Tấm thấu kính nửa bước sóng là gì? Các nghiên cứu khoa học

$\Delta\phi = \frac{2\pi\,d\,(n_e - n_o)}{\lambda} = \pi$,

thì tấm đó chính là tấm nửa bước sóng. Khi ánh sáng phân cực tuyến tính ban đầu tạo góc θ so với fast axis, thì sau khi đi qua tấm, hướng phân cực mới bị xoay góc 2θ so với fast axis—tức hiệu ứng “xoay phân cực” (rotation of polarization). Điều này được giải thích chi tiết trong tài liệu lý thuyết quang học: khi chênh lệch pha là π, hệ số pha được nhân −1 cho một thành phần, dẫn đến xoay góc phân cực 2θ. (Xem phân tích tại Phys LibreTexts – Wave Plates and Polarizers.)

Cấu trúc vật lý và vật liệu chế tạo

Tấm λ/2 thường được chế tạo từ các vật liệu lưỡng chiết như thạch anh (quartz), đá vôi tinh thể (calcite), hoặc chất polymer lưỡng chiết đặc biệt. Vật liệu được chọn cần có độ chênh lệch chiết suất $n_e - n_o$ ổn định, ít nhạy cảm với nhiệt độ và bước sóng. Với thiết kế zero‑order (sử dụng hai tấm chồng để hiệu chỉnh chênh lệch), người ta có thể giảm ảnh hưởng của nhiệt độ và dao động bước sóng. (Thorlabs cung cấp các tấm λ/2 zero‑order và multi‑order, với thông số hiệu chỉnh nhiệt độ và bước sóng rõ ràng.) Thorlabs – Choosing a Wave Plate

Các kiểu cấu trúc phổ biến gồm:

• Tấm đơn khối (single crystal, multiple‑order hoặc zero‑order)
• Tấm ghép đôi (stacking two waveplates, để tạo thành zero‑order hiệu ứng)
• Tấm polymer lưỡng chiết mỏng, dùng cho ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại dài

Zero‑order (tấm hiệu chỉnh bậc thấp) thường ưu việt do ít ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ và bước sóng, nhưng đòi hỏi gia công chính xác cao hơn. (Thorlabs cung cấp bảng so sánh độ ổn định của zero-order vs multi-order) Thorlabs – Wave Plate Specs

Ứng dụng trong điều khiển phân cực ánh sáng

Tấm λ/2 dùng để xoay hướng phân cực tuyến tính mà không làm thay đổi mức độ phân cực hay cường độ ánh sáng, một công cụ thiết yếu trong hệ quang học phân cực. Khi ánh sáng phân cực tuyến tính có hướng φ so với fast axis, sau khi truyền qua tấm sẽ chuyển thành phân cực tại góc mới φ′ = φ + 2α nếu tấm được xoay góc α so với ánh sáng đầu vào.

Ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

• Xoay phân cực trước khi đưa vào bộ phân cực (polarizer) hoặc bộ phân tích (analyzer)
• Thay đổi hướng phân cực trong hệ giao thoa quang học
• Điều chỉnh phân cực trong hệ truyền dẫn sợi quang hoặc trong các thí nghiệm quang học lượng tử
• Điều khiển trạng thái photon trong các hệ đo lường phân cực và quang học phi tuyến

Ví dụ trong hệ laser: nếu ánh sáng ra có phân cực cố định, tấm λ/2 cho phép xoay phân cực tới hướng mong muốn trước khi vào hệ quang học tiếp theo mà không làm mất năng lượng hoặc gây nhiễu. (Một tài liệu tham khảo tổng quan: “Waveplates: physical principles, uses and purchase tips”) Photonique – Waveplates Principles

So sánh với tấm λ/4 và các bộ điều khiển phân cực khác

Tấm λ/2 (half-wave plate) và tấm λ/4 (quarter-wave plate) đều là thiết bị điều pha (retarders) sử dụng tính chất lưỡng chiết để điều chỉnh pha giữa hai thành phần phân cực. Tuy nhiên, mục đích và cách chúng ảnh hưởng đến ánh sáng rất khác nhau. Trong khi tấm λ/2 được dùng để xoay mặt phẳng phân cực tuyến tính, thì tấm λ/4 dùng để chuyển đổi giữa phân cực tuyến tính và phân cực tròn (hoặc elip).

Tấm λ/4 tạo ra chênh lệch pha $\frac{\pi}{2}$ giữa trục nhanh và trục chậm. Khi ánh sáng phân cực tuyến tính đi vào tại góc 45° với trục quang học của tấm λ/4, nó sẽ trở thành ánh sáng phân cực tròn. Ngược lại, nếu ánh sáng phân cực tròn đi qua tấm λ/4, nó sẽ trở thành phân cực tuyến tính. Do đó, tấm λ/4 được sử dụng nhiều trong hệ đo lường phân cực, phân tích ảnh động học phân cực (polarimetry) hoặc tạo và phân tích photon spin trong quang học lượng tử.

Bảng sau thể hiện sự so sánh trực quan:

Tham khảo chuyên sâu từ RP Photonics Encyclopedia – Waveplates và Newport – Waveplates.

Ảnh hưởng của bước sóng và nhiệt độ

Hiệu quả của tấm λ/2 phụ thuộc trực tiếp vào bước sóng của ánh sáng và nhiệt độ môi trường. Vì độ trễ pha phụ thuộc vào chiết suất và độ dày vật liệu, chỉ một bước sóng duy nhất (thường là bước sóng thiết kế λ₀) mới đạt chênh lệch pha chính xác bằng π. Khi dùng sai bước sóng, pha bị lệch dẫn đến xoay phân cực không chính xác hoặc mất hiệu quả điều khiển.

Ngoài ra, chiết suất của vật liệu cũng thay đổi theo nhiệt độ. Sự thay đổi này tuy nhỏ nhưng có thể gây sai lệch đáng kể trong các ứng dụng cần độ chính xác cao như quang học lượng tử, interferometry hoặc laser femtosecond. Tấm multiple-order sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ hơn so với zero-order do sai số nhân lên theo số bậc sóng pha.

Giải pháp:

• Dùng tấm zero-order để tối thiểu hóa sai lệch pha theo nhiệt độ
• Sử dụng thiết bị điều nhiệt (Peltier, buồng kín) để ổn định nhiệt độ
• Chọn tấm waveplate được tối ưu cho băng thông rộng nếu cần làm việc với nguồn không đơn sắc

Các sản phẩm thương mại cao cấp đã tích hợp lớp phủ chống phản xạ (AR coating) và khả năng ổn định nhiệt, cho phép hoạt động đáng tin cậy trong dải phổ hẹp và môi trường dao động nhiệt. Thông tin kỹ thuật xem tại Moxtek – Optical Waveplates.

Các dạng tấm λ/2 chuyên dụng

Cùng với các dạng cổ điển (tấm đơn, tấm chồng), nhiều biến thể tấm λ/2 hiện đại đã được phát triển nhằm phục vụ các ứng dụng đặc thù. Một số trong đó bao gồm:

• Tấm quay cơ học: Tấm λ/2 gắn trên đế quay điều khiển bằng motor bước, giúp thay đổi góc phân cực đầu ra theo thời gian thực (dùng trong thiết bị điều biến phân cực, polarimetric camera).
• Waveplate metasurface: Thiết kế dựa trên mạng nano cấu trúc để tạo ra hiệu ứng điều pha mong muốn trong lớp cực mỏng (dưới 1 µm), dùng trong tích hợp quang học trên chip (PIC).
• Tấm polymer linh hoạt: Dùng trong dải bước sóng rộng như UV – NIR, sản xuất bằng kỹ thuật phủ màng và in nano, giúp giảm chi phí.

Những thiết kế này cho phép điều khiển phân cực ánh sáng trong các hệ thống nhỏ gọn, năng lượng thấp hoặc hoạt động ở tốc độ cao. Đặc biệt, tấm metasurface λ/2 có thể được lập trình theo thời gian nhờ các hiệu ứng điện-optic hoặc thermo-optic. Tham khảo bài báo tại OSA Optica – Reconfigurable Waveplate Metasurfaces.

Tài liệu tham khảo

1. Edmund Optics – Understanding Waveplates
2. LibreTexts – Wave Plates and Polarizers
3. Thorlabs – Choosing a Wave Plate
4. RP Photonics Encyclopedia – Waveplates
5. Newport – Waveplates
6. Photonique – Waveplates Overview
7. Moxtek – Optical Waveplates
8. OSA Optica – Waveplate Metasurfaces