Nội dung của đồ án được phân thành các phần như sau: Phần 1: Giới thiệu về chuyên ngành Vật lý Ứng dụng Phần 2: Lý thuyết tổng quan Phần 3: Thiết kế quang phổ kế cầm tay đơn giản Việc ng
GIỚI THIỆU VỀ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG
Giới thiệu chung
Bộ môn Vật lý Ứng dụng, một trong những bộ môn tiên phong của Khoa Vật lý, đã được thành lập từ những năm đầu khi trường và khoa ra đời trước năm 1975.
Năm 1945, bộ môn Vật lý Ứng dụng, ban đầu được biết đến với tên gọi quang phổ, đã trở thành nơi khởi nguồn cho nhiều nhóm nghiên cứu tại khu vực phía Nam Các lĩnh vực nghiên cứu chính bao gồm quang học, quang phổ, quang tử, màng mỏng, vật liệu nano và vật liệu mới.
Bộ môn Vật lý Ứng dụng tọa lạc tại dãy nhà A, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP HCM, cụ thể là từ phòng A04 đến phòng A07 tại cơ sở Nguyễn Văn Cừ.
Trưởng bộ môn Vật lý Ứng dụng là PGS TS Lê Vũ Tuấn Hùng Nhân sự của bộ môn gồm 2 Phó giáo sư, 7 Tiến sĩ và 4 Thạc sĩ
Bảng 1.1 Danh sách cán bộ của bộ môn Vật lý Ứng dụng
STT Họ và tên Học hàm, học vị Chức vụ Liên hệ
1 Lê Vũ Tuấn Hùng PGS.TS Trưởng bộ môn lvthung@hcmus.edu.vn
2 Vũ Thị Hạnh Thu PGS.TS Phó bộ môn vththu@hcmus.edu.vn
3 Hoàng Lương Cường ThS Giáo vụ hlcuong@hcmus.edu.vn
4 Lê Văn Ngọc GVC TS Giảng viên lvngoc@hcmus.edu.vn
5 Lê Trấn GVC TS Giảng viên ltran@hcmus.edu.vn
6 Nguyễn Thanh Lâm TS Giảng viên ntlam@hcmus.edu.vn
7 Nguyễn Hữu Kế TS Giảng viên nhke@hcmus.edu.vn
8 Đào Anh Tuấn ThS Giảng viên daotuan@hcmus.edu.vn
9 Phan Thị Kiều Loan TS Giảng viên ptkloan@hcmus.edu.vn
10 Võ Thị Ngọc Thủy TS Giảng viên vtnthuy@hcmus.edu.vn
11 Nguyễn Duy Khánh ThS Giảng viên ndkhanh@hcmus.edu.vn
12 Tôn Nữ Quỳnh Trang ThS Giảng viên tnqtrang@hcmus.edu.vn
13 Phan Trung Vĩnh TS Giảng viên ptvinh@hcmus.edu.vn
Bộ môn có hai phòng thí nghiệm phục vụ cho giảng dạy và nghiên cứu, bao gồm PTN Quang học - Quang tử và PTN Vật lý Chân không Đặc biệt, từ năm 2016, PTN Quang học - Quang tử đã được đầu tư trọng điểm với tổng kinh phí hơn 6 tỷ đồng, nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu khoa học tại bộ môn.
1.1.3.1 Giới thiệu chung (Phòng thí nghiệm Quang học – Quang tử)
Phòng thí nghiệm Quang học – Quang tử, được thành lập từ năm 2016, tọa lạc tại phòng A04 và A05, dãy nhà A, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP HCM, cơ sở Nguyễn Văn Cừ Với diện tích 650 m², phòng thí nghiệm bao gồm khu vực lắp đặt thiết bị 350 m² và khu vực thí nghiệm 300 m² Hiện tại, trưởng phòng thí nghiệm là PGS TS Vũ Thị Hạnh Thu.
1.1.3.2 Chức năng và nhiệm vụ
Quang học – Quang tử là một ngành khoa học quan trọng, liên quan chặt chẽ đến việc chế tạo vật liệu mới và được ưu tiên phát triển trong giai đoạn hiện tại để phục vụ cho công nghiệp hóa và hiện đại hóa Ngành quang tử đã phát triển thành công nghệ hiện đại, với nhiều phát minh tiêu biểu như LED, photodiode, laser, solar cell, cáp quang và tinh thể quang tử Các thiết bị quang tử ngày càng trở nên thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày.
Bộ môn PTN Quang học – Quang tử thuộc Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật nổi bật với đội ngũ nghiên cứu chất lượng cao trong lĩnh vực quang học, quang phổ và quang tử Chúng tôi luôn dẫn đầu trong nghiên cứu và đào tạo đại học, sau đại học, và đã nhận nhiều danh hiệu tập thể lao động xuất sắc từ ĐHQG và cấp trường, cùng với các bằng khen từ Thủ tướng chính phủ, Bộ Giáo dục và Đào tạo, và huân chương Lao động hạng 3.
Từ năm 2010 đến nay, với sự đầu tư vào trang thiết bị, bộ môn Quang học đã đào tạo hơn 120 thạc sĩ và 7 tiến sĩ, khẳng định vị thế là một trong những chuyên ngành sau đại học hàng đầu của trường.
Chức năng và nhiệm vụ chính của PTN Quang học – Quang tử là trung tâm nghiên cứu và đào tạo bậc đại học, sau đại học, đồng thời thực hiện phân tích và đánh giá trong lĩnh vực quang tử, quang phổ, vật liệu nano và quang phi tuyến.
Hình 1.1 PGS TS Vũ Thị Hạnh Thu đang làm thí nghiệm phún xạ tạo màng
Hình 1.2 Cán bộ làm việc tại phòng thí nghiệm Quang học – Quang tử 1.1.3.3 Một số các thiết bị tại phòng thí nghiệm
Hình 1.3 Hệ đo phổ Quang Phát quang Hình 1.4 Máy đo phổ Raman
Hình 1.5 Máy đo phổ phản xạ Hình 1.6 Máy đo phổ UV-Vis
Hình 1.7 Hệ tạo màng bằng phương pháp phún xạ
Hình 1.8 Hệ đo cảm biến khí
Hình 1.9 Hệ điện hóa Hình 1.10 Hệ nuôi đơn tinh thể
Hình 1.11 Lò nung dạng ống Hình 1.12 Lò nung 1500°C
Giới thiệu về chương trình đào tạo
1.2.1.1 Mục tiêu đào tạo của chuyên ngành Vật lý Ứng dụng
Mục tiêu của ngành Vật lý Ứng dụng là đào tạo sinh viên có kiến thức vững chắc về Vật lý, cùng với các kỹ năng cần thiết trong lĩnh vực Quang – Quang phổ, laser, vật lý điện tử và plasma, cũng như trong nghiên cứu màng mỏng và vật liệu nano Sinh viên cũng sẽ được trang bị kiến thức về các ứng dụng thực tiễn, kỹ năng thực nghiệm và khả năng lập trình mô phỏng vật liệu mới Các hướng phát triển bao gồm việc nâng cao kiến thức về Quang – Quang phổ – Quang tử.
Nghiên cứu các ứng dụng của quang và quang phổ, bao gồm quang phổ phát xạ nguyên tử, hấp thụ nguyên tử, quang phổ phân tử như hấp thu hồng ngoại, phổ Raman và phổ phát quang Phát triển các kỹ thuật nghiên cứu quang phổ thực nghiệm và ứng dụng các phương pháp quang phổ trong nghiên cứu vật liệu đa pha cấu trúc, chẳng hạn như gốm và vật liệu tổ hợp, nhằm mục đích tìm hiểu và đánh giá công nghệ vật liệu.
Nghiên cứu về lĩnh vực công nghệ photonics và các ứng dụng của nó, linh kiện bán dẫn
Nghiên cứu về vật liệu quang phi tuyến, laser và các hiệu ứng quang phi tuyến
Hình 1.13 Các sinh viên lớp 13VLUDB đang thực tập phân tích quang phổ b Kiến thức về vật lý điện tử plasma, màng mỏng và vật liệu nano
Nghiên cứu và chế tạo các vật liệu quang điện tử, bao gồm các chất bán dẫn nhóm II-VI và III-V, cùng với các vật liệu pha tạp ion đất hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp, là rất quan trọng Bên cạnh đó, việc khám phá các cấu trúc lượng tử và vật liệu nano cũng đóng vai trò then chốt trong việc phát triển tính chất quang và quang-điện của chúng.
Nắm vững kiến thức về điện tử plasma, chân không và kỹ thuật tạo môi trường chân không là rất quan trọng Công nghệ chế tạo màng mỏng và vật liệu nano được thực hiện thông qua các phương pháp như phún xạ magnetron, PLD, solgel và các phương pháp hóa lý khác Nghiên cứu ứng dụng của màng mỏng và vật liệu nano trong các lĩnh vực khoa học tiên tiến, y sinh và đời sống hàng ngày đang mở ra nhiều cơ hội mới.
Hình 1.14 Các sinh viên lớp 13VLUDA đang thực tập chuyên đề
Sử dụng thuật toán để mô phỏng các vấn đề liên quan đến quang học, vật lý plasma, và các vật liệu nano, màng mỏng Cải thiện kỹ năng lập trình với ngôn ngữ như Matlab và C++.
Hình 1.15 Sinh viên đang thực hành các kỹ thuật tạo ảnh 3D tại phòng máy tính d Chương trình đào tạo của chuyên ngành Vật lý Ứng dụng
Bảng 1.2 Chương trình đào tạo của chuyên ngành Vật lý Ứng dụng
Mã số TCLT TCTH Tên GV phụ trách
HỌC KỲ II GIAI ĐOẠN 2
1 Quang phổ phân tử 3 PGS.TS Lê Vũ Tuấn Hùng
2 Vật lý laser và quang tử học 2 TS Võ Thị Ngọc Thủy
3 Vật lý chân không và Màng mỏng 3 TS Lê Văn Ngọc
4 Thực tập phân tích quang phổ 2 TS Phan Trung Vĩnh, ThS
5 Cơ sở linh kiện bán dẫn 5 PGS.TS Trần Cao Vinh
HỌC KỲ III GIAI ĐOẠN 2
6 Kỹ thuật đo lường 2 1 PGS.TS Huỳnh Văn Tuấn
7 Công nghệ chế tạo màng mỏng 2 PGS.TS Vũ Thị Hạnh Thu
8 Quang điện tử bán dẫn 2 TS Phan Thị Kiều Loan
9 Thực tập chế tạo màng mỏng 2 ThS Hoàng Lương Cường
10 Kỹ thuật phân tích vật liệu 1 1 TS Nguyễn Hữu Kế
11 Vật lý điện tử và plasma 3 PGS.TS Lê Văn Hiếu
12 Kỹ thuật lập trình C++ 2 TS Võ Thị Ngọc Thủy
HỌC KỲ IV GIAI ĐOẠN 2
13 Quang phi tuyến 2 TS Nguyễn Thanh Lâm
14 Nhập môn về vật liệu nano và ứng dụng 1 1 ThS Hoàng Lương Cường
15 Thực tập các ứng dụng của màng mỏng và vật liệu nano 2
ThS Đào Anh Tuấn, ThS Hoàng Lương Cường,
TS Nguyễn Hữu Kế, TS
16 Thực tập các ứng dụng của laser 2 TS Phan Trung Vĩnh, TS
17 Matlab - Mô phỏng quang và vật lý plasma 2 PGS.TS Lê Vũ Tuấn Hùng,
HỌC KỲ V GIAI ĐOẠN 2 (TỐT NGHIỆP 10TC)
1 Khóa luận tốt nghiệp 10 Bộ môn phân công
1 Phương pháp tính trong vật lý 3 PGS TS Nguyễn Nhật
2 Mô phỏng các bài toán trong vật lý 2 1 TS Nguyễn Huỳnh Tuấn
3 Seminar tốt nghiệp 4 Bộ môn phân công
Tổng số học phần chuyên ngành phải học 38TC
Tổng 48TC e Điều kiện đầu vào chuyên ngành Vật lý Ứng dụng (Khóa tuyển 2020)
- Điểm trung bình học tâp 3 học kỳ đầu lớn hơn 5,10
- Số tín chỉ nợ các môn thuộc giai đoạn đại cương của 3 học kỳ đầu không quá
1.2.2 Đào tạo sau đại học
Chương trình đào tạo sau đại học bao gồm hai ngành chính: Quang học và Vật lý vô tuyến và Điện tử (hướng Vật lý Ứng dụng) Ngành Quang học cung cấp hai chương trình đào tạo, bao gồm Thạc sĩ Quang học và Tiến sĩ Quang học Trong đó, chương trình Thạc sĩ Quang học và Thạc sĩ Vật lý Vô tuyến và Điện từ là những lựa chọn nổi bật cho sinh viên.
Thí sinh muốn dự thi vào các ngành Quang học cần phải có bằng tốt nghiệp đại học thuộc chuyên ngành vật lý, sư phạm lý hoặc ngành phù hợp từ các trường đại học trên toàn quốc Nếu thí sinh có bằng tốt nghiệp đại học ngành gần, họ phải hoàn thành khóa học bổ sung kiến thức trước khi tham gia kỳ thi.
Môn thi tuyển và hình thức ôn thi:
- Môn cơ bản: Toán cho vật lý
- Môn cơ sở: Vật lý nguyên tử
- Môn ngoại ngữ: theo yêu cầu chung của trường
Trước kỳ thi tuyển sinh, Khoa và Bộ môn sẽ mở các lớp ôn tập kiến thức truyển sinh
Thời gian thi tuyển (hàng năm): Tháng 5 và tháng 10
Thời gian nộp hồ sơ (hàng năm): Tháng 3 và tháng 8 b Chương trình Tiến sĩ Quang học
Thí sinh cần có người hướng dẫn đề tài luận án và đáp ứng các yêu cầu chung của trường
Thời gian phỏng vấn xét tuyển (hàng năm): Tháng 5 và tháng 10
Thời gian nộp hồ sơ (hàng năm): Tháng 3 và tháng 8.
Các hướng nghiên cứu tại bộ môn Vật lý Ứng dụng
1.3.1 Vật liệu nano và màng mỏng
Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu quang tử cho điện cực trong suốt dẫn điện đang trở thành xu hướng quan trọng Các loại màng bán dẫn như loại n và loại p, cùng với các màng hấp thụ cao như CZTS và Cu2O, đóng vai trò then chốt trong việc phát triển pin Mặt Trời hiệu suất cao Việc tối ưu hóa các vật liệu này không chỉ nâng cao hiệu suất quang điện mà còn góp phần vào sự bền vững của năng lượng tái tạo.
Nghiên cứu công nghệ chế tạo chấm lượng tử bán dẫn phát quang mạnh như CdS và CdSe với các cấu trúc đa dạng như lõi trần, lõi/vỏ, và lõi/vỏ/vật liệu chức năng đang được chú trọng Các chấm lượng tử này có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực quang học và điện tử Việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của chúng có thể nâng cao hiệu suất phát quang, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng công nghệ tiên tiến.
Có 12 vật liệu tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D có khả năng thay đổi vùng cấm quang học Những vật liệu cấu trúc nano này sở hữu các tính chất đặc biệt nhờ vào các phương pháp hóa học.
Nghiên cứu phát triển vật liệu cho môi trường hoạt tính trong thiết bị laser nhằm chế tạo laser dựa trên các vật liệu này.
- Nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu có cấu trúc grapheme: MoS2, MoSe2,… nhằm ứng dụng trong các loại pin Mặt trời, quang xúc tác,…
- Nghiên cứu và phát triển (R&D) công nghệ chế tạo các linh kiện và thiết bị quang tử nhằm ứng dụng trong thông tin quang học và cảm biến quang
Hình 1.16 Học viên cao học đang thực nghiệm chế tạo màng mỏng
Hình 1.17 Học viên cao học đang pha dung dịch chế tạo màng mỏng 1.3.2 Quang học - Quang tử
Nghiên cứu ứng dụng vật liệu quang tử kích thước nano-mét đang mở ra nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực như đánh dấu huỳnh quang, đánh dấu sinh học, tự làm sạch và sát khuẩn Những vật liệu này cũng được sử dụng trong linh kiện phát quang, chuyển đổi quang – điện và đặc biệt là trong việc phát triển pin mặt trời hiệu suất cao.
Nghiên cứu phát triển cảm biến SERS (Tăng cường tín hiệu Raman hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt) nhằm phát hiện các dư lượng hóa chất thuốc trừ sâu trong trái cây và rau củ đang được tiến hành Các cảm biến này có khả năng nhận diện chính xác các vết hóa học, góp phần bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng và đảm bảo an toàn thực phẩm.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang phi tuyến (NLO) như tinh thể KDP (KH2PO4) và màng polymer chất màu hữu cơ nhằm ứng dụng trong các hệ quang học laser, bao gồm bộ nhân tần laser, bộ biến điệu điện-quang và màng giới hạn quang Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định hệ số quang phi tuyến bậc hai, các tham số quang số quang phi tuyến bậc ba, cũng như sự hấp thụ hai photon trong các hiệu ứng quang động học của các vật liệu tinh thể và chất màu hữu cơ.
Hình 1.18 Cán bộ phòng thí nghiệm đang chỉnh lò nung
Hình 1.19 Sinh viên đang thực hành chế tạo nuôi tinh thể
Cơ hội nghề nghiệp
Sau khi tốt nghiệp chương trình đào tạo tại bộ môn Vật lý Ứng dụng, sinh viên và học viên có thể:
- Học tiếp các chương trình đào tạo Thạc sĩ (ngành Quang học và ngành Vật lý
Vô tuyến & Điện tử – hướng Ứng dụng) và chương trình đào tạo Tiến sĩ ngành Quang học của bộ môn
- Tham gia giảng dạy tại các trường Đại học, Cao đẳng, Học viện,…
Làm việc tại các phòng thí nghiệm và trung tâm phân tích như Viện công nghệ nano ĐHQG TP HCM, Viện Vật lý TP HCM, và Viện Khoa học Vật liệu TP HCM, cũng như tại Trung tâm phân tích thí nghiệm Liên đoàn bản đồ địa chất miền Nam và Khu công nghệ cao TP HCM, là những cơ hội tuyệt vời cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực khoa học vật liệu và công nghệ nano Trung tâm nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano và phân tử (MANAR) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các dự án nghiên cứu tiên tiến.
Làm việc tại các công ty hàng đầu trong lĩnh vực quang học, quang phổ, vật liệu mới, vi điện tử và lập trình tính toán, như Điện Quang, Olympus, Mitsuba, Renesas, Bosch, Ryomo, On Semiconductor, Ge3F, FPT Hi-tech Park, Arrive Technologies, GES, TMA Solutions, và Ascenx Technologies Vietnam, cũng như Cyberlogitec, mang đến cơ hội phát triển nghề nghiệp đa dạng và tiềm năng trong ngành công nghệ cao.
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Những khái niệm cơ bản trong quang học sóng
Xét hai điểm A, B trong một môi trường đồng tính chiết suất n, cách nhau một đoạn d Thời gian ánh sáng đi được từ A đến B là:
Trong đó 𝑣 là vận tốc ánh sáng trong môi trường
Quang lộ là đoạn đường ánh sáng truyền từ điểm A đến điểm B trong chân không, được xác định trong khoảng thời gian t Thời gian t là thời gian mà ánh sáng di chuyển qua đoạn đường AB trong môi trường Ký hiệu quang lộ giữa hai điểm A và B là 𝐿.
Do 𝑛 = , và thế 𝑡 từ (2.1) vào (2.2), ta rút ra:
𝐿 = 𝑛𝑑 Nếu ánh sáng truyền qua nhiều môi trường có chiết suất 𝑛 , 𝑛 , 𝑛 , … với các quãng đường 𝑙 , 𝑙 , 𝑙 , … quang lộ tổng cộng là:
Khi ánh sáng đi qua nhiều môi trường với chiết suất thay đổi liên tục, chúng ta có thể chia đoạn đường thành các đoạn nhỏ ds Trong mỗi đoạn nhỏ này, chiết suất được coi là không đổi, cho phép tính toán quang lộ giữa hai điểm A và B bằng công thức: 𝐿 = ∑ 𝑛 𝑑.
2.1.2 Nguyên lí Huyghens a Mặt sóng
Mặt sóng là tập hợp các điểm có dao động sóng đồng pha Khi một nguồn sáng điểm được đặt trong môi trường đồng tính và đẳng hướng, mặt sóng trở thành các mặt cầu đồng tâm, tạo thành sóng cầu Phương truyền sóng được xác định bởi các đường xuyên tâm, vuông góc với mặt sóng, được gọi là tia sóng.
Khi các mặt sóng cách nhau một số nguyên lần bước sóng ∆𝑧 = 𝑚𝜆 (với m = 1, 2, 3, …), hiệu pha giữa chúng sẽ là một số nguyên lần của 2π, tạo thành các mặt sóng đồng pha Nguyên lý Huyghens cũng được áp dụng trong trường hợp này.
Mọi điểm trên mặt sóng đều là nguồn của các sóng cầu thứ cấp Sau một khoảng thời gian 𝑡, vị trí mới của mặt sóng sẽ được xác định bởi sự bao hình của tất cả các sóng thứ cấp này.
Hình 2.2 Sự truyền của một sóng phẳng trong chân không được hình dung theo nguyên lý Huyghens
Sự tán sắc ánh sáng
2.2.1 Thí nghiệm của Newton về tán sắc ánh sáng trắng
Newton đã thực hiện thí nghiệm bằng cách sử dụng gương G để phản chiếu ánh sáng Mặt Trời qua một khe hẹp vào buồng tối Ánh sáng trắng từ Mặt Trời được chiếu qua một lỗ tròn nhỏ vào lăng kính thuỷ tinh P, làm cho chùm tia ló ra khỏi P bị lệch về phía đáy lăng kính và được ghi nhận trên màn.
M Trên màn, ta thấy một vệt sáng dài, có màu sắc thay đổi liên tục, không có ranh giới rõ rệt, sắp xếp theo thứ tự: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Tia tím bị lệch nhiều nhất, tia đỏ lệch ít nhất
Chùm ánh sáng trắng khi đi qua lăng kính sẽ được phân tán thành nhiều chùm tia sáng màu sắc khác nhau, tạo thành quang phổ liên tục trên màn M với các góc lệch khác nhau.
Khi thay thế lăng kính P bằng các loại lăng kính khác như lăng kính thủy tinh hoặc lăng kính rỗng chứa chất lỏng trong suốt, dải quang phổ vẫn được tạo ra Tuy nhiên, góc lệch của chùm tia ló và độ dài quang phổ trên màn M sẽ có sự thay đổi Điều này chứng tỏ rằng hiện tượng tán sắc là một hiện tượng phổ biến.
2.2.2 Hiện tượng tán sắc ánh sáng
Hiện tượng tán sắc ánh sáng là sự phụ thuộc của chiết suất môi trường vào bước sóng (hay tần số) của ánh sáng truyền qua
Ánh sáng trắng, như ánh sáng Mặt Trời và ánh sáng từ đèn điện dây tóc, là sự kết hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc với màu sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Trong khi đó, ánh sáng đơn sắc là loại ánh sáng có màu sắc cố định và không bị tán sắc khi đi qua lăng kính.
2.2.3 Giải thích hiện tượng tán sắc Ánh sáng trắng là ánh sáng phức tạp, nó là hỗn hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Mỗi ánh sáng đơn sắc tương ứng với một bước sóng xác định
Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng đơn sắc, với giá trị thấp nhất cho ánh sáng đỏ và tăng dần khi chuyển sang các màu như da cam, vàng, cho đến giá trị cao nhất đối với ánh sáng tím Đặc điểm này là quy luật chung cho tất cả các chất trong suốt, bao gồm rắn, lỏng và khí.
Mối quan hệ giữa giao thoa ánh sáng và nhiễu xạ ánh sáng
Hiện tượng giao thoa là đặc trưng của sóng, cho thấy rằng mọi quá trình sóng đều có khả năng tạo ra giao thoa Ngược lại, bất kỳ quá trình vật lý nào gây ra giao thoa đều phải là một quá trình sóng.
Giao thoa ánh sáng là hiện tượng chồng chất của hai hoặc nhiều sóng ánh sáng, tạo ra các vân sáng và vân tối xen kẽ trong không gian Các vân sáng được gọi là cực đại giao thoa, trong khi các vân tối được gọi là cực tiểu giao thoa Khu vực xảy ra hiện tượng này được gọi là trường giao thoa Để xảy ra giao thoa ánh sáng, cần có những điều kiện nhất định.
- Dao động cùng phương, cùng chu kì (hay tần số)
- Có hiệu số pha không đổi theo thời gian
Hai nguồn như vậy được gọi là hai nguồn kết hợp Hai sóng do hai nguồn kết hợp phát ra gọi là hai sóng kết hợp
Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng khi ánh sáng truyền đi không theo đường thẳng mà bị sai lệch khi gặp vật cản.
Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chỉ có thể giải thích được nếu thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng
2.3.3 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng
Khi đặt một nguồn sáng điểm S trước lỗ tròn nhỏ O trên thành hộp kín hình chữ nhật, hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng sẽ xảy ra Nếu ánh sáng truyền thẳng, vết sáng tròn có đường kính D sẽ xuất hiện trên thành đối diện của lỗ O Vết sáng này thực chất là đáy của một hình nón có đỉnh tại S và mặt bên tựa lên chu vi của lỗ.
Thực tế thì ta lại thấy một vết tròn sáng có đường kính D’ lớn hơn D Lỗ O càng nhỏ thì D’ càng lớn so với D
Như vậy, khi gặp mép lỗ, ánh sáng đã có sự truyền sai lệch so với sự truyền thẳng
2.3.4 Giải thích hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng
Hiện tượng nhiễu xạ được giải thích qua Nguyên lí Huyghens – Fresnel, trong đó bao gồm nguyên lí Huyghens đã được đề cập trước đó và phần bổ sung của Fresnel Nguyên lí này mô tả cách sóng ánh sáng lan truyền qua các khe hẹp và tạo ra các mẫu nhiễu xạ đặc trưng.
Nguyên lý Huyghens cho rằng mọi điểm trên mặt sóng do nguồn sóng sơ cấp phát ra đều có thể coi là nguồn điểm của các sóng thứ cấp Sau một khoảng thời gian, mặt sóng mới sẽ được hình thành từ sự kết hợp của tất cả các sóng thứ cấp Nguyên lý Fresnel chỉ ra rằng biên độ và pha của sóng thứ cấp tương ứng với biên độ và pha của sóng sơ cấp tại vị trí của nguồn thứ cấp Tại bất kỳ điểm nào trong vùng khảo sát, sóng sẽ là kết quả của sự chồng chất các sóng thứ cấp, bao gồm cả biên độ và pha.
Để minh họa nguyên lý lan truyền ánh sáng, chúng ta xem xét một chùm sáng đơn sắc đi qua một khe hẹp có chiều dài vô hạn, với sóng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng điểm dưới dạng sóng cầu.
Theo Nguyên lý Huyghens, tại khe hẹp, mặt sóng có thể được coi là tập hợp của nhiều nguồn phát sóng cầu thứ cấp Sóng từ những nguồn này phát ra sẽ chồng chập với nhau, tạo thành sóng kết hợp Kết quả là biên độ và pha tại bất kỳ điểm nào trên màn thu sẽ được tổng hợp từ biên độ và pha của tất cả các sóng thứ cấp tại điểm đó, theo Nguyên lý Fresnel.
2.3.5 Mối quan hệ giữa giao thoa ánh sáng và nhiễu xạ ánh sáng
2.3.5.1 Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp
Hình ảnh từ hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng xuất phát từ sự giao thoa của vô số sóng phát ra từ các nguồn sáng điểm liên tục.
Hình 2.6 Sơ đồ hệ khảo sát hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua nhiều khe hẹp
Hiệu quang lộ giữa 2 tia kế tiếp nhau:
∆𝐿 = 𝑑 sin 𝜑′ Điều kiện để có vân sáng giao thoa cực đại:
∆𝐿 = 𝑑 sin 𝜑′ = 𝑘𝜆 → sin 𝜑′ = 𝑘𝜆 Với 𝑘 = 0, ±1, ±2, 𝑑 Điều kiện để có vân sáng giao thoa cực tiểu:
Hình 2.7 Phân bố cường độ sáng trong nhiễu xạ ánh sáng qua nhiều khe hẹp
Hình 2.8 Hệ vân nhiễu xạ ánh sáng qua nhiều khe hẹp với chùm ánh sáng trắng
Khái niệm cách tử nhiễu xạ: Cách tử nhiễu xạ là hệ thống khe hẹp cách đều nhau cùng nằm trên một mặt phẳng
Chu kỳ và mật độ khe của cách tử là hai thông số quan trọng để đặc trưng cho một cách tử nhiễu xạ Cụ thể, chu kỳ cách tử (d) và mật độ khe (n) đóng vai trò quyết định trong việc xác định tính chất của cách tử.
- Chu kỳ cách tử d là khoảng cách giữa hai khe hẹp gần nhau nhất của cách tử
- Mật độ khe n là số khe có trong một đơn vị chiều dài của cách tử
Mối liên hệ giữa chu kỳ cách tử d và mật độ khe n cho thấy rằng mỗi khe có chiều dài d, do đó trong một đơn vị chiều dài sẽ có 1/d khe.
Nếu gọi l là chiều dài của cách tử, thì tổng số khe có trên cách tử sẽ là:
𝑁 = 𝑛𝑙 Trong thực tế, người ta chia cách tử thành hai loại: Cách tử truyền qua và Cách tử phản xạ
(a) Cách tử truyền qua (b) Cách tử phản xạ
Hình 2.10 Hai loại cách tử nhiễu xạ
Quang phổ đèn Na hiển thị hai bước sóng 5890 Å và 5896 Å, được phân ly bởi các cách tử với 300 khe và 1000 khe Năng suất phân ly của cách tử là chỉ số quan trọng thể hiện khả năng phân biệt hai vân sáng hoặc hai vạch quang phổ gần nhau khi ánh sáng không đơn sắc được chiếu qua cách tử.
Giới thiệu về Quang phổ học
2.4.1 Khái niệm Quang phổ học
Thuật ngữ “Quang phổ” được đưa ra lần đầu vào năm 1672 thông qua hiện tượng tán sắc ánh sáng
Quang phổ là dải màu liên tục từ đỏ đến tím, với sự phân bố màu sắc khác nhau tùy thuộc vào nguồn sáng Điều này làm cho quang phổ trở thành đặc trưng riêng biệt cho từng loại nguồn sáng.
Quang phổ ban đầu được ghi nhận trên phim, nhưng với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, nó đã được ghi nhận dưới dạng đồ thị hai chiều Trong đó, trục hoành biểu thị bước sóng và trục tung thể hiện cường độ, cho phép quang phổ ghi nhận không chỉ ở vùng khả kiến mà còn mở rộng đến vùng tử ngoại, hồng ngoại và tia X.
Nguyên tử chỉ tồn tại trong các trạng thái dừng với năng lượng xác định, và trong những trạng thái này, chúng không phát ra bức xạ.
Trong trạng thái dừng của nguyên tử, electron di chuyển quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính xác định, được gọi là các quỹ đạo dừng Bảng 2.1 trình bày mức năng lượng và bán kính của các quỹ đạo dừng.
Tên bánh kính quỹ đạo K L M N O P
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng cao 𝐸 sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn 𝐸, nó phát ra một photon với năng lượng ε = ℎ𝑓 = 𝐸 − 𝐸 Ngược lại, khi nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp 𝐸 hấp thụ một photon có năng lượng ε = ℎ𝑓 = 𝐸 − 𝐸, nó sẽ chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao 𝐸.
2.4.3 Ứng dụng của Quang phổ học
Phạm vi ứng dụng của quang phổ học hiện nay là rất lớn:
- Là công cụ hữu ích cho ngành công nghiệp luyện kim
Khi nung một thanh sắt, nhiệt độ ảnh hưởng đến màu sắc quang phổ phát ra: ở 500°C, thanh sắt phát ra màu đỏ; khi tăng lên 800°C, quang phổ chuyển sang màu cam; và khi đạt 1000°C, quang phổ tiếp tục lan sang màu vàng.
Khi vàng 24k được nung đến 1200°C, quang phổ phát ra màu tím, trong khi ở nhiệt độ gần 1500°C, quang phổ chuyển sang màu trắng sáng Dựa vào quang phổ màu này, chúng ta có thể xác định thành phần và mật độ của kim loại, phi kim, hợp kim, từ đó tạo lập bản đồ phân bố khoáng sản tại các vùng địa lý khác nhau Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ngành Khoáng vật học, Địa chất học và Khảo cổ học.
Mở rộng ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất sơn, hóa dầu, thực phẩm, thuốc nhuộm và mỹ phẩm, việc sử dụng quang phổ để xác định nhóm chức và liên kết giữa các hợp chất hữu cơ giúp điều chế và tổng hợp sản phẩm với độ tinh khiết và chính xác cao.
- Đánh giá tính chất quang – điện và mức độ thành công trong chế tạo vật liệu mới, công nghệ màng mỏng
- Mở rộng nghiên cứu về Thiên Văn học, Vũ trụ học: xác định tuổi của ngôi sao, tìm hiểu cách vũ trụ giãn nở,…
2.4.4 Các thành phần trong hệ đo quang phổ a Nguồn kích thích
- Tạo ra tác nhân để kích thích mẫu
- Quy tắc chung là năng lượng cung cấp cho mẫu phải đủ kích thích các điện tử trong mẫu thực để chuyển mức năng lượng từ cao đến thấp
Các tác nhân kích thích như ánh sáng, nhiệt độ, điện trường và phóng điện rất đa dạng Trong đó, ánh sáng và bức xạ thường được sử dụng phổ biến do dễ dàng kiểm soát năng lượng kích thích Ánh sáng có thể là nguồn đa sắc với nhiều bước sóng hoặc là laser với bước sóng trải dài từ đỏ đến tím Máy đơn sắc, hay còn gọi là máy quang phổ, là thiết bị quan trọng trong việc phân tích và kiểm soát các bước sóng này.
- Dùng để tán sắc bức xạ phát ra từ nguồn kích thích
- Phân tán chùm đa sắc thành đơn sắc với bộ phận là lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ
Lăng kính hiện nay không còn được sử dụng để tán sắc vì khả năng phân tách các chùm đơn sắc không cao Thay vào đó, các thiết bị sử dụng cách tử có độ phân giải cao để xử lý các chùm đơn sắc, cho phép chúng ra khỏi máy đơn sắc và tiếp tục đến bộ phận xử lý.
Các dụng cụ quang học là thành phần thiết yếu trong hệ đo quang phổ, giúp thiết kế, điều chỉnh và định hướng chùm tia đến mẫu một cách chính xác với cường độ tối ưu nhất.
- Gương phản xạ toàn phần: Độ phản xạ trên 90% giúp định hướng ánh sáng
Gương bán phản xạ được đặt ở góc 45 độ so với trục hệ quang, có chức năng phân tách chùm tia tới thành hai chùm ánh sáng với cường độ yếu hơn: một chùm sẽ truyền thẳng và một chùm sẽ phản xạ.
- Splitter (Kính tách chùm tia): Phân tách chùm tia thành hai chùm có cùng cường độ nhưng có độ rộng nhỏ hơn chùm ban đầu
- Thấu kính hội tụ: Dùng để hội tụ chùm tia thành các tia song song hoặc hội tụ d Mẫu
Mẫu trong các hệ đo quang phổ rất đa dạng về trạng thái, bao gồm rắn, bột, màng mỏng, khí, dung dịch và plasma Mỗi loại mẫu cần được chuẩn bị một cách kỹ lưỡng với độ dày phù hợp, không quá dày và cũng không quá mỏng.
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu quang thành điện bao gồm tế bào quang điện hoặc CCD (Charged Coupled Device) Máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và thể hiện phổ.
Thiết bị này được sử dụng để xử lý và phân tích tín hiệu điện, chuyển đổi chúng thành các vạch phổ hoặc đỉnh phổ, và hiển thị kết quả trên màn hình máy tính.
2.4.5 Quang phổ liên tục và quang phổ vạch phát xạ
Quang phổ liên tục là dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím
Hình 2.12 Quang phổ liên tục của ánh sáng trắng
THIẾT KẾ QUANG PHỔ KẾ CẦM TAY ĐƠN GIẢN
Vật liệu cần có
Để chế tạo một quang phổ kế cầm tay đơn giản, cần chuẩn bị các vật liệu được đánh số như trong hình 3.1.
2 Băng keo không trong suốt (nhóm dùng băng keo điện)
Trong bài báo cáo này, nhóm sử dụng cách tử có thông số 1000 vạch/mm, kích thước 2x2 inch, sản xuất bởi công ty Rainbow Symphony
5 Giấy dán màu trang trí
Các bước thực hiện
Để thực hiện, đầu tiên, bạn cần dùng băng keo dán cố định cách tử nhiễu xạ vào lõi giấy vệ sinh Sau đó, hãy dán băng keo ở đầu còn lại của lõi giấy, tạo ra một khe nhỏ có độ rộng khoảng 1mm.
Bước 3: Trang trí sản phẩm bằng giấy màu và hoàn thiện sản phẩm
Bước 1: Cố định cách tử
Hình 3.3 Bước 2: Tạo khe hẹp
Quan sát một số loại nguồn sáng
Nhóm sẽ sử dụng quang phổ kế cầm tay để quan sát các ánh sáng màu khác nhau từ đèn compact (bao gồm trắng, xanh lam, đỏ, xanh lục), đèn LED trắng và đèn dây tóc.
Nhóm đã chuẩn bị đồ thị bước sóng và cường độ của các loại ánh sáng, nhằm so sánh và đối chiếu với hình ảnh thu được từ quang phổ kế cầm tay.
Hình 3.6 Quang phổ màu đèn compact trắng
Hình 3.7 Đồ thị của quang phổ đèn compact trắng
Hình 3.8 Đèn compact xanh lam
Hình 3.9 Quang phổ màu đèn compact xanh lam
Hình 3.10 Đồ thị của quang phổ đèn compact trắng 3.3.3 Đèn compact đỏ
Hình 3.12 Quang phổ màu đèn compact đỏ
Hình 3.13 Đồ thị của quang phổ đèn compact đỏ 3.3.4 Đèn compact xanh lục
Hình 3.14 Đèn compact xanh lục
Hình 3.15 Quang phổ màu đèn compact xanh lục
Hình 3.16 Đồ thị của quang phổ đèn compact xanh lục
Hình 3.18 Quang phổ màu đèn LED trắng
Hình 3.19 Đồ thị của quang phổ đèn LED trắng 3.3.6 Đèn dây tóc
Hình 3.21 Quang phổ màu đèn dây tóc
Hình 3.22 Đồ thị quang phổ màu của đèn dây tóc 3.3.7 Nhận xét
- Ánh sáng đèn compact đến từ nguyên tử thủy ngân nên nó là quang phổ vạch
- Đèn LED và đèn dây tóc phát ra quang phổ liên tục do ánh sáng phát ra từ vật rắn.
So sánh với máy quang phổ chuyên dụng
Cả hai máy đều có nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng bằng lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ
Trong các nguồn sáng được nghiên cứu, vị trí các vạch phổ trong quang phổ màu tương đồng với các đỉnh phổ trong biểu đồ quang phổ.
Máy quang phổ cầm tay chỉ có khe hẹp để điều chỉnh độ rộng, không trang bị các dụng cụ quang học khác như gương phản xạ, gương bán phản xạ hay thấu kính hội tụ.
- Máy quang phổ cầm tay không có bộ phận đặt mẫu và detector, ta quan sát quang phổ của mẫu vật bằng cách nhìn trực tiếp bằng mắt
- Độ phân giải bước sóng của máy quang phổ chuyên dụng cao hơn quang phổ kế cầm tay
Máy quang phổ cầm tay đơn giản được chế tạo từ vật liệu dễ kiếm và có giá thành thấp, giúp học sinh, sinh viên và những người đam mê nghiên cứu quang phổ dễ dàng tiếp cận Mặc dù thiết bị này rất tiện lợi cho việc quan sát quang phổ của các nguồn sáng, nhưng việc quan sát bằng mắt có thể làm giảm độ chính xác khi phân tích những nguồn sáng phức tạp.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã có cơ hội tìm hiểu sâu về ngành Vật lý ứng dụng, bao gồm quá trình hình thành, nhân sự, và phòng thí nghiệm Chúng em cũng được giới thiệu về chương trình đào tạo, các hướng nghiên cứu, cùng với cơ hội nghề nghiệp trong lĩnh vực này, từ đó giúp định hướng tốt hơn cho việc chọn chuyên ngành sau này Đồ án còn trang bị cho chúng em kiến thức nền tảng về quang học, đồng thời áp dụng những kiến thức đó vào thực tiễn để phát triển sản phẩm Máy quang phổ cầm tay đơn giản, giúp học sinh và sinh viên dễ dàng tiếp cận với quang phổ.
- Sơn phần trong của sản phẩm thành màu đen để quang phổ hiển thị rõ hơn
- Thay lõi giấy bằng vật liệu cứng hơn (như ống nước) để đảm bảo độ bền cho sản phẩm
Tích hợp camera vào sản phẩm và kết nối với máy tính qua phần mềm Theremino Spectrometer hoặc các phần mềm xử lý tín hiệu khác giúp quan sát quang phổ dưới dạng đồ thị với độ chính xác cao hơn.