Giáo trình quang học phần 1 ts nguyễn bá đức

NGUYÊN BÁ ĐỨC CK.0000070210 Sách tặng NGUYÊN IỌCLIẸU NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌ C THÁI NGUYÊN GIẤO TRÌNH QUANG HỌC TS N G U YỄN BÁ ĐỨC GIÁO TRlNH QUANG HỌC N H À X U Ấ T BẢN ĐẠI HỌC THÁI N G U Y ÊN NĂM 2014 -4 M Ã S Ó : — — Đ H T N -2 LỜI NĨI ĐẦU G iáo trình Q uang học đại cương biên tập theo chủ trương triển khai nhiệm vụ biên soạn viết giáo trình, sách tham khảo phục vụ cho giảng dạy học tập chương trình Đại học ngành Vật lý nói riêng ngành học khác nói chung Trường Đại học Tân Trào, tỉnh Tuyên Quang Nội dung sách nhằm giúp giảng viên, sinh viên hiểu rõ điểm môn Vật lý đại cương, phần Quang học Cấu trúc sách bao gồm chương: Chương 1- Các định luật quang học - Đại lượng trắc quang; Chương - Sóng ánh sáng - Giao thoa ánh sáng; Chương - Nhiễu xạ ánh sáng; Chương - Phân cực ánh sáng Chương - Quang học lượng tử Cuốn Giáo trình Quang học đại cương phục vụ chung cho sinh viên trường đại học, cao đẳng tài liệu tham khảo bổ ích cho cán kỹ thuật, cán nghiên cứu ngành có liên quan tói vật lý giáo viên trường phổ thơng, phổ thơng Chun Vật lýGiáo trình biên soạn theo chủ đích quan điểm riêng tác giả, nhiên trình biên soạn, chúng tơi có tham khảo nhiều tài liệu đồng nghiệp Trong q trình biên soạn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong nhận góp ý bạn đọc để giáo trình hồn thiện rp s _ _• ? Tác giá ' MỤC LỤC Các định luật vể quang học - Đại lượng trắc quang 11 1.1 Khái niệm quang h ọ c 11 1.2 Các định luật quang hình h ọ c 12 1.2.1 Định luật truyền thẳng ánh s n g 12 1.2.2 Định luật tác dụng độc lập tia sáng 12 1.2.3 Định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng -Định luật D e sc a rte s 13 Hiện tượng phản xạ toàn p h ầ n 15 1.3 Đường ánh sáng (quang l ộ ) 18 1.2.4 1.3.1 Định n g h ĩ a 18 1.3.2 Biểu thức quang l ộ 18 1.4 Nguyên lý F e c m a 1.5 20 1.4.1 Nội dung nguyên l ý 20 1.4.2 Nguyên lý Fecma định luật phản xạ khúc xạ ánh s n g 20 Các đại lượng trắc q u a n g 23 • 1.5.1 Q uang t h ô n g 23 1.5.2 Đ ộ s n g 23 1.5.3 Độ r ọ i 25 1.6 Năng suất phân li dụng cụ quang học 27 1.6.1 Định n g h ĩ a 27 1.6.2 Năng suất phân li loại kính hiên vi kính thiên v ã n 28 Sóng ánh sáng - Hiện tượng giao thoa ánh sáng 31 2.1 31 2.2 2.3 2.4 Cơ sở quang học s ó n g • 2.1.1 Hàm s ó n g 31 2.1.2 Cường độ s n g 32 2.1.3 Nguyên lý chồng c h ấ t 33 2.1.4 N guyên lý H u y g e n s 33 Hiệri tượng giao thoa ánh s n g 34 2.2.1 Các thí nghiệm tạo sóng kết hợp 34 2.2.2 K hảo sát tượng giao t h o a 37 Hiện tượng giao thoa phản xạ 41 2.3.1 Thí nghiệm L l o y d 41 2.3.2 Sóng dừng 43 2.3.3 Phương pháp chụp ảnh m u 44 Hiện tượng giao thoa ánh sáng qua m ỏng 2.4.1 Bản m ỏng có bể dày không 46 đ ề u 46 54 ánh sáng bị phản xạ trở lại, phản xạ ánh sáng làm cho ảnh bị mờ, nữa, kỹ thuật quân dụng cụ quang học dùng thiết bị quân dụng làm lộ m ục tiêu từ ánh sáng phản xạ Vì vậy, nhiều trường hợp cần phải khử phản xạ ánh sáng mặt kính Để khử phản xạ kính có chiết suất 7ifc, người ta phủ mặt trước kính m ột lớp m àng m ỏng chất suốt đặc biệt có chiết suất n bề đày d cho chiếu tia sáng tới bề m ặt m àng mỏng tia tới bị phản xạ mặt tiếp xúc khơng khí với m àng mỏng mặt tiếp xúc m àng m ỏng với thấu kính hai tia phản xạ phải ngược pha (hình 2.14) M uốn vậy, d n phải thỏa mãn hộ thức: d = — = 4n (2.24) Trong hệ thức trên, Ao bước sóng ánh sáng chân khơng A bước sóng ánh sáng m àng mỏng Để điều kiện phản xạ hai m ặt biên tiếp xúc giống (pha thay đổi m ột lượng 7r phản xạ) chiết suất m àng m ỏng phải chọn cho < n < UkThực tế tính tốn cho thấy phản xạ khử tốt khi: n = \fn~k (2.25) Hệ thức (2.24) cho thấy khử tất ánh sáng phản xạ có bước sóng khác Vì vậy, thực tế người ta thường chọn bề dày d m àng m ỏng để (2.24) thỏa mãn với ánh sáng có bước sóng A0 = 0, 555Ịxm, ánh sáng nhạy mắt người 55 Hình 2.14: Khử ánh sáng phản xạ mật kính 2.5.2 Kiểm tra bề mặt kính phảng lồi Để kiểm tra xem mặt kính có thật phẳng hay khơng, người ta dùng kính mẫu (có mặt thật phẳng) đặt nghiêng kính cần kiểm tra nghiêng góc nhỏ kính mẫu Giữa hai kính hình thành nêm khơng khí, rọi lên nêm chùm sáng đơn sắc, mặt cần kiểm tra thật phảng vân giao thoa đoạn thẳng song song, mặt kính khơng phẳng chỗ lồi, vân giao thoa bị cong để đánh đấu sửa chữa Đối với thấu kính lồi, để kiểm tra xem có mặt cầu hay không người ta đặt mặt cầu lên kính mẫu thật phẳng, rọi chùm sáng đơn sắc lên mặt cầu thu hệ vân giao thoa vân tròn Niutơn vòng tròn mặt cầu, không mặt cầu sai lệch vị trí vị trí vân trịn Niutơn bị méo Sử dụng tượng giao thoa để kiểm tra thực tế sửa chữa sai lệch nhỏ, cỡ 0, 003[im 0, 03ụ m 56 2.5.3 Giao thoa kê Raylaigh Giao thoa kế R aylaigh dùng để đo chiết suất chất lỏng chất khí Cấu tạo giao thoa kế Raylaigh m ô tả đon giản hình 2.15 Cho ánh sáng đơn sắc từ nguồn sáng s qua thấu kính Li bị tách thành hai chùm tia song song qua chắn sau thấu kính giống chiếu từ hai nguồn S i , S - Khi hai chùm tia song song qua thấu kính hội tụ L hội tụ tiêu diện F giao thoa với Mắt người quan sát đặt trước thị kính L sau thấu kính L '2 quan sát hệ vân giao thoa tiêu diện L 2Ban đầu đặt đường hai chùm tia song song sau Lị hai ống có chiều dài d đựng chất lỏng biết trước chiết suất ria, sau thay hai ống chất lỏng có chiết suất n cần đo Vì chiết suất hai ống lúc khác nên hiệu đường hai chùm tia sáng bị thay đổi lượng (n — n 0)d 57 hệ thống vân giao thoa bị dịch chuyển, giả sử hệ thống vân dịch chuyển khoảng a, ta có: aX = (n — n 0)d Từ ta suy chiết suất n chất cần đo: aX Ti = —-— |- rio a (2.26) Ta đo chiết suất chất khí cách so sánh với chất khí khác biết trước chiết suất theo cách đo 2.5.4 Giao thoa kê Michelson Giao thoa kế M ichelson dùng để đo chiều dài vật Cấu tạo giao thoa kế M ichelson mơ tả hình (2.16) Rọi nguồn sáng s vào thủy tinh p với góc tới 45°, thủy tinh p có hai mặt song song cách khoảng d (bề dày d), mặt tráng lớp bạc mỏng để ánh sáng vừa truyền qua vừa phản xạ bể mặt bạc (Ag) Tia SO tách thành tia: - Tia thứ tia phản xạ OM\ tới gương G ’ phản xạ trở lại truyền qua p tới kính quan sát K - Tia thứ hai truyền qua p tới gương G M -2 phản xạ trở lại tới p sau phản xạ lớp bạc truyền tới kính quan sát K giao thoa với tia thứ Vì tia thứ qua p lần, tia thứ hai qua p ba lần nên hiệu đường hai tia sáng lớn {Lị — Z/ = kX với k lớn), ta quan sát vân giao thoa bậc cao không rõ nét Để làm giảm hiệu đường hai tia, người ta đặt Hình 2.16: Giao thoa kê' Michelson đường tia thứ thủy tinh P ’ giống hệt thủy p khơng tráng bạc, hiệu đường hai tia hai gương G G ’ gây Khi dịch chuyển m ột gương song song với dọc theo tia sáng m ột khoảng A /2 (giả sử khoảng M M ') hiệu đường hai tia thay đổi A hệ thống vân dịch chuyển m ột khoảng vân Như vậy, m uốn đo chiều dài vật đó, người ta dịch chuyển gương từ đầu đến đầu vật đếm số vân dịch chuyển, hệ thống vân dịch chuyển a khoảng vân chiều dà) vật cần đo là: , A l = aĩ (2.27) 59 Nhờ giao thoa kế M ichelson người ta so sánh chiều dài mét mẫu so với bước sóng ánh sáng sở để định nghĩa độ dài mét qua bước sóng ánh sáng 2.5.5 Thí nghiệm Michelson Nhờ giao thoa kế, M ichelson tiến hành thí nghiệm tiếng xác định tính bất biến vận tốc ánh sáng hệ quy chiếu - Một tiên đề Thuyết tương đối Einstein Ta biết Trái đất chuyển động xung quanh Mặt trời theo đường elip với vận tốc trung bình V = 3.10 m / s Trong khoảng thòi gian ngắn (khoảng 1-2 giờ) ta coi Trái đất chuyển động thẳng Gọi vận tốc ánh hệ quy chiếu Mặt trời c, theo học cổ điển, vận tốc ánh sáng hệ quy chiếu Trái đất lấy tiếp tuyến (song song) theo phương chuyển động Trái đất là: Ct = c ± V Theo phương vng góc với phương chuyển động Trái đất (phương pháp tuyến - hướng tâm), vận tốc ánh sáng Trái đất là: Cn = Như Cị c í cn Thí nghiệm kiểm chứng M ichelson Dụng cụ thí nghiệm giao thoa kế M ichelson Đặt giao thoa kế cho phương tia sáng 0M 20 trùng với phương chuyển động Trái đất, ống kính quan sát thu hệ thống vân 60 giao thoa Quay từ từ toàn giao thoa kế góc 90° m ạt phẳng vng góc với mặt phẳng hình vẽ (hình 2.17) Lúc hiệu đường hai thống vân giao thoa tia sáng M \ M 20 thay đổi hệ dịch chuyển Căn vào độ dịch chuyển hệ thống vân ta so sánh giá trị Ct cn Giả sử gọi đoạn đường MịO = M20 — /, thời gian ánh sáng đoạn O M ị O tị, đoạn O M O t.2 , theo học cổ điển ta có: c — Vc + 21 c2 V — V2 21 c( —4 ) Đãt ß^ = -c ta có: ¿2 — 21 c — p Vì ß nhỏ nên áp dụng quy tắc gần Y^f2 ~ + /32, biểu thức ¿2 viết gọn thành: £2 = — (1 + ß 2) c (2.28) Trong thời gian ánh sáng đoạn đường O M ị O = l Trái đất đoạn đường O O' — v t \ (hình 2.18) N hư vậy, hệ quy chiếu mặt trời, tia sáng đoạn đường ', ta có: Ví2+ ?4 c V c Biến đổi biểu thức ta có: u = - ( l + ị p 2) c (2.29) 61 Hiệu đường hai tia M \ O M O là: ỗ\ = L] — L = c(tị — / ) = —Iß Khi quay giao thoa kế góc 90° tia O M \ đến vị trí tia O M tia OM nằm phương tia OM\ ban đầu Hiệu đường hai tia ố2 = I ß 2, hiệu đường hai tia là: ổ2 - ố, = 21ß (2.30) 62 Hình 2.18: Thời gian ánh sáng đoạn đường OMịO Hệ thống vân bị dịch chuyển đoạn a khoảng vân, với: 2w a ~ x Thực thí nghiệm M ichelson với / = l l r a ; A = 0, 59ụ,m, biết ị w 10- , ta tính a = ,3 khoảng vân Như vào tính tốn, hệ thống vân dịch chuyển 0,37 khoảng vân Tuy nhiên với thí nghiệm M ichelson, ơng khơng phát độ dịch chuyển đó, phép đo xác khơng xác định hệ thống giao thoa không dịch chuyển Theo Einstein, m uốn giải thích thí nghiệm M ichelson cần phải thừa nhận Cí = cn = c, lúc thời gian ánh sáng truyền theo hai đường M ] , O M O nhau, hiệu đường hai tia không quay giao thoa k ế hệ thống vân không dịch chuyển Thí nghiệm M ichelson chứng tỏ vận tốc ánh sáng theo phương chuyển động Trái đất (ct) vận tốc ánh sáng 63 ;huyển động theo phương vng góc với Trái đất ( c n ) Đ ồng thời, cn vận tốc ánh sáng hệ quy chiếu mặt trời Như vậy, Vận tốc ánh sảng chân không khơng phụ thuộc vào hệ quy chiếu qn tính, hệ quy chiếu quán tính, vận tốc ánh sáng có giá trị c = 8t o / s Đây tiên đề Thuyết tương đối Einstein 2.6 Tồn kí Tồn kí phương pháp ghi sau phục hồi lại sóng dựa tượng giao thoa sóng, phương pháp ghi lại đầy đủ thơng tin sóng biên độ pha dao động sóng Phương pháp tồn kí nhà bác học Gabor phát minh năm 1948 Thông thường chụp ảnh ta ghi phân bỏ bình phương biên độ ánh sáng tán xạ từ vật hình chiếu phẳng lên bề mặt phim ảnh Đối vói phương pháp tồn kí khơng phải ghi lại ảnh hai chiều vật mà ghi lại trường sóng tán xạ từ vật nhờ tượng giao thoa ánh sáng Bằng cách dịch chuyển điểm quan sát giới hạn trường sóng thấy vật góc độ khác nhau, nghĩa thấy ảnh nổi, tức ảnh toàn vật Để ghi ảnh vật phương pháp tồn kí người ta dùng hai chùm sáng kết hợp, m ột chùm từ vật chiếu sáng, chùm chiếu vào kính ảnh gọi chùm sáng Hai chùm sáng kết hợp giao thoa với phim ảnh tạo nên toàn đồ Khác với phim ảnh thơng thường, nhìn vào tồn đồ sau rửa phim chưa quan sát hình ảnh Muốn quan sát ảnh vật, người ta chiếu lên toàn đổ chùm sáng giống hệt chùm sáng nền, lúc tồn đồ hồi phục lại trường sóng tán xạ từ vật qua toàn đồ quan sát ảnh vật 64 Tuy nhiên thời điểm người ta chưa tạo nguồn sáng C( độ kết hợp cao nên phương pháp toàn kí G abor có nhiều nhưạ điểm khơng sử dụng Từ nãm 1960 lade phá minh phương pháp tồn kí thực sử dụng rộng rãi Ví phát triển mạnh 2.6.1 Ngun tắc phương pháp tồn kí Tồn đồ phảng Tồn đồ phẳng hình ảnh giao thoa ghi phim phẳng Sơ đổ ghi tồn đồ phẳng vật hình điểm mơ tả đơn giản hình (2.19) Trên phim xuất giao thoa chùm ánh sáng nển chùm tới song song chùm sáng tán xạ từ vật Do tính châì đối xứng nên hệ vân giao thoa vịng trịn đồng tâm o , pha sóng sóng tán xạ từ Bán kính vân sáng thứ k xác định từ hệ thức: s s r ị = (a + k \ ) - a2 = akX + k X2 Khoảng cách hai vân là: aX -f- kX^ A r k = -■ — ĩ'k Sau xử lý phim ta tồn đồ đường trịn đổnị tâm suốt đường đen xen kẽ Để hồi phục sóng, ta bc vật chiếu lên toàn đồ chùm sáng (hình 2.20) Lúc ánl sáng chí qua phần suốt toàn đồ nghĩa trêĩ pha sóng giống pha sóng tán xạ từ vật, cịn sónị s 65 Hình 2.19: Sơ dồ ghi toàn dồ phang điểm s có pha khác với pha sóng tán xạ từ vật bị phần đen toàn đồ giữ lại Như cách loại trừ từ sóng sóng khơng cần thiết, hồi phục nửa diện tích tồn đồ phân bố pha trùng với phân bố pha sóng tán xạ từ vật trước Theo nguyên lý H uygens sóng thứ cấp phát từ tồn đồ hồn tồn tương đương với sóng tán xạ từ vật, nghĩa đặt mắt sau toàn đồ ta quan sát thấy vật Trên hình (2.20) ta thấy tia thứ cấp tập trung S” đối xứng ảnh ảo S’ qua toàn đồ chúng tăng cường lẫn pha Như vậy, rọi chùm sáng qua toàn đồ quan sát thấy hai ảnh điểm sáng ảnh ảo S’ ảnh thật S” Từ nguyên tắc xét cho điểm sáng mở rộng cho vật tạo thành từ nhiều điểm tán xạ ánh sáng Khi phim ảnh tổng hợp toàn đồ tất điểm riêng biệt vật, trình hồi phục toàn đồ riêng biệt hoạt động độc lập, toàn đồ hồi phục lại điểm Kết toàn đồ tổng cộng cho ảnh vật s s s s, Tồnđồ Hình 2.20: Sơ đồ hồi phục sóng tán xạ từ điểm s Toàn đồ khối Sơ đồ tồn kí mơ tả Gabor có m ột số hạn chế, thứ toàn đồ phẳng cho hai ảnh, ảnh ảo trùng với vị trí vật ảnh thật, hai chùm sáng tạo thành hai ảnh cản trở trình quan sát ảnh, thứ hai vật quan sát phải m ỏng để khơng ngãn cản trường sóng giai đoạn ghi tồn đổ thứ ba nhìn ảnh phải đặt mắt đường chùm sáng nên khó quan sát Để loại trừ ảnh thật S” người ta dùng toàn đồ khối Toàn đồ khối tồn đồ bề dày lớn nhiều lần khoảng cách vân giao thoa Toàn đồ khối xét đến kỹ tài liệu dành cho khối ngành kỹ thuật 67 2.6.2 Một sơ ứng dụng phương pháp tồn kí Tạo ảnh vật Phương pháp tồn kí có ứng dụng trực tiếp tạo ảnh nổi, ảnh cho nhiều thông tin vật, việc tạo ảnh ứng dụng nhiều quảng cáo, thí nghiệm hay tác phẩm nghệ thuật có giá trị, Trong khoa học, nghiên cứu phân bố hạt theo độ cao, hạt chuyển động, nghiên cứu vết hạt vật lý hạt nhân, người ta dùng phương pháp toàn kí Ghi phục hồi sóng âm Nhờ phương pháp tồn kí người ta giải vấn đề nhìn thấy sóng âm, từ nhiều ứng dụng quan trọng thăm dò khuyết tật siêu âm, nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất sóng âm, thăm dò tài nguyên, nghiên cứu đáy biển, Phương pháp tồn kí dùng ghi hồi phục sóng âm dùng y học để chẩn đoán bệnh Để nhìn thấy trường sóng âm người ta dùng số cách sau: - Di chuyển nguồn thu âm trường sóng âm Tín hiệu từ nguồn thu âm dùng để biến điệu thông lượng chùm sáng - Phương pháp chụp ảnh: Trường sóng siêu âm ghi trực tiếp phim ảnh nhờ tính chất siêu âm làm tăng cường phản ứng hóa học xảy q trình hình định hình phim ảnh - Làm biến dạng bề mặt chất lỏng tác dụng áp suất âm tiến hành hồi phục quang học nhờ ánh sáng phản xạ bề mặt Phương pháp tồn kí cịn ứng dụng ra-đa để xác định hình dạng, kích thước vật quan sát,