nhiều rủi ro. Năm 1879, cả Joseph Swan ở Anh, và Thomas Edison ở Mĩ, đều

chứng minh được đèn điện sử dụng dây tóc carbon nung nóng bằng dòng điện hàn kín

trong bóng thủy tinh hút chân không một phần. Ví “bóng” thủy tinh của những ngọn

đèn này được bơm tới trạng thái chân không một phần, và chứa rất ít oxygen, nên dây

tóc sẽ không bắt lửa, nhưng sẽ rất nóng và sáng rực rỡ.

Đèn điện hiện đại sử dụng ba quá trình khác nhau để tạo ra ánh sáng từ năng

lượng điện cung cấp cho chúng. Đèn nóng sáng chuẩn, lấy trực tiếp từ các mẫu ban

đầu của những năm 1800, ngày nay chủ yếu sử dụng dây tóc volfram trong một chất

khí trơ, và phát ra ánh sáng bằng hiệu ứng điện trở làm cho dây tóc nóng lên khi có

dòng điện chạy qua. Đèn huỳnh quang là loại năng lượng hiệu quả hơn phát ra ánh

sáng từ sự rọi sáng huỳnh quang của phosphor phủ ở bề mặt bên trong của ống thủy

tinh. Lớp phủ phosphor bị kích thích phát huỳnh quang bằng bức xạ cực tím phát ra

khi dòng điện truyền qua chất khí trong ống. Loại đèn thứ ba được dùng phổ biến là

đèn hơi, chúng hợp nhất các chất khí như thủy ngân hoặc natri để phát ra ánh sáng khả

kiến khi dòng điện chạy qua thể tích khí. Những đèn này có thể có áp suất cao hoặc

thấp đa dạng, và phát ra ánh sáng có đặc trưng phổ phụ thuộc vào chất khí và những

chất khác hợp nhất trong đèn.

Hình 9. Phát điện bằng nhiệt hạch

Có lẽ quá trình cơ bản nhất chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng tương tự

như nguồn nhiệt và ánh sáng của Mặt Trời, đó là quá trình nhiệt hạch hạt nhân. Các

nhà khoa học có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch chỉ trong khoảng chừng nửa thế kỉ nay,

nhưng những phản ứng như thế đã và đang xảy ra liên tục trong vũ trụ hàng tỉ năm

nay. Nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ va chạm nhau hình

thành nên một hạt nhân nặng hơn (xem hình 9). Hạt nhân thu được có khối lượng nhỏ

hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân hợp nhân, và khối lượng bị mất chuyển hóa

172

thành năng lượng, phù hợp với phương trình tương đương khối lượng/năng lượng của

Einstein. Phản ứng nhiệt hạch là nguồn phát năng lượng của đa số các sao, kể cả Mặt

Trời của chúng ta. Như vậy, sự ấm áp của Mặt Trời và ánh sáng của nó là sản phẩm

của sự nhiệt hạch hạt nhân, hình thành nên cơ sở cho tất cả sự sống trên Trái Đất.

Khi mới hình thành, một ngôi sao chứa hydrogen và helium có thể được tạo ra

trong vũ trụ nguyên thủy. Hạt nhân hydrogen tiếp tục va chạm, tạo nên hạt nhân

helium, rồi chúng lại va chạm tạo nên những hạt nhân nặng hơn, và cứ thế, trong chuỗi

phản ứng tổng hợp hạt nhân. Sự hợp nhân của các đồng vị hydrogen khác nhau thành

đồng vị helium tạo ra năng lượng gấp hàng triệu lần một phản ứng hóa học thông

thường. Phản ứng cơ bản này khiến Mặt Trời sẽ tiếp tục soi sáng mãi cho đến khi

nguồn hydrogen gần như cạn kiệt và Mặt Trời tiến hóa thành một sao kềnh đỏ, tăng

kích thước nhấn chìm Trái Đất và các hành tinh nhóm trong.

Những thí nghiệm đầu tiên của con người với sự nhiệt hạch hạt nhân đưa tới sự

phát triển bom khinh khí. Nghiên cứu đang được tiến hành hiện nay có thể mang lại

những ứng dụng có ích hơn cho việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch kiểm soát được làm

nguồn phát điện sạch, không đắt tiền. Những tính toán về tốc độ mà Mặt Trời sử dụng

nguồn hydrogen ban đầu của nó cho thấy chúng ta có thể chỉ còn có khoảng 5 tỉ năm

nữa để thừa hưởng nguồn năng lượng này và nghiên cứu sự nhiệt hạch. Hi vọng rằng

khoảng thời gian này là đủ dài.

173

TỔNG QUAN VỀ LASER

Trong những bộ phim khoa học viễn tưởng nổi tiếng hồi thập niên 1950, các

con quái vật thường được miêu tả có khả năng phát ra những tia sáng gây chết người từ

đôi mắt của chúng (xem hình 1), nhưng cho tới khi phát minh ra laser thì các chùm

năng lượng mãnh liệt và tập trung như thế cũng chỉ là tưởng tượng mà thôi. Ngày nay,

người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ

tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là laser. Hầu như tất cả ánh sáng mà

chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bóng đèn nóng

sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và

phân tử tự giải phóng năng lượng thừa của chúng.

Hình 1. Quái vật mắt laser của thập niên 1950

Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay

đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp

từ bên ngoài. Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay phân

tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng

lượng dưới dạng ánh sáng. Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng

cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ viết tắt của

Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng

bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser khiến cho kĩ

thuật laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày,

như viễn thông, giải trí, sản xuất và y khoa.

Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc

nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông

là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà

vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất

cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau Thế chiến

thứ hai, người ta mới bắt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng

bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay

phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ.

Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia, Charles H. Townes, là người

đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950,

nhưng nghiên cứu của ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so

với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ của mình là maser. Các

174

nhà khoa học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các

nỗ lực tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hơn.

Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser được phát triển cũng khoảng thời gian

đó, cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm

Bell) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia. Gould đi thẳng tới việc đăng kí

bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của mình, và mặc dù ông được công nhận là

người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông mới nhận được một

vài bằng sáng chế. Vẫn có sự bất đồng về người xứng đáng được công nhận cho khái

niệm laser. Hai người Xô Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải

Nobel vật lí năm 1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí

nền tảng cho maser và laser. Schawlow thì chia giải Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên

cứu của ông về laser.

Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực to lớn

nhằm chế tạo một hệ laser hoạt động được. Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc

tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp,

được công nhận là laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ

kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ

tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay.

Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao

quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Điều thú vị là nhà nhiếp

ảnh được Phòng thí nghiệm Hughes ủy quyền để quảng cáo phát minh mới cho rằng

laser thực tế quá nhỏ và chụp Maiman trong tư thế với laser lớn hơn mãi đến sau này

vẫn không hoạt động được. Bức ảnh chụp Maiman cùng với laser “hoành tráng hơn”

đó vẫn được lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm.

Mặc dù laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất, nhưng các nguyên lí cơ

bản có thể áp dụng được cho nhiều vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên

thu được trong vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay laser có mặt trên thị trường

còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực hiện theo

hướng tạo ra laser trong vùng phổ tia X. Các laser thực tế được sử dụng hiện nay có

công suất phát từ dưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả nghìn tỉ

watt trong những xung cực ngắn. Hình 2 cho thấy một số loại laser điển hình, có kích

thước đủ cỡ và ứng dụng rộng rãi. Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí

nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị laser chiếm cả một tòa nhà, trong khi

những laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán dẫn kích thước bằng một hạt cát.

Để hiểu được các nguyên lí cơ bản của laser, điều cần thiết là phải giải thích

cách thức bức xạ cưỡng bức được tạo ra và khuếch đại. Nguyên lí đầu tiên trong số các

nguyên lí này là cần thiết, bởi vì laser vốn dĩ là một dụng cụ cơ lượng tử và bản chất

lượng tử của năng lượng phải được kể đến để giải thích hoạt động của laser. Vật lí cổ

điển cho rằng năng lượng có thể biến thiên liên tục và đều đặn, và các nguyên tử và

phân tử có thể có bất kì lượng năng lượng nào. Công trình nghiên cứu của Einstein, cái

trở thành chìa khóa cho sự phát triển của cơ học lượng tử, cho rằng năng lượng tồn tại

trong từng đơn vị gián đoạn, hay lượng tử, và các nguyên tử và phân tử (và do đó là

mọi đối tượng khác) bị hạn chế chỉ có những lượng năng lượng gián đoạn nhất định.

175

Hình 2. Một số loại laser thông dụng

Thêm một vài khái niệm nữa cũng cần thiết để hiểu được hoạt động laser, bắt

đầu là photon và mức nguyên tử và xuất phát từ nguyên tắc lượng tử hóa:

Sự lượng tử hóa năng lượng trong nguyên tử làm cho nguyên tử có các mức

năng lượng gián đoạn.

Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra

cùng với sự phát xạ ánh sáng.

Một số loại chuyển trạng thái xảy ra và ảnh hưởng đến lượng năng lượng

trong sự chuyển đó.

Sự phát xạ tự phát và cưỡng bức có thể xảy ra do sự chuyển mức năng

lượng.

Đảo lộn mật độ giữa các mức năng lượng phải thu được để khuếch đại sự

phát bức xạ cưỡng bức.

Nếu như nguyên tử hay phân tử nằm ở một trạng thái năng lượng cao hơn trạng

thái thấp nhất, hay trạng thái cơ bản, nó có thể tự phát rơi xuống mức năng lượng thấp

hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra của sự rơi làm

giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (bằng với sự chênh lệch

giữa hai mức năng lượng) dưới dạng một photon ánh sáng. Nguyên tử hay phân tử kích

thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng vẫn giữ

được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi rơi xuống mức năng lượng

thấp hơn và phát ra photon. Thời gian phát xạ là một nhân tố quan trọng trong việc tạo

ra phát xạ cưỡng bức, loại phát xạ thứ hai mà Einstein nêu ra.

Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi với photon đến có cùng

năng lượng chính xác như năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát,

nguyên tử có thể bị cưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái năng lượng

thấp hơn và đồng thời phát ra một photon có cùng năng lượng chuyển trạng thái. Một

photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử bị kích thích do đó có thể tạo ra hai

photon phát xạ. Nếu các photon phát xạ được xem là sóng, thì sự phát xạ cưỡng bức sẽ

dao động cùng tần số với ánh sáng tới, và cùng pha (kết hợp), kết quả là làm khuếch

176

đại cường độ của ánh sáng ban đầu. Hình 3 minh họa sự phát xạ tự phát (a) và cưỡng

bức (b) với hai sóng kết hợp như trường hợp thứ hai ở trên.

Hình 3. Các quá trình tự phát và cưỡng bức

Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới

những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường, mật độ, hay số nguyên tử

hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do

các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên

số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới

những điều kiện bình thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một

bước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của số nguyên tử hay phân

tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản

thấp hơn có lẽ là 1017

. Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào

trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến.

Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem

xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng

thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể dễ

dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một số cỏ thể

gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ (hình

3c). Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở trạng

thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bù lại thì số phát xạ

cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt

động lực học).

Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng

thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các

photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều

kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự đảo lộn mật

độ. Miễn là có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn so với ở trạng thái

năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon.

Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon

này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết

quả là dòng thác photon tăng lên, ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự đảo lộn

177

mật độ chấm dứt (dân cư ở trạng thái cơ bản trở nên lấn át) thì phát xạ tự phát sẽ trở lại

là quá trình chủ yếu.

Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số các nhà vật lí tin rằng bất

cứ điều kiện nào không phải ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đều không bền

và không thể được duy trì liên tục. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới xem

xét đến các phương pháp tạo ra sự đảo lộn mật độ cần thiết để duy trì phát xạ cưỡng

bức. Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một

số sự chuyển trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số sự chuyển trạng thái

khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí do khác), nhưng sự chuyển

trạng thái có thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng lượng nào. Yêu cầu tối thiểu cho sự

phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động laser, là ít nhất phải có một trạng thái

năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn.

Sự đảo lộn mật độ có thể được tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc là tạo ra dư

thừa số nguyên tử hay phân tử ở một trạng thái năng lượng cao, hoặc là làm giảm dân

số ở một trạng thái năng lượng thấp. Cũng có thể chọn một hệ không bền ở mức năng

lượng thấp, nhưng đối với hoạt động laser liên tục, phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở

mức cao vừa làm giảm dân cư ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích

tụ ở mức năng lượng thấp thì sự đảo lộn mật độ sẽ không còn và hoạt động laser dừng

lại.

Phương pháp thông dụng nhất tạo ra sự đảo lộn mật độ trong môi trường laser là

cấp thêm năng lượng cho hệ để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên mức năng

lượng cao. Cách cấp năng lượng đơn giản bằng cách dùng nhiệt khuấy động môi

trường không đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lực học) để tạo ra sự đảo lộn mật

độ, do nhiệt chỉ làm tăng năng lượng trung bình của các hạt, chứ không làm tăng số

loại trạng thái kích thích tương đối so với trạng thái thấp. Tỉ số của số nguyên tử ở hai

mức năng lượng (1 và 2) dưới trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được cho bởi

phương trình sau:

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]

trong đó N1 và N2 tương ứng là số nguyên tử ở mức 1 và mức 2, E1 và E2 là năng

lượng của hai mức, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ kelvin. Như đã được chỉ rõ

trong phương trình, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, N2 chỉ có thể lớn N1 nếu

như nhiệt độ là một số âm. Trước khi nghiên cứu mô tả hoạt động maser và laser được

công bố, các nhà vật lí thường xem sự đảo lộn mật độ là nhiệt độ âm, đó là từ chỉ

những điều kiện không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không được mong đợi

là sẽ được duy trì liên tục.

Để tạo ra sự đảo lộn mật độ cần thiết cho hoạt động laser, các nguyên tử hay

phân tử phải bị kích thích có chọn lọc lên những mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng

và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn của đa số laser. Ánh sáng hoặc các

electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các nguyên tử hay phân tử

lên các mức năng lượng cao được chọn, và sự truyền năng lượng không đòi hỏi đưa

các electron trực tiếp lên mức năng lượng cao nào đó của sự chuyển trạng thái laser.

Một số phương pháp khác có thể phức tạp hơn, nhưng chúng thường tạo ra hoạt động

laser tốt hơn. Một phương pháp thường được sử dụng là kích thích nguyên tử hay phân

tử lên mức năng lượng cao hơn cần thiết, sau đó nó sẽ rơi xuống mức laser cao. Kiểu

kích thích gián tiếp có thể được sử dụng để kích thích các nguyên tử trong hỗn hợp khí

178

xung quanh, sau đó chúng sẽ truyền năng lượng của chúng cho các nguyên tử hay phân

tử đảm nhận việc tạo ra hoạt động laser.

Hình 4. Biểu đồ năng lượng laser ba mức và bốn mức

Như đã nói tới ở phần trước, lượng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử trải

qua ở một trạng thái kích thích là yếu tố quyết định trong việc xác định xem nó sẽ bị

cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon, hay là sẽ mất đi năng lượng qua

việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống chỉ vài nano

giây trước khi chúng giải phóng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát, một

khoảng thời gian không đủ lâu để có thể chịu sự kích thích bởi một photon khác. Do

đó, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt động laser là mức năng lượng cao phải có thời gian

sống lâu hơn. Các trạng thái như vậy thật sự tồn tại trong những chất nhất định, và

thường được gọi là trạng thái siêu bền (xem hình 4). Thời gian sống trung bình trước

khi phát xạ tự phát xảy ra đối với trạng thái siêu bền là vào bậc micro giây đến mili

giây, một khoảng thời gian khá dài ở thế giới nguyên tử. Với thời gian sống lâu này,

các nguyên tử và phân tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng

bức. Hoạt động laser chỉ xảy ra nếu như dân cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sự

phân hủy của nó, duy trì được dân cư ở mức cao nhiều hơn ở mức thấp. Thời gian sống

của phát xạ tự phát càng lâu thì nguyên tử hay phân tử càng thích hợp cho các ứng

dụng laser.

Maser mà Charles Townes chứng minh trong bước tiến tới laser đầu tiên thật có

ý nghĩa, vì nó yêu cầu tạo ra sự nghịch đảo dân cử để hoạt động, và do đó chứng minh

với nhiều nhà vật lí còn hoài nghi rằng sự đảo lộn mật độ như vậy là có thể thực hiện

được. Hệ của ông là maser hai mức, chỉ sử dụng các mức cao và thấp. Townes đã tiến

hành một phương pháp mới lạ trong hệ nguyên tử amoniac của ông để tạo ra sự đảo

lộn mật độ – kĩ thuật chùm phân tử tách các phân tử amoniac bị kích thích khỏi các

phân tử ở trạng thái cơ bản. Các phân tử ở trạng thái cơ bản bị loại bỏ, và các phân tử

bị kích thích được tách ra thiết lập sự đảo lộn mật độ cần thiết. Các phương pháp khác,

hiệu quả hơn, hiện nay được phát triển cho maser và laser thực tế, yêu cầu sử dụng ba,

bốn mức năng lượng hoặc nhiều hơn.

Cấu trúc mức năng lượng thiết thực đơn giản nhất đối với hoạt động laser là hệ

ba mức, được minh họa trong hình 4a. Trong hệ này, trạng thái cơ bản là mức laser

thấp, và sự đảo lộn mật độ có thể được tạo ra giữa mức này và một trạng thái siêu bền

năng lượng cao hơn. Đa số các nguyên tử hay phân tử ban đầu bị kích thích lên trạng

179

thái năng lượng cao có thời gian sống ngắn nhiều hơn lên mức siêu bền. Từ trạng thái

này, chúng nhanh chóng phân hủy sang mức siêu bền trung gian, mức có thời gian

sống dài hơn nhiều so với trạng thái năng lượng cao (thường dài hơn cỡ 1000 lần). Do

thời gian cư trú của mỗi nguyên tử ở trạng thái siêu bền tương đối lâu, nên dân số có

xu hướng tăng và đưa đến sự đảo lộn mật độ giữa trạng thái siêu bền và trạng thái cơ

bản thấp hơn (dân số giảm liên tục đối với mức cao nhất). Phát xạ cưỡng bức thu được

từ thực tế số nguyên tử có sẵn ở trạng thái bị kích thích (siêu bền) nhiều hơn so với ở

trạng thái thấp, trạng thái mà sự hấp thụ ánh sáng có khả năng xảy ra nhất.

Mặc dù laser ba mức hoạt động đối với mọi mục đích thực tế, như đã được

minh chứng bằng laser đầu tiên của Maiman, nhưng có một số vấn đề đã hạn chế hiệu

quả của phương pháp này. Vấn đề trọng tâm xuất hiện do mức laser thấp là mức cơ

bản, là trạng thái bình thường đối với đa số các nguyên tử hay phân tử. Để tạo ra sự

đảo lộn mật độ, phần lớn electron ở trạng thái cơ bản phải được đưa lên mức năng

lượng bị kích thích cao, đòi hỏi phải cung cấp đáng kể năng lượng từ bên ngoài. Ngoài

ra, sự đảo lộn mật độ khó có thể duy trì trong một khoảng thời gian đáng kể, và do đó,

laser ba mức hoạt động theo kiểu xung chứ không liên tục.

Laser sử dụng bốn mức năng lượng hay nhiều hơn tránh được một số vấn đề đề

cập ở trên, và do đó được sử dụng phổ biến hơn. Hình 4b minh họa kịch bản bốn mức

năng lượng. Cấu trúc mức năng lượng tương tự như trong hệ ba mức, trừ vấn đề sau

khi nguyên tử rơi từ mức cao nhất xuống trạng thái cao siêu bền, chúng không rơi hết

xuống trạng thái cơ bản qua một bước. Do sự đảo lộn mật độ không được tạo ra giữa

trạng thái cơ bản và mức cao, nên số nguyên tử hay phân tử phải được đưa lên đột ngột

giảm xuống trong mô hình này. Trong một hệ laser bốn mức điển hình, nếu chỉ 1 hoặc

2% số nguyên tử hay phân tử cư trú ở mức laser thấp (mức nằm trên trạng thái cơ bản)

thì chỉ cần kích thích 2 đến 4% trong tổng số nguyên tử hay phân tử lên mức cao là sẽ

thu được sự đảo lộn mật độ cần thiết. Một thuận lợi nữa của việc tách mức laser thấp

khỏi mức cơ bản là các nguyên tử mức thấp sẽ tự động rơi xuống trạng thái cơ bản.

Nếu như mức laser thấp có thời gian sống ngắn hơn nhiều so với mức cao thì các

nguyên tử sẽ phân hủy sang mức cơ bản ở tốc độ đủ để tránh việc tích tụ ở mức laser

thấp. Nhiều laser được thiết kế dưới những ràng buộc này có thể hoạt động theo mode

liên tục tạo ra chùm tia không đứt quãng.

Hình 5. Phát hiện maser vũ trụ

Các laser hoạt động thực tế thường phức tạp hơn mô hình mô tả ở trên. Mức

laser cao thường không phải là một mức đơn, mà là một nhóm mức năng lượng cho

phép năng lượng kích thích cần thiết biến đổi trong một phạm vi rộng trong khi hoạt

180

động. Mức thấp cũng gồm nhiều mức, và nếu mỗi mức cao gần nhau phân hủy sang

một mức thấp khác, một laser có thể hoạt động ở nhiều sự chuyển trạng thái, tạo ra

nhiều hơn một bước sóng. Ví dụ, laser helium-neon được dùng phổ biến nhất để phát

ra bước sóng đỏ, nhưng nó cũng có thể hoạt động ở những sự chuyển trạng thái khác

để phát ra bức xạ cam, vàng, xanh lá và hồng ngoại. Nhiều nhân tố khác tồn tại trong

việc thiết kế laser thực tế, như bản chất của môi trường hoạt tính. Hỗn hợp khí hay

những kết hợp khác của các loại phân tử thường được dùng để cải thiện hiệu quả bắt

và truyền năng lượng, hoặc hỗ trợ sự giảm dân số ở mức laser thấp.

Trước khi có bằng chứng mang tính bước ngoặt chứng tỏ maser và laser thực sự

có thể tạo ra được, các nhà khoa học đã thấy thực tế là maser xuất hiện trong tự nhiên

tồn tại trong không gian vũ trụ bên ngoài (hình 5). Ngay cả sau khi Einstein tiên đoán

sự phát xạ cưỡng bức, đa số các nhà vật lí vẫn tin rằng việc tạo ra sự đảo lộn mật độ là

quá khó nên nó không thể xảy ra trong tự nhiên. Thực ra mà nói thì hình như các nhà

khoa học đã không xem xét đúng đắn liệu vật chất có tồn tại trong tự nhiên ở trạng thái

khác, ngoài trạng thái cân bằng nhiệt động lực học hay không. Cái gọi là maser vũ trụ

gồm các nguồn như các lớp vỏ khí bao bọc quanh các sao kềnh đỏ, sao chổi, tàn dư

của sao siêu mới, và những đám mây phân tử đang hình thành sao khác. Trong đám

mây khí bao quanh một ngôi sao nóng, bức xạ phát ra từ ngôi sao có thể kích thích các

phân tử khí lên các mức năng lượng cao, rồi phân hủy xuống trạng thái siêu bền. Chỉ

cần tồn tại mức laser thấp thích hợp, sự đảo lộn mật độ có thể xảy ra và sẽ thu được

hoạt động laser. Mặc dù quá trình đó không giống với các maser và laser nhân tạo, và

một lượng lớn năng lượng có thể được phát ra, nhưng sự phát xạ của năng lượng maser

hoặc laser sao không bị giới hạn trong một chùm. Bức xạ phát ra bởi maser vũ trụ

truyền đi xa theo mọi hướng giống như năng lượng phát ra từ đám mây khí nóng giống

sao nào khác.

Ngoài việc tạo ra sự đảo lộn mật độ, cũng cần một vài nhân tố khác nữa để

khuếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm. Ánh sáng phát ra từ sự phát xạ

cưỡng bức được tạo ra trong môi trường laser thường có một bước sóng riêng, nhưng

phải được trích ra có hiệu quả từ môi trường bằng một số cơ chế bao gồm sự khuếch

đại. Công việc này được hoàn thành trong một hộp cộng hưởng, nó phản xạ một số ánh

sáng phát xạ trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác, hình thành hay

khuếch đại cường độ ánh sáng. Ví dụ, sau sự phát xạ cưỡng bức ban đầu, hai photon có

cùng năng lượng và cùng pha mỗi hạt có thể bắt gặp các nguyên tử bị kích thích, rồi thì

sẽ phát ra nhiều photon hơn có cùng năng lượng và cùng pha. Số photon được tạo ra

bởi phát xạ cưỡng bức tăng lên nhanh chóng, và sự tăng này tỉ lệ trực tiếp với khoảng

cách mà ánh sáng truyền trong môi trường laser.

Hình 6 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra với chiều dài đường truyền

tăng lên trong hộp cộng hưởng do các gương đặt ở hai đầu mang lại. Hình 6a cho thấy

sự bắt đầu của phát xạ cưỡng bức, ánh sáng được khuếch đại trong hình 6b đến hình 6g

khi nó bị phản xạ từ các gương đặt ở hai đầu hộp. Một phần ánh sáng truyền xuyên qua

gương phản xạ một phần ở phía bên phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình 6b, d và

f). Cuối cùng, ở trạng thái cân bằng (hình 6h), hộp bão hòa bức xạ cưỡng bức.

Mức độ khuếch đại thu được trong một laser, biểu diễn bằng thuật ngữ độ lợi,

chỉ lượng phát xạ cưỡng bức mà một photon có thể tạo ra khi nó truyền đi một khoảng

cách cho trước. Ví dụ, độ lợi 1,5 /cm nghĩa là một photon sinh ra thêm 1,5 photon nữa

181

trên mỗi cm mà nó truyền đi. Hệ số khuếch đại này tăng lên theo chiều dài đường

truyền của hộp laser. Độ lợi thực tế phức tạp hơn nhiều, và ngoài những nhân tố khác,

nó phụ thuộc vào những dao động trong sự phân bố dân cư giữa các mức năng lượng

laser cao và thấp. Điều quan trọng là lượng khuếch đại tăng rõ rệt với khoảng cách

truyền trong môi trường laser.

Hình 6. Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp laser

Trong laser có hộp cộng hưởng dọc, như thỏi ruby hay ống chứa đầy khí, ánh

sáng truyền dọc theo chiều dài của môi trường laser làm phát sinh nhiều phát xạ cưỡng

bức hơn ánh sáng truyền vuông góc với trục của hộp cộng hưởng. Do đó, sự phát xạ

ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cả khi không dùng gương để giới

hạn đường truyền của nó theo hướng dọc. Việc đặt các gương ở hai đầu của hộp laser

cho phép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch đại do đường truyền qua

môi trường dài hơn. Sự phản xạ nhiều lần cũng tạo ra chùm tập trung cao (một đặc

trưng quan trọng của laser), do chỉ có những photon truyền song song với thành hộp là

bị phản xạ bởi hai gương. Sự xắp xếp này được gọi là dao động tử, và nó cần thiết, vì

đa số vật liệu laser có độ lợi rất thấp và sự khuếch đại đầy đủ chỉ có thể thu được với

đường truyền dài qua môi trường.

Đa số laser hiện nay được thiết kế có các gương ở cả hai đầu của hộp cộng

hưởng để làm tăng quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường laser. Cường độ

phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức cân bằng,

mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Một gương của hộp phản xạ gần như toàn

bộ ánh sáng tới, còn gương kia (gương ra) phản xạ một số ánh sáng và truyền một

phần ra ngoài dưới dạng chùm laser. Trong một laser có độ lợi thấp, gương ra được

chọn sao cho chỉ truyền một phần nhỏ ánh sáng ra ngoài (có lẽ chỉ vài phần trăm) và

phản xạ đa phần ánh sáng trở lại hộp. Ở trạng thái cân bằng, công suất laser ở trong

hộp cao hơn bên ngoài, và thay đổi theo phần trăm ánh sáng truyền qua gương ra.

Bằng cách làm tăng hệ số truyền của gương ra, sự chênh lệch công suất giữa bên trong

và bên ngoài hộp có thể được làm giảm xuống. Tuy nhiên, chỉ cần gương ra phản xạ

một số phần ánh sáng trở lại hộp, công suất ở bên trong vẫn cao hơn bên ngoài trong

chùm tia xuất hiện.

182

Một nhận thức sai lầm về laser là ý tưởng cho rằng tất cả ánh sáng phát xạ bị

phản xạ tới lui trong hộp cho tới khi cường độ của nó đạt tới giới hạn, rồi thì một số

“thoát ra” ngoài qua gương ra dưới dạng chùm tia. Trong thực tế, gương ra luôn luôn

truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại trở vào

hộp. Chức năng này quan trọng trong việc cho phép laser đạt tới trạng thái cân bằng,

với các mức công suất laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên không đổi.

Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng

hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser. Phụ thuộc

vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từ các gương sẽ

hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và

xóa bỏ hoạt động laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn toàn cùng pha, chũng sẽ

vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương. Các sóng cũng sẽ cùng pha khi chạm tới

gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng một số nguyên lần bước sóng. Như

vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh trong hộp, sóng ánh sáng đã truyền

được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp. Nếu khoảng cách đó là một bội số

nguyên của bước sóng, thì các sóng sẽ tăng thêm biên độ bởi sự giao thoa tăng cường.

Khi chiều dài hộp không chính xác là bội số nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu

sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động laser. Phương trình sau đây xác định điều kiện cộng

hưởng phải có để sự khuếch đại mạnh xảy ra trong hộp laser:

N = 2 L (chiều dài hộp)

trong đó N là một số nguyên, và là bước sóng. Điều kiện cộng hưởng thật ra không

quan trọng vì những sự chuyển trạng thái laser thực tế trong hộp phân bổ trong một

phạm vi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóng của ánh sáng cực kì nhỏ so với

chiều dài của một hộp laser điển hình, và nói chung một quãng đường truyền hoàn

chỉnh trong hộp sẽ tương đương với vài trăm ngàn bước sóng ánh sáng được khuếch

đại. Cộng hưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóng nguyên (ví dụ 200 000, 200

001, 200 002,...), và do bước sóng tương ứng rất gần nhau, chúng rơi trong dải thông

độ lợi của laser. Hình 7 minh họa một ví dụ điển hình, trong đó một vài giá trị cộng

hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của laser, vừa khít trong dải thông độ lợi.

Hình 7. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi

Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở

mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua

đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế hộp laser

(hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên

ngoài hộp. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi chiếu lên một bề

mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trong tiết diện ngang của

chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế hộp cộng hưởng cũng ảnh

183

hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách

tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là một nhân tố quan trọng trong việc tính

toán đường kính của chùm tia tại một khoảng cách cho trước.

Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai đầu

của hộp cộng hưởng laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt khái niệm thì

đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rất khó được thực

hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư

thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở

mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh

sáng từ các mặt của hộp. Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặt cầu, thì sự thất thoát

ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bị loại trừ. Do tính hội tụ của

gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác

thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra chính xác dọc theo trục

của hộp. Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kết hợp cả gương phẳng và gương cầu để

đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lại phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại

này có tên là hộp cộng hưởng bền, do ánh sáng phản xạ từ một gương đi tới gương kia

sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếu như không có ánh sáng nào bị thất thoát.

Trong môi trường laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng trong

việc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong laser độ lợi cao, sự mất mát mức

thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp cộng hưởng

không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng lượng từ một thể

tích lớn hơn trong môi trường laser, mặc dù chúng cho phép ánh sáng thất thoát. Các

gương trong laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn các gương trong laser có độ

lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thể truyền một lần qua hộp trước

khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳng hàng của các gương không có tính

quyết định như trong laser độ lợi thấp, nơi mà hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh

sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất hiện ra ngoài.

Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode

dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là một

nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của chùm

tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định bằng

mode ngang của chùm. Những phân bố có khả năng trong cường độ chùm tia được

giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia

biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các rìa ngoài. Các

mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ mode ngang

(Tranverse), mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đó m và n là các số

nguyên. Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ bằng không, giữa

các rìa của chùm theo hai hướng vuông góc nhau (m cho mode E và n cho mode M).

Một chùm laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ về phía

ngoài rìa. Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất, kí hiệu là TEM(00) và có cường độ cắt

ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 8 minh họa một vài trong số nhiều mode

TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số laser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là những laser

được thiết kế cho công suất ra cực đại, hoạt động ở một hoặc nhiều mode bậc cao,

nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này. Mode bậc nhất có thể thu

được dễ dàng trong các laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền, và là mode được ưa

184

chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ có thể tiến đến một giá trị cực tiểu lí

thuyết.

Hình 8. Mode ngang của chùm laser

Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của đốm

laser có thể chiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia trong hộp

cộng hưởng tạo ra một chùm hẹp sau đó phân kì ở một số góc phụ thuộc vào thiết kế

hộp cộng hưởng, kích thước của lỗ hở ra, và gây ra các hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm

tia. Sự nhiễu xạ thường được mô tả là hiệu ứng trải rộng chùm tia, hình thành nên các

vòng nhiễu xạ (gọi là vòng Airy) bao quanh chùm tia khi sóng ánh sáng truyền qua

một lỗ nhỏ. Hiện tượng nhiễu xạ này đặt ra giới hạn về đường kính tối thiểu của đốm

sáng sau khi truyền qua một hệ quang học. Đối với laser, chùm trải rộng từ gương ra

có thể được xem là qua một lỗ nhỏ, và hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia do gương gây

ra sẽ giới hạn độ phân kì tối thiểu và kích thước đốm sáng của chùm. Đối với các chùm

mode TEM(00), nhiễu xạ thường là nhân tố giới hạn sự phân kì của chùm. Giá trị danh

nghĩa của sự phân kì chùm tia được cho bởi mối quan hệ đơn giản sau:

Độ phân kì (radian) = Hằng số . Bước sóng / Đường kính chùm tia

Nếu chùm tia laser truyền qua một hệ quang học, giá trị đường kính thích hợp

trong phương trình trên là đường kính của thành phần cuối mà chùm tia truyền qua.

Hằng số trong phương trình phụ thuộc vào sự phân bố cường độ trong chùm, và có giá

trị rất gần thống nhất với nhau. Mỗi quan hệ rõ ràng cho thấy độ phân kì chùm tia tăng

theo bước sóng, và giảm khi đường kính chùm (hoặc thấu kính ra) tăng. Nói cách khác,

đường kính chùm càng nhỏ thì chùm càng bị phân kì nhiều và càng trải rộng ra theo

khoảng cách so với chùm lớn.

Giá trị của độ phân kì chùm tia đối với một laser cho trước có thể có ý nghĩa

thực hành rất lớn. Laser helium-neon và laser bán dẫn trở thành những công cụ chuẩn

trong lĩnh vực trắc địa. Người ta gởi một xung laser nhanh tới một gương phản xạ góc

đặt tại nơi cần lập bản đồ, và độ trễ của xung laser phản xạ lại có thể được đo chính

xác để thu được khoảng cách tới nơi đặt laser. Trên những khoảng cách ngắn thông

thường, độ phân kì chùm tia không phải là vấn đề quan trọng, những đối với những

phép đo khoảng cách xa, sự phân kì quá mức có thể làm giảm cường độ chùm tia phản

xạ, và cản trở việc đo đạc. Các nhà du hành người Mĩ trên sứ mệnh Apollo 11 và

Apollo 14 đã đặt một cái gương phản xạ góc trên Mặt Trăng, nó sẽ phản xạ ánh sáng

185

từ một laser ruby xung công suất lớn đặt tại đài quan sát MacDonald, ở Texas. Mặc dù

chùm tia trải ra trong bán kính 3km trên bề mặt Mặt Trăng, ánh sáng phản xạ vẫn có

cường độ đủ mạnh để thu nhận được trên Trái Đất. Khoảng cách từ Mặt Trăng đến đài

quan sát Texas được đo với độ chính xác 15cm trong thí nghiệm này, nhưng kể từ thập

niên 1980, những tiến bộ kĩ thuật đã tăng độ chính xác lên dưới 2cm. Những cố gắng

hiện nay đang được thực hiện sử dụng các kính thiên văn công suất lớn để truyền và

nhận các xung ánh sáng từ một vài gương phản xạ đặt trên Mặt Trăng để làm giảm hơn

nữa sai số đo, có thể chỉ khoảng 1mm.

Do cơ chế tạo ra hoạt động laser liên quan tới việc làm tăng số nguyên tử hay

phân tử lên trạng thái kích thích cao nhằm tạo ra sự đảo lộn mật độ cần thiết, nên hiển

nhiên một số dạng năng lượng phải được đưa vào hệ laser. Các photon có thể được áp

dụng để cung cấp năng lượng cần thiết trong một quá trình gọi là bơm quang học.

Bằng cách chiếu sáng vật liệu laser với ánh sáng có bước sóng thích hợp, nguyên tử

hay phân tử phát xạ có thể được đưa lên mức năng lượng cao, từ đó nó rơi xuống mức

siêu bền, và rồi bị cưỡng bức phát xạ ra ánh sáng. Thật may mắn, trong đa số laser, ánh

sáng dùng để bơm không nhất thiết phải có bước sóng đặc biệt, chủ yếu do laser có thể

có nhiều mức cao có thể phân hủy hoàn toàn xuống mức siêu bền. Do đó, một nguồn

ánh sáng không đắt tiền phát ra một ngưỡng rộng bước sóng, như đèn nóng sáng hay

đèn flash, thường có thể được dùng làm bơm quang học cho laser. Một nhân tố quan

trọng giới hạn hiệu suất laser là photon của ánh sáng bơm phải có năng lượng cao (hay

có bước sóng ngắn hơn) so với ánh sáng laser.

Bơm điện là một cơ chế kích thích khác thường được dùng trong laser khí và

laser bán dẫn. Trong laser khí, dòng điện truyền qua chất khí kích thích các nguyên tử

và phân tử vào mức năng lượng cao cần thiết để bắt đầu phân hủy, hoặc phân hủy một

loạt, tạo ra phát xạ laser. Một số laser khí dẫn một dòng không đổi qua chất khí để tạo

sự phát ra laser liên tục, còn những laser dùng xung điện thì tạo ánh sáng laser ra dạng

xung. Một số laser công suất lớn còn sử dụng chùm electron đưa trực tiếp vào chất khí

để kích thích.

Laser bán dẫn hoạt động theo kiểu rất khác, nhưng cũng dựa trên dòng điện để

tạo ra sự đảo lộn mật độ cần thiết. Trong những dụng cụ này, sự nghịch đảo được tạo

ra giữa dân cư của các hạt mang điện (electron và cặp electron-lỗ trống) trong mặt

phẳng tiếp giáp giữa các vùng chất bán dẫn khác nhau. Sự phát xạ ánh sáng trong laser

bán dẫn tập trung trong mặt phẳng tiếp giáp bởi sự phản hồi từ các đầu chẻ của tinh thể

(hình 9). Vật liệu lát mỏng có hệ số phản xạ cao, và phản xạ đủ ánh sáng trở lại tinh

thể để thu được độ lợi. Bề mặt chẻ cũng có thể được đánh bóng để điều chỉnh hệ số

phản xạ. Đầu chẻ điển hình của tinh thể được phủ một vật liệu phản xạ sao cho sự phát

xạ chỉ có thể xảy ra ở một đầu, như được minh họa trên hình 9. Điện thế và dòng điện

cần thiết trong laser bán dẫn thấp hơn nhiều so với laser khí.

186

Hình 9. Diode laser bán dẫn

Các dạng truyền năng lượng khác ít được sử dụng hơn để tạo ra sự chuyển trạng

thái laser mạnh. Các phản ứng hạt nhân và hóa học có thể được dùng để tạo ra sự kích

thích trong một số loại laser. Các laser khí có thể dùng những hỗn hợp khí khác nhau

để thực hiện quá trình laser. Trong laser helium-neon, các nguyên tử helium bắt năng

lượng từ sự phóng điện khí do một dòng điện vào gây ra, rồi truyền sang các mức năng

lượng rất gần nhau tồn tại trong khí neon. Sau đó sự chuyển trạng thái laser xảy ra

trong khí neon để tạo ra phát xạ laser.

Laser vốn dĩ không hiệu quả. Năng lượng phải được cung cấp cho laser, và một

số bị thất thoát trong quá trình biến đổi sang loại năng lượng có trật tự cao hơn là dạng

ánh sáng laser. Như đã nói ở phần trên, đối với laser bơm quang học, ánh sáng laser ra

luôn luôn có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng bơm. Những mất mát năng lượng

khác xảy ra trong các quá trình chuyển mức năng lượng xảy ra trong laser ba mức và

bốn mức. Sau kích thích ban đầu lên mức cao, sự chuyển trạng thái laser tự nó chỉ có

thể giải phóng một phần năng lượng đó, đáng nói là phần còn lại bị mất trong những

quá trình khác. Trong một số hệ thống, với sự chuyển trạng thái laser năng lượng cao,

đa phần năng lượng được dùng chỉ để đưa các loại laser lên mức thích hợp, nằm trên

trạng thái cơ bản. Quá trình kích thích, dù bằng phương pháp điện hay phương pháp

quang, không có hiệu suất 100% - và năng lượng chưa bao giờ được hấp thụ hoàn toàn

bởi môi trường laser. Tất cả những nhân tố chính này, và một số nhân tố thứ yếu không

nói đến ở đây, thật sự giới hạn hiệu suất tổng thể của laser. Mặc dù những laser bán

dẫn hiệu quả nhất và một số laser khí có thể biến đổi gần 10% năng lượng vào thành

ánh sáng laser, nhưng laser điển hình có hiệu suất chỉ cỡ 1% hoặc thấp hơn.

Trong vài thập kỉ kể từ thập niên 1960, laser đã không còn là một ý tưởng khoa

học viễn tưởng, một vật hiếm trong phòng nghiên cứu, một thứ đắt tiền nữa, mà là một

công cụ quý giá trong những ứng dụng khoa học nhất định, nó trở thành một vật thiết

yếu trong công việc hàng ngày, và thông dụng đến mức có thể mua ở những cửa hàng

tạp hóa, có người dùng nó đo kích thước phòng ở để dán giấy lên tường. Bất kì danh

sách nào điểm lại những thành tựu công nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser

nằm ở phần trên đầu. Sự thâm nhập của laser vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể

được đánh giá đúng nhất bằng phạm vi ứng dụng của công nghệ laser. Ở một phía

ngoạn mục của phạm vi này là những ứng dụng trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser

làm vũ khí chống lại sự tấn công bằng tên lửa. Ở một phạm vi khác là những hoạt động

thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in ấn hoặc in sao các văn bản giấy. Các

thanh laser được bán hàng trăm đô la mỗi thanh được xem là những món phụ tùng

187

không đắt tiền, cả người thợ mộc cũng sử dụng laser, và những dụng cụ đo đạc đơn

giản cũng có gắn laser.

Vừa kì lạ vừa bình dị, laser được sử dụng rộng rãi trong điều trị y khoa và phẫu

thuật, và trong việc cắt và hàn các giàn khung bằng thép, cao su, và plastic dùng trong

xưởng chế tạo ô tô và dụng cụ. Nhiệt từ laser được dùng để hàn điểm các kim loại, và

trong các thủ thuật y khoa tinh vi như dán lại võng mạc sau khi mổ tách ra trong kĩ

thuật phẩu thuật mắt người. Những thủ thuật y khoa chính xác cao khác như sửa chữa

các mạch máu hỏng, cắt và đốt cháy mô, thường sử dụng laser. Phần lớn mạng viễn

thông trên thế giới được truyền dẫn bằng việc gởi những tín hiệu laser dạng xung đi

hàng dặm đường trong các sợi cáp quang, và những đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa,

như những bức tranh thời cổ đại, thường được thẩm định sự rạn nứt, hỏng hóc và phục

hồi với sự hỗ trợ của laser. Cùng với máy tính điện tử, mạch tích hợp, và vệ tinh nhân

tạo, công nghệ laser phát triển ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng

ngày của chúng ta, biến những giấc mơ nhiều năm trước đây của loài người thành sự

thật.

188

KĨ THUẬT AN TOÀN LASER

Khi laser lần đầu tiên bắt đầu có mặt trong các phòng thí nghiệm, cả dụng cụ và

ứng dụng của chúng đều quá chuyên dụng nên hoạt động laser an toàn là một vấn đề

gặp phải bởi một nhóm rất hạn chế các nhà nghiên cứu và kĩ sư, và không phải là một

đề tài hứng thú nói chung. Với sự phát triển như vũ bão trong việc ứng dụng laser

trong những hoạt động hàng ngày, cũng như công dụng thường nhật của chúng trong

các phòng thí nghiệm khoa học và môi trường công nghiệp, ngày càng có nhiều nhà

nghiên cứu phải cần thiết đối mặt với vấn đề an toàn laser. Laser trở thành bộ phận

không thể thiếu của nhiều kĩ thuật hiển vi quang hiện nay, và khi kết hợp với những

quang hệ phức tạp, chúng có thể cấu thành một sự rủi ro lớn nếu như các thủ tục an

toàn không được tuân thủ chặt chẽ.

Hình 1. Cấu tạo của mắt người

Hai mối quan tâm chính trong hoạt động laser an toàn là việc phơi ra trước

chùm tia và rủi ro điện đi kèm với điện thế cao bên trong laser và nguồn cấp điện của

nó. Trong khi không có trường hợp được biết nào trong đó chùm laser góp phần dẫn

tới cái chết của con người, nhưng có một vài trường hợp tử vong có thể quy cho là do

tiếp xúc với các bộ phận điện thế cao có liên quan tới laser. Chùm tia có công suất đủ

cao có thể làm đốt cháy da, hoặc trong một số trường hợp, chúng tạo ra sự rủi ro bởi

việc đốt cháy hoặc phá hủy các chất khác, nhưng mối quan tâm chủ yếu đối với chùm

tia laser là khả năng làm hỏng mắt, bộ phận cơ thể nhạy với ánh sáng nhất. Một số cơ

quan chính phủ và những tổ chức khác đã phát triển các tiêu chuẩn an toàn laser, một

số trong đó có thể thực thi về mặt pháp lí, còn một số đơn thuần chỉ là những khuyến

cáo để mọi người tự nguyện chấp thuận. Đa số các tiêu chuẩn yêu cầu pháp lí gắn với

các nhà chế tạo thiết bị laser, mặc dù những người dùng cuối của laser có mối quan

tâm lớn nhất đến sự hoạt động an toàn – nhằm ngăn ngừa sự thương tổn suy nhược cơ

thể hoặc thậm chí dẫn tới cái chết.

Việc phá hỏng xảy ra ngay tức thì, và sự đề phòng phải được quan tâm để hạn

chế tối đa rủi ro, vì việc tránh xa vào thời điểm cuối là không thể. Phát xạ laser giống

như sự phơi ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở chỗ ánh sáng đi vào mắt theo các chùm tia

song song, chúng được hội tụ rất hiệu quả trên võng mạc, vùng bề mặt sau của mắt rất

nhạy với ánh sáng. Cấu tạo tổng quát của mắt người được minh họa trong hình 1, trong

đó nhấn mạnh các cấu trúc dễ bị phá hủy do hấp thụ bức xạ cường độ cao. Rủi ro tiềm

tàng cho mắt phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng laser, cường độ chùm tia, khoảng cách

189

đến laser, và công suất laser (cả công suất trung bình trong một khoảng thời gian dài

và công suất cực đại tạo ra trong một xung). Bước sóng của ánh sáng laser là quan

trọng, vì chỉ có ánh sáng nằm trong vùng bước sóng từ gần 400 đến 1400nm mới có

thể thâm nhập vào mắt hiệu quả để phá hủy võng mạc. Ánh sáng tử ngoại gần có bước

sóng nhất định có thể làm phá hủy các lớp bề mặt phía sau mắt, và có thể góp phần làm

đục thủy tinh thể, nhất là ở những người trẻ tuổi, những người có mô mắt có độ trong

suốt cao trong vùng bước sóng này. Ánh sáng hồng ngoại gần cũng có thể gây ra sự

phá hủy bề mặt, mặc dù không gây nghiêm trọng như ánh sáng tử ngoại.

Phản ứng vật lí của mắt người khác nhau đối với ánh sáng có bước sóng khác

nhau, và điều này dẫn tới sự phá hủy tiềm tàng có thể xảy ra vì một vài lí do sẽ được

nói tới trong phần sau. Laser xung có sự rủi ro khác với laser tạo ra chùm liên tục.

Trong thực tế, laser hoạt động ở dạng xung nói chung có công suất cao hơn, và một

xung laser miligiây hiệu quả có thể gây phá hủy mãi mãi nếu nó đi vào mắt, còn một

chùm liên tục công suất thấp hơn chỉ có thể gây rủi ro nếu như phơi sáng lâu. Vùng

phổ gây lo lắng nhất cấu thành nên vùng nguy hiểm cho võng mạc, trải rộng từ khoảng

400nm (màu tím) đến 1400nm (hồng ngoại gần), gồm toàn bộ phần nhìn thấy của phổ

bức xạ điện từ. Mối nguy hiểm có mặt bởi những bước sóng này tăng thêm do thực tế

là mắt có khả năng hội tụ chúng, và ánh sáng chuẩn trực thuộc vùng này được mắt làm

hội tụ lên một đốm rất nhỏ trên võng mạc, tập trung công suất của nó đến mật độ cao.

Phân loại laser

Trong số nhiều tiêu chuẩn an toàn do các cơ quan chính phủ và tổ chức khác

phát triển, đa số người ta hay dựa trên loạt tiêu chuẩn Z136 của Viện Tiêu chuẩn quốc

gia Hoa Kì. Chuẩn an toàn laser ANSI Z136 là cơ sở cho các dự luật công nghệ An

toàn nghề nghiệp và Bảo vệ sức khỏe (OSHA) dùng để đánh giá việc laser gây hại cho

mô, và cũng là cơ sở tham chiếu cho các dự luật an toàn nghề nghiệp của nhiều bang,

nước khác gắn liền với vỉệc sử dụng laser. Tất cả các sản phẩm laser bán ở Mĩ từ năm

1976 đều yêu cầu phải được chứng nhận của nhà sản xuất là đáp ứng các tiêu chuẩn an

toàn danh nghĩa của sản phẩm đối với loại sản phẩm chỉ định của họ, và chúng phải

được dán nhãn loại của chúng. Những kết quả nghiên cứu cùng với sự hiểu biết tích

lũy về sự nguy hiểm của ánh sáng Mặt Trời và các nguồn sáng khác đã dẫn tới việc

thiết lập các giới hạn phơi sáng an toàn danh nghĩa ước tính cho đa số loại bức xạ

laser. Một hệ thống phân loại mức nguy hiểm laser, dựa trên sự phơi sáng tối đa chấp

nhận được đã biết và kinh nghiệm thu được từ nhiều năm sử dụng laser, đã được phát

triển để đơn giản hóa việc áp dụng các thủ tục an toàn nhằm làm giảm thiểu hoặc ngăn

ngừa tai nạn. Nhà chế tạo laser phải chứng nhận sản phẩm laser thuộc một trong các

loại, hoặc các nhóm nguy hiểm, và dán nhãn cho phù hợp. Bốn loại laser chủ yếu được

tóm lược trong danh sách dưới đây. Cũng cần nhấn mạnh rằng đây là một bản tóm tắt

thôi, và nó không phải là sự trình bày đầy đủ về các quy tắc phân loại laser của bất kì

tổ chức nào.

Laser loại I được xem là an toàn, dựa trên những hiểu biết hiện nay, dưới

bất kì điều kiện phơi sáng nào vốn có trong thiết kế của sản phẩm. Các dụng

cụ công suất nguồn thấp (0,4 mW tại bước sóng khả kiến) sử dụng laser

thuộc loại này bao gồm các máy in laser, máy hát đĩa CD, và thiết bị trắc

địa, và chúng không được phép phát ra các mức bức xạ quang trên giới hạn

phơi sáng đối với mắt. Một laser rủi ro hơn có thể được bao bên trong một

190

sản phẩm laser loại I, nhưng không có bất kì bức xạ nguy hiểm nào được

phép thoát ra ngoài trong khi hoạt động hoặc duy trì. Không có yêu cầu an

toàn nào được ghi rõ khi sử dụng loại laser này.

Loại IA là thiết kế chuyên dụng cho các laser không có khuynh hướng nhìn,

ví dụ như máy quét laser mã vạch ở siêu thị. Được phép có công suất cao

hơn laser loại I (không quá 4 mW), nhưng không được vượt quá giới hạn

loại I trong khoảng thời gian phát xạ hơn quá 1000 giây.

Loại II là các laser công suất thấp phải phát ra một chùm tia nhìn thấy. Độ

sáng của chùm tia dựa trên cơ sở ngăn cản việc nhìn chằm chằm vào chùm

tia trong một thời gian đủ lâu để làm cho mắt bị hỏng. Những laser này bị

giới hạn công suất phát dưới 1mW, thấp hơn độ phơi sáng lớn nhất được

phép đối với sự phơi sáng nhất thời 0,25 giây hoặc ít hơn. Phản ứng khó

chịu tự nhiên đối với ánh sáng khả kiến có độ sáng này giúp bảo vệ mắt khỏi

bị phá hủy, nhưng bất cứ sự cố ý nhìn quá thời gian nào cũng sẽ đều dẫn tới

hỏng mắt. Một số ví dụ laser thuộc loại này là các laser thuyết trình dùng

trong lớp học, các con trỏ laser, và những dụng cụ đo xa.

Laser loại IIIA là những dụng cụ phát sóng liên tục công suất trung bình (1-

5 mW), có ứng dụng tương tự như laser loại II, gồm các máy quét laser và

con trỏ laser. Chúng được xem an toàn khi nhìn trong chốc lát (dưới 0,25

giây), nhưng không nên nhìn trực diện hoặc nhìn qua bất kì dụng cụ quang

phóng đại nào.

Laser loại IIIB có công suất trung bình (sóng liên tục 5-500 mW, hoặc 10

J/cm2 trong laser xung), và không an toàn khi nhìn trực diện hoặc nhìn qua

sự phản xạ phản chiếu. Những đo đạc an toàn đặc biệt được khuyến nghị

trong tiêu chuẩn điều khiển sự rủi ro của laser thuộc loại này. Ví dụ ứng

dụng của laser thuộc loại này là quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu và các

sô diễn ánh sáng giải trí.

Laser loại IV phát ra công suất cao, vượt quá giới hạn dành cho dụng cụ

IIIB, và yêu cầu phải điều khiển nghiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm trong lúc

sử dụng chúng. Cả chùm tia trực tiếp lẫn chùm tia phản xạ khuếch tán từ

laser loại này đều làm hỏng mắt và da, và có khả năng gây cháy tùy thuộc

vào chất liệu mà chúng chạm tới. Đa số tổn thương cho mắt vì laser là do sự

phản xạ của ánh sáng laser loại IV, và vì vậy mọi bề mặt phản xạ phải giữ ra

xa chùm tia và phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp mọi lúc khi làm việc với

các laser này. Laser thuộc loại này được dùng cho phẫu thuật, cắt, khoan, vi

gia công cắt gọt, và hàn.

Mặc dù chuẩn ANSI Z136 phân loại laser ra làm loại I đến loại IV, nhưng một

kế hoạch phân loại mức nguy hiểm laser mới rất có thể phải đưa vào bản sửa đổi mới

của chuẩn ANSI, một nỗ lực nhằm mang lại sự hài hòa với chuẩn quốc tế như chuẩn đã

được công nhận bởi Ủy ban Kĩ thuật điện quốc tế (IEC) và chuẩn vừa mới được thông

qua bởi Cơ quan quản lí Dược phẩm và Thực phẩm của Mĩ. Sự thay đổi các chuẩn chủ

yếu nhằm để đáp ứng sự phát triển nhanh của các con trỏ laser và những dụng cụ

tương tự rất có thể được sử dụng bởi những người không quen thuộc với sự phòng

ngừa an toàn laser, và những đặc điểm đặc biệt của các nguồn hội tụ cao độ như doide

191

laser. Ảnh hưởng các các thay đổi tương đối nhỏ, và nói chung là tiếp tục nới lỏng các

quy tắc xuất hiện cùng với sự tích lũy dữ liệu và kinh nghiệm kể từ các tiêu chuẩn ban

đầu rất thận trọng được phát triển trong những năm 1970.

Hình 2. Đặc trưng truyền sáng của mắt người

Kế hoạch phân loại mới vẫn giữ lại bốn loại laser chủ yếu, loại 1 đến 4, nhưng

đưa ra thêm bản mở rộng của các loại 1, 2 và 3 với yêu cầu ít nghiêm ngặt hơn và các

loại con đặc biệt của mỗi loại là: 1M, 2M và 3R. Nói chung, các loại mới thường được

mô tả như sau: Loại 1M gồm các laser không có khả năng phá hỏng mắt người trừ khi

nhìn với các thiết bị quang. Loại 2M là các laser phát ra ánh sáng khả kiến, chúng an

toàn khi nhìn, không được sử dụng trong các thiết bị quang, lên tới 0,25 giây. Trong

khoảng thời gian đó, phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng chói, cùng với phản

xạ chớp mắt, bảo vệ mắt khỏi bị phá hỏng võng mạc. Loại 3R gồm các laser kém an

toàn khi nhìn trực diện, và cho phép có công suất gấp tới 5 lần công suất laser loại 1

hoặc loại 2. Những đo đạc khác phải được tiến hành nhằm ngăn cản sự đi trực tiếp vào

mắt, nhất là với những bước sóng không nhìn thấy.

Tổn hại cho mắt

Cần lưu ý rằng cảnh báo chung cho đa số các loại laser là tránh nhìn chùm tia

qua bất cứ dụng cụ quang phóng đại nào. Nguy hiểm chủ yếu cho mắt người vì laser là

do bản thân mắt chính là một dụng cụ quang hội tụ một cách chính xác và hiệu quả ánh

sáng trong một vùng bước sóng nhất định. Sử dụng laser kết hợp với kính hiển vi

quang học chỉ làm tăng thêm mối nguy hại tiềm tàng cho mắt. Thông thường thì các

phòng thí nghiệm quang học chứa nhiều loại laser, vừa làm các thành phần tích hợp

của hệ thống như kính hiển vi huỳnh quang, vừa làm nguồn sáng cho bản quang mở.

Nguy hiểm chính do những laser “mở” này mang lại là khả năng phá hủy mắt từ các

chùm nằm ngang bị tản lạc tại chiều cao bàn, các chùm tia phản xạ khỏi mặt bàn, và sự

phản xạ từ các bộ phận quang và các mặt phản xạ bên ngoài, như khóa thắt lưng, đồng

hồ, đồ trang sức và bất kì mặt phản xạ nào trong phòng. Thậm chí chỉ cần hứng một

phần nhỏ của chùm sáng laser cũng có thể đủ để làm thương tổn vĩnh viễn và mất thị

lực.

Khả năng phát xạ laser làm thương tổn các cấu trúc khác nhau của mắt phụ

thuộc vào cấu trúc nào hấp thụ năng lượng chùm tia. Đặc trưng hấp thụ của các mô

mắt khác nhau, và bước sóng và cường độ của ánh sáng laser xác định sự nguy hiểm

192

xảy ra cho giác mạc, thủy tinh thể, hay võng mạc. Các bước sóng lọt vào võng mạc ở

mặt phía sau mắt được xác định bởi đặc trưng truyền sáng tổng thể của mắt. Hình 2

minh họa độ truyền sáng của mắt là một hàm của bước sóng bức xạ trên vùng phổ có

liên quan. Giác mạc, thủy tinh thể, và thủy tinh dịch của mắt cho truyền qua bức xạ

điện từ trong vùng bước sóng xấp xỉ 400 đến 1400nm, gọi là vùng tụ của mắt. Ánh

sáng trong vùng này được hội tụ lên võng mạc, mặt cảm giác đó tạo ra tín hiệu truyền

lên não bằng dây thần kinh thị giác. Việc nhìn trực tiếp một nguồn sáng điểm, như tình

huống thực sự được tạo ra trong khi nhìn trực diện một chùm tia laser chuẩn trực cao,

tạo ra một đốm hội tụ rất nhỏ trên võng mạc, gây ra mật độ công suất tăng lên rất lớn

và khả năng gây nguy hiểm cao độ. Sự nguy hiểm xảy ra tương tự như khi nhìn trực

tiếp ánh sáng Mặt Trời, mặc dù cường độ sáng laser thì cao hơn nhiều.

Độ lợi quang học của mắt người thư giãn đối với một chùm tia chuẩn trực cao,

là tỉ số của diện tích con ngươi của mắt và diện tích ảnh (hội tụ) trên võng mạc, là vào

bậc 100.000. Con số này tương ứng với 5 bậc độ lớn chiếu sáng tăng từ mặt giác mạc

tới võng mạc. Cho phép quang sai trong hệ thủy tinh thể - giác mạc, và nhiễu xạ tại

mống mắt, một con mắt hiệu chỉnh tốt có khả năng hội tụ một đốm sáng 20 micrô mét

lên võng mạc. Ý nghĩa của tính hiệu quả này của mắt là ngay cả một chùm laser công

suất thấp, nếu nó chạm tới mắt, cũng có thể được hội tụ lên võng mạc và nhanh chóng

đốt cháy một lỗ ở trong mô, làm phá hỏng vĩnh viễn dây thần kinh thị giác. Trong

trường hợp chùm laser đi vào mắt trực tiếp (nhìn trực diện), một chùm 1 mW tạo ra giá

trị độ rọi võng mạc vào bậc 100 W/cm2. Hãy so sánh, việc nhìn trực tiếp Mặt Trời tạo

ra độ rọi tại võng mạc xấp xỉ 10 W/cm2.

Hình 3 minh họa kết quả hội tụ trong mắt đối với một nguồn trải rộng, như một

bóng đèn thủy tinh thông thường, so với chùm laser chuẩn trực cao có tính chất thật sự

của một nguồn điểm. Do sự khác biệt bản chất của các nguồn sáng, nên mật độ công

suất tại võng mạc đối với một chùm laser 1 mW hội tụ có thể lớn hơn 1 triệu lần so với

một bóng đèn 100W chuẩn. Giả sử một chùm laser Gauss hoàn hảo, trực tiếp đi vào

một con mắt không có quang sai, thì kích thước đốm giới hạn nhiễu xạ có đường kính

2m tại võng mạc là khả dĩ, so với đốm hội tụ kích thước vài trăm m đối với nguồn

trải rộng. Giá trị độ rọi (mật độ công suất) tương ứng tại võng mạc, như chỉ rõ trong

hình 3, xấp xỉ 108

và 102 W/m

2.

Có thể nghĩ rằng một đốm cháy trên võng mạc đo được thậm chí 20m sẽ

không ánh sáng đáng kể đến thị lực, vì võng mạc chứa hàng triệu tế bào hình nón. Tuy

nhiên, các thương tổn võng mạc thực tế thường lớn hơn đốm hội tụ cơ bản do các hiệu

ứng âm và nhiệt thứ cấp, và tùy thuộc vào vị trí, thậm chí một thương tổn cực kì nhỏ

đối với võng mạc cũng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho thị lực. Trong trường

hợp phơi sáng tệ hại nhất, với con mắt thư giãn (hội tụ tại vô cùng) và chùm laser đi

vào mắt trực tiếp hoặc từ một sự phản xạ phản chiếu, thì chùm tia được hội tụ đến kích

thước đốm nhỏ nhất của nó trên võng mạc. Nếu sự phá hủy xảy ra tại nơi dây thần kinh

thị giác đi vào mắt thì kết quả sẽ là sự mất hoàn toàn thị lực. Sự cháy võng mạc rất

thường xảy ra tại khu vực nhìn chính giữa, tức điểm vàng, có kích thước ngang chừng

2mm và dọc 0,8mm. Vùng chính giữa của điểm vàng, gọi là hốc giữa, có đường kính

chỉ khoảng 150 m và mang lại sự nhìn sắc nét cao và cảm giác màu sắc. Các vùng

võng mạc nằm ngoài khu vực nhỏ xíu này cảm nhận ánh sáng và phát hiện chuyển

động, cấu thành sự nhìn ngoại biên, nhưng không góp phần cho sự nhìn chi tiết. Do đó,

193

sự phá hủy điểm vàng, mặc dù cấu trúc này chỉ chiếm khoảng 3-4% diện tích võng

mạc, có thể làm mất tức thời sự nhìn tốt.

Hình 3. Mật độ công suất nguồn trải rộng và nguồn điểm tại võng mạc

Dải bước sóng truyền qua các cấu trúc bên ngoài của mắt và đi tới võng mạc

gồm toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến từ màu lam (400nm) tới màu đỏ (700nm) và vùng

hồng ngoại gần có bước sóng 700-1400nm (IR-A). Vì võng mạc không phản ứng với

bức xạ nằm ngoài phổ khả kiến, nên không có cảm giác nào sinh ra trong mắt khi phơi

ra trước ánh sáng hồng ngoại gần, kết quả là mang lại sự rủi ro lớn hơn nhiều đối với

các laser hoạt động trong vùng phát xạ này. Mặc dù không nhìn thấy, nhưng chùm tia

vẫn hội tụ lên võng mạc. Như đã đề cập ở trên, vì tính hội tụ hiệu quả của mắt, nên một

lượng tương đối nhỏ bức xạ laser cũng có thể làm thương tổn võng mạc, và trong một

số trường hợp còn gây ra hậu quả thị lực nghiêm trọng. Laser dạng xung phát ra cường

độ cao có thể gây ra sự xuất huyết khi hội tụ trong mắt, và sự phá hủy có thể mở rộng

ra khoảng cách lớn tính từ khu vực hội tụ. Thương tổn võng mạc thì không lành, và nói

chung là không chữa được.

Sự hấp thụ trong các bộ phận khác của mắt, chủ yếu là giác mạc và thủy tinh

thể, làm hạn chế sự phơi sáng cho võng mạc đối với vùng bước sóng tụ của mắt, đó

cũng có thể xem là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc. Trong quá trình hấp thụ, các

cấu trúc hấp thụ tự chúng trở thành đối tượng bị phá hủy. Chỉ mô nào hấp thụ bức xạ,

và những mô lân cận tức thời xung quanh nó, là đối tượng bị thương tổn và đa số

trường hợp phá hủy gay gắt là do phơi ra trước bức xạ laser bên ngoài vùng bước sóng

400-1400nm không có các hiệu ứng tồn tại lâu. Giác mạc xử sự giống như da ở chỗ nó

chịu sự bồi tiếp liên tục, và chỉ một sự phá hủy hơi gay gắt làm dơ nó cũng có thể có

một số ảnh hưởng đến thị lực. Đa số nguy hiểm cho giác mạc là do bức xạ laser trong

vùng phổ hồng ngoại xa và tử ngoại.

Vì mức độ hội tụ cao xảy ra bên trong mắt, nên việc phơi sáng trước một chùm

laser kết hợp tương đối yếu có thể gây ra sự phá hủy vĩnh viễn, tức thời. Bởi vậy, khi

sử dụng một laser mạnh, một sự phản xạ phản chiếu (nhằm duy trì chùm tia kết hợp)

chỉ vài phần trăm, trong một phần nhỏ của giây, có khả năng gây ra tổn hại cho mắt.

Trái lại, khi chùm tia laser bị tán xạ bởi sự phản xạ từ một bề mặt gồ ghề, hoặc thậm

chí từ bụi bặm trong không khí, thì tia phản xạ khuếch tán đi vào mắt ở góc lớn hơn.

194

Với năng lượng chùm tia trải ra trong một phạm vi rộng hơn, nên tia phản xạ có đặc

trưng của một nguồn trải rộng, và tạo ra ảnh lớn hơn trên võng mạc, so với sự hội tụ

tập trung tạo ra bởi một nguồn điểm (xem hình 3). Sự khuếch tán của chùm tia theo

kiểu này làm giảm nguy cơ phá hỏng mắt, không chỉ bằng việc làm tăng kích thước

nguồn và làm giảm mật độ công suất, mà còn phá vỡ sự kết hợp của chùm tia khá tốt.

Bảng 1. Ảnh hưởng sinh học của bức xạ laser

Miền phổ quang sinh học (Dải CIE)

Ảnh hướng đến mắt Ảnh hướng đến da

Tử ngoại C (200-280 nm)

Quang sừng hóa Ban đỏ (cháy nắng)

Ung thư da

Tử ngoại B (280-315 nm)

Quang sừng hóa Ban đỏ (cháy nắng)

Tăng lão hóa da, sạm da

Tử ngoại A (315-400 nm)

Quang hóa tử ngoại Đục nhãn mắt

Sạm đen Cháy da

Khả kiến (400-780 nm)

Thương tổn võng mạc do nhiệt và quang hóa

Giảm thị lực màu sắc và nhìn đêm

Cháy da Phản ứng nhạy sáng

Hồng ngoại A (780-1400 nm)

Cháy võng mạc Đục nhãn mắt

Cháy da

Hồng ngoại B (1400-3.000 nm)

Cháy giác mạc Tóe thủy dịch

Đục nhãn hồng ngoại Cháy da

Hồng ngoại C (3.000-1.000.000 nm)

Cháy giác mạc Cháy da

Khả năng phá hỏng mắt có thể phân loại đối với bước sóng laser và cấu trúc

mắt bị ảnh hưởng, với những thương tổn lớn nhất cho võng mạc và gây ra bởi bức xạ

trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần. Sự cháy nhiệt, sự phá hủy âm học, hoặc

sự biến đổi quang hóa có khả năng xảy ra tùy thuộc vào năng lượng hấp thụ. Các hiệu

ứng sinh học tác động lên mô mắt, biểu hiện trong những dải bước sóng khác nhau,

được tóm lược như sau, và được kê trong bảng 1.

Tử ngoại B và C (200-315nm): Bề mặt giác mạc hấp thụ mọi ánh sáng tử ngoại

trong vùng này, ngăn cản những bước sóng này đi tới võng mạc. Một dạng sừng hóa

(cũng còn gọi là chớp sáng của thợ hàn) có thể để lại qua một quá trình quang hóa làm

biến tính các protein trong giác mạc. Ngoài công suất laser, bức xạ trong vùng này còn

có thể phát sinh từ ánh sáng bơm laser, hoặc một thành phần ánh sáng lam từ một

tương tác mục tiêu, đòi hỏi phải cảnh báo thêm ngoài các cảnh báo bởi chuẩn ANSI,

chuẩn chỉ xem xét công suất laser. Loại tổn thương mắt này thường không tồn tại lâu

do sự tái sinh nhanh chóng của các mô giác mạc.

Tử ngoại A (315-400nm): Giác mạc và thủy dịch cho truyền qua vùng bước

sóng này, sau đó chúng chủ yếu bị hấp thụ bởi thủy tinh thể của mắt. Sự biến tính

quang hóa của các protein có thể dẫn tới bệnh đục nhãn mắt.

Ánh sáng khả kiến và hồng ngoại A (400-1400nm): Vùng phổ này thường được

gọi là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc, do trong thực tế giác mạc, thủy tinh thể và

thủy tinh dịch của mắt là trong suốt đối với những bước sóng này, và năng lượng ánh

sáng bị hấp thụ trong võng mạc. Sự phá hủy võng mạc có thể xảy ra qua quá trình

nhiệt hoặc quang hóa. Sự phá hủy quang hóa đối với các tế bào cảm quang của võng

mạc có thể làm giảm lượng ánh sáng hoặc cảm giác màu, và các bước sóng hồng ngoại

có thể gây ra bệnh đục nhãn mắt ớ thủy tinh thể. Thương tổn có khả năng nhất khi

năng lượng laser bị hấp thụ đủ là mắt bị cháy nhiệt, trong đó sự hấp thụ ánh sáng bởi

195

các hạt melanin và các biểu mô sắc tố chuyển hóa thành nhiệt. Sự hội tụ bức xạ laser

bởi giác mạc và thủy tinh thể trong dải bước sóng này làm khuếch đại độ rọi lên chừng

100.000 lần tại võng mạc. Đối với laser ánh sáng khả kiến công suất tương đối thấp,

khả năng thương tổn sẽ giảm bớt do phản xạ khó chịu (mất chừng 0,25 giây) làm tránh

được chùm tia sáng chói. Tuy nhiên, nếu năng lượng laser để gây ra phá hủy ngắn hơn

0,25 giây, thì cơ chế phòng vệ tự nhiên này không hiệu quả, hoặc không mang lại bất

cứ sự bảo vệ nào cho dải hồng ngoại gần không nhìn thấy có bước sóng giữa 700 và

1400nm. Laser hoạt động ở dạng xung còn có rủi ro khác nữa do khả năng phát sóng

gây sốc âm trong mô võng mạc. Các xung laser có thời gian dưới 10 micro giây gây ra

các sóng gây sốc làm vỡ mô. Loại thương tổn này là vĩnh viễn và có thể gay gắt hơn sự

cháy nhiệt, vì sự phá hủy âm thường ảnh hưởng tới một vùng rộng hơn của võng mạc,

và yêu cầu năng lượng tạo ra hiệu ứng thấp hơn. Bởi vậy, độ phơi sáng cực đại được

phép trong các chuẩn điều chỉnh phải giảm xuống đối với laser xung ngắn.

Hồng ngoại B và hồng ngoại C (1.400 – 1.000.000nm): Ở những bước sóng dài

hơn 1400nm, giác mạc hấp thụ năng lượng do thành phần nước của mô và màng nước

mắt tự nhiên, và sự tăng nhiệt độ thu được gây ra sự biến tính của các protein nằm gần

bề mặt. Chiều sâu xâm nhập tăng lên ở những bước sóng dài hơn, và các ảnh hưởng

nhiệt lên protein thủy tinh thể, ở nhiệt độ tới hạn không cao lắm so với nhiệt độ cơ thể

bình thường, có thể dẫn đến sự kéo mây, thường gọi là đục nhãn mắt hồng ngoại.

Ngoài việc hình thành bệnh đục nhãn và cháy giác mạc, bức xạ hồng ngoại còn có thể

làm tóe thủy dịch, trong đó môi trường thủy dịch trong suốt bình thường của khoang

phía trước bị tổn hại vì các mạch máu bị vỡ.

Nói chung, bức xạ laser tử ngoại và hồng ngoại gần bị hấp thụ tại giác mạc hoặc

thủy tinh thể, và kết quả của nó phụ thuộc vào cường độ và thời gian phơi sáng. Ở

cường độ cao, sự cháy nhiệt tức thời xảy ra, còn sự phơi sáng thấp hơn có thể dẫn đến

bệnh đục nhãn mắt trong thời gian nhiều năm. Các mô màng kết của mắt cũng có thể

bị thương tổn do phơi sáng laser, mặc dù sự phá hủy các mô màng kết và màng sừng

thường xảy ra ở các mức công suất cao hơn so với thương tổn võng mạc. Vì thương

tổn võng mạc tạo ra những kết quả tức thì nghiêm trọng hơn, nên sự tổn hại màng sừng

thường chỉ được xem là một mối quan tâm nghiêm trọng đối với các laser hoạt động ở

những bước sóng không tới được võng mạc (về cơ bản là hồng ngoại xa và tử ngoại).

Nguy hiểm cho da

Mối nguy hiểm laser đối với sự phơi sáng da thường được xem là kém quan

trọng hơn mối nguy hại cho mắt, mặc dù cùng với sự tăng cường sử dụng các hệ laser

công suất ngày càng cao, nhất là các bộ phát tử ngoại, thì lớp da không được bảo vệ có

thể phơi ra trước mức độ bức xạ cực kì nguy hiểm trong những hệ không được đóng

kín hoàn toàn. Vì da là cơ quan rộng nhất của cơ thể, nên nó có sự rủi ro lớn nhất đối

với việc phơi sáng trước chùm laser, và đồng thời bảo vệ có hiệu quả đa số các cơ quan

khác khỏi bị phơi sáng (với ngoại lệ là mắt). Điều quan trọng là hãy xét nhiều laser

được thiết kế cho mục đích làm biến đổi vật liệu, như cắt hoặc khoan các vật liệu có

sức chịu đựng lớn hơn da rất nhiều. Bàn tay, cánh tay và đầu là các bộ phận của cơ thể

rất dễ bị phơi sáng tình cờ trước chùm tia laser khi canh chỉnh hoặc điều chỉnh những

thiết bị thực nghiệm khác đang hoạt động, và nếu chùm tia có cường độ đủ mạnh, thì

sự cháy nhiệt, phá hủy quang hóa, và thương tổn âm có thể xảy ra.

196

Nguy hiểm lớn nhất cho da đến từ mật độ công suất cao của chùm tia laser và

bước sóng của bức xạ xác định mức độ sâu của da bị phá hủy và loại thương tổn do nó

mang lại. Chiều sâu xâm nhập của bức xạ laser vào da là lớn nhất trong vùng bước

sóng chừng 300-3000nm, đạt tới cực đại trong vùng phổ hồng ngoại A tại khoảng

1000nm. Nếu laser có khả năng gây phá hủy da được sử dụng, thì những phòng ngừa

tương xứng phải được thực hiện nhằm bảo vệ da, ví như mặc áo tay dài và mang găng

tay làm từ chất liệu chịu lửa thích hợp. Trong nhiều trường hợp, công suất laser thấp

hơn có thể được sử dụng cho thủ tục canh chỉnh được yêu cầu trong những thí nghiệm

dự tính trước.

Mối nguy về điện

Mối nguy hiểm đi cùng với các bộ phận điện hoặc nguồn cấp điện cho laser về

cơ bản là giống nhau cho hầu hết các loại, và sự phòng ngừa an toàn riêng cho mỗi cấu

hình hoặc mỗi loại laser là không cần thiết. Trong số các loại laser thiết thực chủ yếu,

như laser khí, laser chất rắn, laser chất nhuộm, và laser chất bán dẫn, trừ các loại laser

bán dẫn ra thì tất cả đều yêu cầu hiệu điện thế cao, và thường là dòng điện cao, để tạo

ra chùm tia. Cho dù là điện thế cao được áp trực tiếp vào môi trường laser chính hay

vào đèn bơm hoặc laser bơm, thì nó vẫn có mặt tại một số điểm trong hệ thống. Tình

huống đặc biệt nguy hiểm được tạo ra trong laser là nó vẫn có thể tích điện thế cao

trong các tụ điện hoặc những bộ phận khác một thời gian lâu dài sau khi laser đã tắt.

Tình huống này đặc biệt phổ biến ở laser xung, và phải luôn luôn cẩn thận khi mà lớp

vỏ bọc thiết bị đã bị tháo ra vì lí do gì đó. Phương pháp an toàn nhất là luôn luôn giả

định rằng một mối hiểm họa gây sốc đang có mặt, cho tới khi tình trạng khác được xác

định. Nhiều laser sử dụng điện thế cao chỉ cho đến khi phát xạ laser được thiết lập, và

rồi hoạt động ở mức điện thế tương đương với các dụng cụ điện gia dụng, nhưng đây

không phải là sự biện hộ cho sự thiếu đề phòng thích hợp cho bất cứ dụng cụ điện nào.

An toàn laser đối với laser dùng trong kính hiển vi thông dụng

Laser và các hệ thiết bị hoàn chỉnh có chứa laser phải đáp ứng những tiêu chuẩn

an toàn nhất định. Tùy thuộc vào loại nguy hiểm của chúng, laser được yêu cầu phải có

màn chắn, khóa chuyển điều khiển, hoặc những dụng cụ khác để ngăn ngừa tổn hại.

Các kí hiệu cảnh báo được sử dụng tại mọi nơi trong phòng có laser có khả năng gây

tổn hại, và tại những vị trí gần laser, nơi có mức độ nguy hại cao (một số ví dụ minh

họa trong hình 4). Trong những dụng cụ chứa chùm tia sao cho người không thể đi tới

mắt người sử dụng, như máy in laser và máy hát đĩa CD, sự phòng ngừa là không cần

thiết.

Nhiều laser trong phòng thí nghiệm có tính chất tương tự như laser công suất

cao dùng trong các tổ hợp công nghiệp phát ra cùng bước sóng, và có thể yêu cầu che

chắn nhằm bảo vệ người điều khiển. Bước sóng phát của một số laser được sử dụng

phổ biến được tóm lược trong bảng 2. Trong tình huống làm việc trong đó không thể

loại trừ tuyệt đối việc phơi sáng mắt trước chùm laser, thì phải mang kính bảo hộ. Về

cơ bản thì kính bảo hộ được thiết kế nhằm chặn lại ánh sáng tại những bước sóng đặc

biệt phát ra bởi laser đang sử dụng, còn ánh sáng truyền qua ở những bước sóng khác

cho phép sự nhìn thích đáng. Điều quan trọng là phải có một bộ lọc laser cho mỗi loại

laser – không có loại kính bảo hộ chung nào sử dụng được hết cho hết thảy loại laser

hoặc cho hết tất cả các vạch phát xạ có thể của laser đa bước sóng. Vì ánh sáng laser

197

có thể đi đến từ bất cứ góc nào, trực tiếp hoặc bởi sự phản xạ từ các bề mặt, nên kính

bảo hộ phải chặn được tất cả các đường đi có thể tới mắt.

Hình 4. Kí hiệu cảnh báo sự nguy hiểm của laser

Laser sapphire titanium pha tạp (thường gọi là laser Ti:sapphire) là một ví dụ

linh hoạt của loại laser chất rắn có thể điều hướng được. Loại laser này yêu cầu bơm

quang học bằng một đèn flash bên trong hoặc một laser khác, có thể gắn bên trong

hoặc bên ngoài hệ laser chính. Vì những cấu hình khác nhau của hệ laser Ti:sapphire,

nên việc thiết đặt một chuẩn phòng ngừa an toàn không thể thực hiện được. Những

laser này hoạt động ở bước sóng liên tục hoặc dạng xung, và tùy thuộc vào hệ cung cấp

bơm quang học, các yêu cầu điện và mối nguy hiểm điện thay đổi đáng kể. Bước sóng

điều hướng của laser sapphire titanium pha tạp thường biến thiên từ xấp xỉ 700 tới

1000nm, và do đó các tiêu chuẩn phòng ngừa an toàn đối với những laser phát ra bức

xạ có khả năng đi tới võng mạc (ngắn hơn 1400nm) phải được tuân thủ. Vì bước sóng

phát biến thiên, nên đòi hỏi phải có nhiều hơn một loại kính bảo hộ, và người dùng

phải chắc chắn rằng dụng cụ chặn chùm tia phải thích hợp với (những) bước sóng được

phát ra. Một xung ngắn công suất cao phát ra trong hoạt động dạng xung có thể làm

hỏng mắt vĩnh viễn, và sự phòng ngừa phải được thực hiện đảm bảo rằng mọi đường đi

khả dĩ tới mắt đều bị chặn, cả đường đi trực tiếp và ngoại biên.

Điều quan trọng là phải nhận thấy rằng sự phát xạ tản lạc từ laser bơm trong

một số cấu hình laser Ti:sapphire còn nguy hiểm hơn chùm laser chính, và nếu có khả

năng ánh sáng này đi tới khu vực làm việc, thì phải sử dụng phương tiện bảo vệ mắt

chặn lại bước sóng laser bơm. Nếu laser bơm được dùng là riêng biệt với laser mẹ, thì

phải yêu cầu phòng ngừa thêm nhằm loại trừ sự phơi sáng có thể xảy ra với ánh sáng

tản lạc do việc ghép đôi hai laser. Trong hệ bơm bằng đèn flash, điện thế cao áp vào

đèn có thể vẫn còn vì tụ tích điện trong bộ nguồn cả khi đơn vị đã tắt, và sự phòng

ngừa là cần thiết nhằm ngăn chặn sự sốc điện khi tiến hành bão dưỡng laser. Các bước

sóng hồng ngoại gần phát ra bởi loại laser này có thể đặc biệt nguy hiểm, bởi vì mặc

dù chùm tia là không nhìn thấy hoặc có thể nhìn thấy mờ nhạt ở gần đầu 700nm của

dải phát xạ, nhưng một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại sẽ hội tụ trên võng mạc.

Việc pha tạp crôm của những chất trạng thái rắn khác nhau cho thấy triển vọng

to lớn trong sự phát triển của các laser điều hướng mới, và khi những laser này ngày

càng dùng phổ biến hơn, thì những thủ tục an toàn đối với mỗi loại phải được xét đến.

Crôm pha tạp liti stronti nhôm florit (Cr: LiSAF) hứa hẹn sẽ là chất hoạt tính laser bơm

doide, và được dùng thay thế cho laser Ti:sapphire trong một số ứng dụng hiển vi nhân

quang. Với bước sóng phát xạ điều hướng trong vùng hồng ngoại, yêu cầu phòng ngừa

an toàn tương tự như đối với laser Ti:sapphire. Tuy nhiên, vì laser pha tạp crôm là sản

phẩm mới được phát triển tương đối gần đây, nên người dùng còn e ngại rằng các bộ

198

lọc và kính bảo hộ có thể không sẵn sàng đối với những bước sóng phát xạ đặc biệt của

chúng.

Laser argon-ion, và laser krypton-ion ít thông dụng hơn, tạo ra bức xạ ở những

bước sóng bội được khai thác rộng rãi trong các công nghệ quang như kính hiển vi

đồng tiêu. Laser argon thường được phân vào loại IIIB hoặc loại IV dưới mã an toàn

ANSI, và cần phải tránh phơi sáng trực tiếp trước chùm tia này. Các tia lam-lục từ một

chùm laser argon-ion kết hợp cao có thể lọt vào mắt tới võng mạc, gây ra sự phá hủy

vĩnh viễn. Kính bảo hộ an toàn có sẵn mang lại sự hấp thụ mạnh các vạch phát xạ

chính, và sẽ bảo vệ mắt khỏi bị tổn hại. Laser krypton-ion tạo ra bước sóng dài hơn

một chút so với laser argon-ion, và ở công suất thấp hơn, một phần do chúng phát ra

các vạch bước sóng khả kiến bội phân bố rộng trong quang phổ. Sự phân bố năng

lượng rộng rãi đưa đến vấn đề là các kính lọc bảo hộ được thiết kể nhằm hấp thụ toàn

bộ phát xạ laser sẽ chặn đa số ánh sáng khả kiến, làm hạn chế tính thực tiễn của việc sử

dụng chúng. Yêu cầu phải cẩn thận hết sức ở những nơi có liên quan tới laser krypton-

ion, nhằm tránh phơi sáng mắt trước phát xạ vạch bội. Laser sử dụng hỗn hợp krypton-

argon trở nên phổ biến trong kính hiển vi huỳnh quang dùng cho các nghiên cứu huỳnh

quang bội yêu cầu sự phát xạ bền vững ở một vài bước sóng, và phải thận trọng bảo vệ

mắt khỏi toàn bộ phát xạ có thể đi vào võng mạc. Ngoài ra, những laser phóng điện khí

này tạo ra bước sóng tử ngoại bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thể của mắt, và vì mối

nguy hiểm của sự phát xạ sóng liên tục trong vùng phổ này được biết rất ít, nên cần

phải mang kính bảo hộ hấp thụ tử ngoại. Laser krypton-ion phát ra ở một vài bước

sóng trong vùng hồng ngoại gần hầu như không nhìn thấy, nhưng có thể gây ra sự tổn

hại võng mạc gay gắt, bất chấp hình thức khó hình dung của chúng. Mối nguy hiểm

điện có mặt do việc áp dụng điện thế cao để kích hoạt sự phóng điện laser, và dòng

điện tương đối cao do yêu cầu duy trì sự phát xạ.

Laser sử dụng hỗn hợp helium-neon được sử dụng rất rộng rãi trong những

dụng cụ như máy quét mã vạch siêu thị và thiết bị đo đạc, và chúng có công suất

chừng vài mili watt hoặc thấp hơn, nên mức nguy hại tương đương với ánh sáng Mặt

Trời trực tiếp. Một sự nhìn thoáng qua tình cờ trong chốc lát tại một chùm công suất

thấp không làm hỏng mắt, nhưng ánh sáng kết hợp cao từ laser He-Ne có thể hội tụ lên

một đốm rất nhỏ trên võng mạc, và sự phơi sáng liên tục có thể làm thương tổn lâu dài.

Vạch phát xạ He-Ne cơ bản tại 632nm, nhưng khác nhau ở bước sóng phát ra từ ánh

sáng lục cho đến ánh sáng hồng ngoại thường có sẵn trên thị trường. Các phiên bản

công suất cao hơn của laser He-Ne có mức độ nguy hiểm lớn hơn nhiều, và phải sử

dụng thật thận trọng. Không có cách dự đoán mức độ phơi sáng sẽ tạo ra mức thương

tổn cho mắt nhất định. Quy định an toàn chủ yếu được tuân thủ đối với loịa laser này

tránh hết mọi thứ, trừ việc nhất thời nhìn qua chùm tia, và quan sát các cảnh báo

thường dùng liên quan tới điện thế cao có mặt trong bộ cấp nguồn.

Một loại laser phóng điện khí khác, dựa trên hệ heli-cadmi, được sử dụng rộng

rãi trong kính hiển vi quét đồng tiêu, khai thác các vạch phát xạ tím-lam và tử ngoại tại

442nm và 325nm. Nguy hiểm chủ yếu đối với mắt do vạch lam là làm phá hủy võng

mạc, được xem là dễ bị thương tổn hơn ở những mức phơi sáng thấp tại bước sóng này

so với các bước sóng khả kiến dài hơn. Do đó, cả ở mức công suất thấp, laser He-Cd

vẫn phải đảm bảo cẩn thận các thủ tục an toàn. Rất ít bức xạ tử ngoại 325nm có khả

năng đi tới võng mạc do bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thể, và sự phơi sáng lâu dài có

thể góp phần làm đục thủy tinh thể. Việc đeo kính bảo hộ an toàn thích hợp có thể bảo

199

vệ chống lại mối nguy hại tiềm tàng này. Một vấn đề khó có mặt trong những biến thể

mới đây hơn của lase He-Cd là chúng phát ra đồng thời các bước sóng đỏ, lục và lam.

Bất cứ nỗ lực nào muốn lọc cả ba bước sóng này bằng kính bảo hộ đều làm chặn lại

phần nhiều phổ khả kiến nên người dùng không thể nhìn trọn vẹn để tiến hành những

công việc cần thiết. Nếu chỉ có hai trong số các vạch phát xạ bị lọc, thì sự rủi ro còn lại

từ bước sóng thứ ba, yêu cầu phải đo đạc cẩn thận để tránh phơi sáng.

Laser nitrogen phát ra vạch tử ngoại tại 337,1nm và được dùng làm nguồn dạng

xung cho một số kính hiển vi và ứng dụng quang phổ kế. Những laser này thường

được dùng để bơm các phân tử chất nhuộm nhằm tạo ra thêm những vạch có bước

sóng dài hơn trong những kĩ thuật ghi ảnh nhất định. Laser nitrogen có khả năng phát

ra công suất cao ở tốc độ lặp xung cực kì cao. Sự tổn hại màng sừng có thể do phơi

sáng trước chùm tia đó, và mặc dù sự hấp thụ trong thủy tinh thể bảo vệ võng mạc khỏi

các bước sóng tử ngoại gần đến một chừng mực nào đó, nhưng không chắc chắn đây

có đủ để ngăn ngừa sự thương tổn võng mạc từ các xung công suất cao đó hay không.

Cách thức an toàn nhất là phải đảm bảo bảo vệ mắt trọn vẹn khi loại laser này được sử

dụng. Ngoài ra, điện thế cao cần thiết để điều khiển laser nitrogen, và sự đề phòng là

cần thiết nhằm đảm bảo sự phóng điện của tất cả các bộ phận cấp nguồn trước khi tiếp

xúc với chúng.

Laser trạng thái rắn phổ biến nhất chế tạo từ neodymium ion hóa pha tạp ở mức

độ không tinh khiết trong tinh thể chủ. Chất chủ được sử dụng rộng rãi nhất cho pha

tạp neodymium là ngọc hồng lựu yttrium nhôm, một tinh thể nhân tạo hình thành nên

cơ sở laser Nd:YAG. Laser neodymium nói chung có sẵn rất đa dạng, phát ra trong

một vùng rộng công suất cả dạng chùm liên tục và dạng xung. Chúng có thể được bơm

quang học bằng một laser bán dẫn, bằng đèn flash dạng xung, hoặc bằng đèn hồ quang,

và đặc trưng của chúng thay đổi rộng tùy thuộc vào thiết kế và mục đích chế tạo. Vì có

phạm vi ứng dụng rộng rãi, nên chúng có những nguy hại nhất định, laser neodymium

có khả năng gây thương tổn cho mắt hơn bất kì loại nào khác.

Laser neodymium YAG phát ra ánh sáng hồng ngoại gần 1064nm có thể làm

thương tổn gay gắt cho võng mạc, và vì nó không nhìn thấy nên khả năng thương tổn

là do các chùm phản xạ tăng lên. Đa số laser loại này sử dụng trong kính hiển vi được

bơm bằng doide và phát ra các xung cực ngắn, có thể làm tổn thương ngay cả khi chỉ

một xung phản xạ đi vào mắt. Do đó, việc bảo vệ mắt chặn lại mọi đường đi có thể tới

mắt phải sử dụng kính bảo hộ chặn hồng ngoại có thể được thiết kế cho truyền qua đa

số ánh sáng khả kiến, trừ những ứng dụng trong đó các họa âm bậc cao được sử dụng.

Nhân đôi tần số có thể tạo ra họa âm thứ hai tại 532nm (ánh sáng khả kiến lục), bước

sóng này cũng truyền qua đi tới võng mạc, và khi vạch phát xạ này được sử dụng thì

việc thêm bộ lọc làm tắt dần ánh sáng lục là cần thiết. Nhân ba và nhân tư tần số

thường được áp dụng với laser Nd:YAG tạo ra họa âm thứ ba và thứ tư tại 355 và

266nm, chúng có những nguy hại khác, và yêu cầu kính bảo hộ an toàn chặn tử ngoại,

và có khả năng bảo vệ da đề phòng các thương tổn do cháy. Với những laser phát ra

công suất chừng vài watt trong vùng hồng ngoại, công suất hàng trăm mili watt có thể

thu được tại các bước sóng họa âm thứ hai, ba, tư.

200

Bảng 2. Bước sóng phát của các laser thông dụng

Loại laser (Vùng phổ)

Bước sóng (nanomét)

Argon Fluoride Excimer (Tử ngoại) 193

Krypton Chloride Excimer (Tử ngoại) 222

Krypton Fluoride Excimer (Tử ngoại) 248

Xenon Chloride Excimer (Tử ngoại) 308

Xenon Fluoride Excimer (Tử ngoại) 351

Helium Cadmium (Tử ngoại, Khả kiến) 325, 442

Nitrogen (Tử ngoại) 337

Krypton (Khả kiến) 476, 528, 568, 647

Argon (Khả kiến) 488, 514

Hơi đồng (Khả kiến) 510, 578

Nd:YAG tần số đôi (Khả kiến) 532

Helium Neon (Khả kiến, hồng ngoại gần) 543, 594, 612, 633, 1150, 3390

Gold Vapor (Khả kiến) 628

Rhodamine chất nhuộm 6G (Khả kiến, Tunable) 570-650

Ruby (Khả kiến) 694

Bán dẫn diode (Khả kiến, hồng ngoại gần) 630-1600

Ti:Sapphire (Khả kiến, hồng ngoại gần) 680-1130

Nd:YAG (Hồng ngoại gần) 1064

Erbium (Hồng ngoại gần) 1540

Hydrogen Fluoride (Hồng ngoại gần) 2600-3000

Carbon Dioxide (Hồng ngoại xa) 9600, 10600

Mặc dù một số laser neodymium bơm bằng diode phát ra công suất tương đối

thấp (nhất là tại các họa âm bậc cao, khi hoạt động ở mode liên tục), nhưng đa số phát

ra công suất đủ để gây ra thương tổn, và phải đeo kính bảo vệ mắt khi làm việc với bất

kì laser nào thuộc loại này. Một khó khăn đối với bất kì laser nào phát ra bước sóng

bội là việc sử dụng kính bảo hộ thích hợp làm suy giảm tất cả các vạch phát xạ nguy

hiểm. Khi các họa âm bậc cao được sử dụng, không nên cho rằng ánh sáng ở tần số cơ

sở bước sóng dài hơn không có mặt, và nhiều laser thương mại có một hoặc nhiều cơ

chế đặc biệt loại trừ những bức xạ quang không mong muốn. Mối nguy hiểm về điện

có mặt trong các laser neodymium đèn bơm thay cho diode, vì sự có mặt của điện thế

cao cấp nguồn.

Một số lượng lớn nghiên cứu đang được triển khai để nhận ra các chất chủ tinh

thể khác cho pha tạp neodymium, và khi các chất khác có mặt trong các laser thương

mại, cần phải xem xét điều kiện cho hoạt động an toàn. Khi những loại laser mới được

đưa ra, thì những dụng cụ an toàn tương xứng có thể ban đầu chưa có. Hiện nay, chất

thay thế được sử dụng rộng rãi nhất cho ngọc thạch lựu yttrium nhôm là yttrium

lithium fluoride (kí hiệu là YLF), và có sẵn trên thị trường cả laser Nd:YLF dạng xung

và dạng liên tục. Mặc dù ở nhiều khía cạnh là tương tự với laser neodymium YAG,

nhưng việc sử dụng Nd:YLF phát ra tại một bước sóng cơ sở hơi khác (1047nm) và

điều này phải được xét đến khi đánh giá hiệu suất của các bộ lọc an toàn như kính bảo

hộ đối với phổ hấp thụ các bước sóng cơ sở và họa âm bậc cao của chúng.

Laser diode bán dẫn đại diện cho một công nghệ tương đối mới đang mở rộng

nhanh chóng ở tính đa dụng. Đặc trưng hiệu suất của laser diode phụ thuộc vào một số

nhân tố, gồm tính chất điện của chất bán dẫn, quá trình nuôi cấy được sử dụng trong

201

khi chế tạo nó, và tạp chất được sử dụng. Bước sóng phát ra bởi môi trường laser là

một hàm của độ rộng khe của chất liệu và các tính chất khác, phụ thuộc vào thành phần

chất bán dẫn. Sự phát triển liên tục hứa hẹn mở rộng phạm vi bước sóng có thể dùng

được trong các diode laser thương mại. Hiện nay, laser diode bán dẫn có bước sóng

trên 1100 nm được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng viễn thông sợi quang. Đa số

các laser thuộc loại này dựa trên lớp hoạt tính của hợp chất iridium-gallium-arsenic-

phosphorus (InGaAsP) có tỉ lệ khác nhau, và chủ yếu phát ra tại 1300 hoặc 1550 nm.

Một phần trăm nhỏ của phát xạ 1300 nm được truyền tới võng mạc của mắt, còn ở

bước sóng dài hơn 1400 nm, giác mạc là đối tượng bị tổn hại. Sự thương tổn mắt đáng

kể không có khả năng xảy ra, ngoại trừ các mức công suất khá cao. Đa số laser diode

phát xạ trong vùng 1300 nm có công suất thấp và không có sự nguy hại nghiêm trọng

trừ khi chùm tia trực tiếp đi vào mắt trong thời gian dài. Các chùm laser diode không

chuẩn trực và các chùm ló ra khỏi sợi quang bị phân kì nhanh chóng, mang lại một

mức độ an toàn. Kính bảo hộ an toàn phải được dùng với chùm laser công suất cao nếu

như phát xạ không hoàn toàn được chứa bên trong sợi quang. Để làm thẳng hàng chùm

tia hồng ngoại gần trong quang cụ trong lúc đeo kính bảo hộ khóa hồng ngoại, thì màn

hình huỳnh quang hoặc các dụng cụ xem hồng ngoại khác phải được sử dụng. Laser

diode hoạt động ở điện thế và dòng điện thấp, và vì vậy thường không có mối hiểm

họa về điện.

Các laser diode phát xạ tại bước sóng danh nghĩa dưới 1100 nm chủ yếu dựa

trên hợp chất gallium arsenide, và sự phát triển liên tục của các chất liệu mới và quá

trình chế tạo đang mở rộng dần phạm vi công suất phát xạ đến những bước sóng ngày

càng ngắn. Với những ngoại lệ nhất định, diode laser về cơ bản yêu cầu cùng mức độ

đề phòng như các loại laser khác hoạt động trong vùng bước sóng tương ứng và tại

mức công suất tương đương. Như đã nói ở phần trước, một nhân tố làm hạn chế mối

nguy hại tiềm tàng trong một số trường hợp là sự phân kì cao của chùm laser diode,

làm phân bố công suất chùm tia trên một diện tích rộng trong vòng một cự li ngắn tính

từ mặt phát xạ của chất bán dẫn. Tuy nhiên, khi một ứng dụng yêu cầu thêm sự hội tụ

quang, hoặc một số phương pháp chuẩn trực khác, thì nhân tố này bị phủ nhận. Laser

diode dựa trên hệ indium-gallium-nhôm-phosphorus (InGaAlP) đang được sử dụng,

phát ra bức xạ 635 nm ở mức mili watt, và những laser này yêu cầu đề phòng an toàn

tương tự như đối với laser helium-neon có cùng công suất. Những biến thể laser khác

dựa trên những thành phần diode tương tự phát xạ tại bước sóng 660 hoặc 670 nm, và

mặc dù phản ứng khó chịu tự nhiên của mắt mang lại một số sự bảo vệ, nhưng mắt hầu

như không nhạy với những bước sóng này như đối với bức xạ 635 nm, và việc sử dụng

kính bảo hộ an toàn là cần thiết. Phải thận trọng nhằm đảm bảo sự hấp thụ trọn vẹn ở

những bước sóng thích hợp, vì kính bảo hộ được thiết kế để bảo vệ mắt tại những bước

sóng dài hơn có thể không hiệu quả tại 660 hoặc 670 nm.

Các kết cấu gallium-nhôm-arsenide (GaAlAs) đa dạng được sử dụng để chế tạo

laser diode có bước sóng phát xạ từ 750 đến gần 900 nm. Vì độ nhạy hạn chế của mắt

tại 750 nm (một độ nhạy yếu với ánh sáng đỏ là có thể), và hoàn toàn thiếu cảm giác

tại những bước sóng dài hơn, nên những laser có mức nguy hại cho mắt lớn hơn các

laser ánh sáng khả kiến. Công suất lớn hơn nhiều sử dụng trong diode laser phát xạ

trong vùng này (lên tới vài watt trong dãy diode) có thể làm tổn hại mắt sau một sự

phơi sáng ngắn ngủi. Vì chùm tia không nhìn thấy, nên phản ứng khó chịu của mắt

không xảy ra, và kính bảo hộ phải được sử dụng, nhất là với laser công suất cao. Lại

202

còn sự phát xạ bước sóng dài hơn (980 nm) bởi laser indium-gallium-arsenide

(InGaAs), và kính bảo hộ được chứng nhận làm suy yếu bức xạ 980 nm được dùng, thì

một lần nữa do sự nguy hiểm của bức xạ không nhìn thấy tình cờ được phép đi vào

mắt.

Tóm lại, các nguy hại chính liên quan tới việc sử dụng laser trong bất kì ứng

dụng nào là sự rủi ro gây thương tổn cho mắt và da do tiếp xúc với chùm tia, và mối

hiểm họa về điện có mặt bởi điện thế cao trong laser. Việc đo đạc là cần thiết để tránh

phơi sáng trước chùm tia (đặc biệt là mắt), và không có gì đảm bảo cả nên việc đeo

kính bảo vệ mắt là cần thiết. Bốn nhân tố quan trọng trong việc lựa chọn kính bảo hộ

hoặc các bộ lọc chặn chùm tia khác, đó là: bước sóng laser, chùm tia dạng xung hay

liên tục, loại môi trường laser (chất khí, chất bán dẫn,…), và công suất phát laser.

Có những hiểm họa khác ngoài chùm tia laser trong việc sử dụng laser, một số

trong đó có liên quan tới những ứng dụng hiển vi, và những nguy hại khác không chắn

chắn sẽ có. Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, laser được dùng để thực hiện tiến trình

cắt và hàn, và đun nóng có thể làm phát ra hơi khói độc hại, chúng phải được loại bỏ

an toàn khỏi môi trường làm việc. Loại nguy hiểm này có với laser dùng trong kính

hiển vi quang học, nhưng các vấn đề an toàn khác phải được xét tới. Trong hệ bơm

bằng đèn flash, hiểm họa nổ tiềm tàng có mặt do việc thiết lập áp suất cao bên trong

ống flash. Thiết bị bọc ngoài phải được thiết kế và duy trì để chứa các mảnh của đèn

nếu loại nổ này xảy ra. Các chất khí đông đặc, như nitrogen lỏng hoặc helium lỏng, có

thể được dùng làm lạnh laser (ví dụ laser ruby hoặc tinh thể neodymium) và da trần là

đối tượng bị tổn thương cháy nếu như tiếp xúc với chất lỏng lạnh. Nếu như lượng đáng

kể chất khí đông đặc thông vào một phòng kín hoặc một không gian giới hạn khác,

chúng có khả năng chiếm chỗ không khí trong phòng và tạo ra bầu không khí thiếu

oxygen. Mối nguy hại về điện đi cùng với thiết bị laser đã được thảo luận ở trên,

nhưng không thể không nhấn mạnh một lần nữa, vì thực tế là các vỏ bao thiết bị,

thường bảo vệ người dùng khỏi dòng điện, lắm khi được tháo dỡ trong khi lắp đặt,

canh chỉnh, bảo dưỡng và giữ gìn laser. Một số loại laser (nhất là loại IV) có mối nguy

hại về lửa nếu như chùm tia tiếp xúc với các chất dễ cháy, và các chất chống cháy phải

được sử dụng ở những nơi nào mà chùm tia có khả năng rọi tới.

Trong đa số các phòng thí nghiệm thuộc trường đại học và chính phủ, cũng như

trong các môi trường công nghiệp và đoàn hội khác, một khuôn khổ chính thức tồn tại

trong việc quản lí các thủ tục an toàn phải được tuân thủ trong các hoạt động có khả

năng gây nguy hiểm, bao gồm cả việc sử dụng laser. Nguyên tắc chung vạch ra trong

bài này không phải là có định thay thế những yêu cầu đặc biệt cho cá nhân an toàn

trong tình huống làm việc riêng lẻ. Thông thường thì một văn phòng an toàn môi

trường địa phương sẽ chuẩn bị công bố các thủ tục được tuân thủ dưới sự chỉ đạo của

một viên chức an toàn laser, hoặc một người chịu trách nhiệm đào tạo và thực thi các

thủ tục an toàn thích hợp trong cơ quan có thiết bị đó, và bất kì người dùng laser nào

cũng phải chắc chắn rằng các thủ tục an toàn đã được tuân thủ. Đây là điều mấu chốt,

không chỉ ngăn ngừa sự thương tổn không có khả năng hồi phục cho người dùng laser,

mà còn bảo vệ khách khứa hoặc những người khác có thể tình cờ trở thành đối tượng

bị tổn hại bởi thiết bị laser.