γ = minMax minMax II II + − = 2 r 1 r2 + . Hệ số tương phản sẽ lớn nhất, gần bằng 1, khi hệ số phản xạ r≈1. Đường cong phân bố cường độ của các vân ứng với một vài trị số của r được vẽ trên hình 28. Hình 28 So sánh các đường phân bố cường độ cho thấy, khi hệ số phản xạ tăng các vân sáng hẹp lại. Với r = 0,9, nửa độ rộng của vân giao thoa chỉ xấp xỉ bằng 1/30 khoảng cách giữa hai vân liên tiếp. Do đó, trong các phép đo, có thể xác định vị trí của các vânsáng tới mức chính xác đến 1/100 vân. Lưu ý: Ta có thể viết lại các công thức (8.12) như sau: I = 2 2 2 2 )r1( rcosr21 )r1( a − +ϕ− − = 2 2 (1 2 ) 2 (1 cos ) (1 ) MAX I rr r r ϕ −+ + − − I =Ġ. Đặt m =Ġ I = 2 1sin 2 MAX I m ϕ + Nhận xét: Vì r khá lớn, thí dụ r = 0,9 ( m =Ġ = 360 Như vậy chỉ cầnĠ biến thiên một giá trị nhỏ, nghĩa là chỉ cần rời khỏi vị trí cực đại một chút thì cường độ vân sẽ sụt xuống rất nhanh, nghĩa là các vân giao thoa cho bởi giao thoa kế Perot– Fabry rất mảnh. Như vậy, ta có thể xác định bán kính các vân một cách khá chính xác. c. Mẫu Fabry – Perot và lọc sắc giao thoa: Mẫu Fabry – Perot gồm hai bản bán mạ, ngă n cách nhau bằng hai cái chèn cố định, độ dày thích hợp. Độ dày chính xác của mẫu được xác định bằng phương pháp quang học. Mẫu Fabry – perot được ứng dụng trong máy phát điện tử (sẽ trình bày trong phần sau của giáo trình). Nếu ta chiếu vuông góc vào mẫu Fabry – Perot có độ dày chừng vài bước sóng bằng một chùm sáng trắng song song, thì mẫu chỉ để truyền qua những bức xạ có bước sóngĠ thỏa mãn điều kiện. 2e = k λ (k = 1, 2, 3….) Với e nhỏ, k chỉ chừng vài đơn vị vàĠ chỉ có thể nhận vài trị số xác định: mẫu tác dụng như một lọc sắc và gọi là lọc sắc giao thoa truyền xạ. Ưu điểm của lọc sắc giao thoa là cho những giải truyền qua hẹp (độ đơn sắc cao) thường không quá 200 A0 với hệ số truyền xa Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m cao. Bước sóng của cực đại truyền qua có thể thay đổi bằng cách thay đổi góc tới i của chùm tia sáng. SS. 9. CÁC MÁY GIAO THOA. Các máy giao thoa là các máy đo dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng. Quan sát một hệ vân giao thoa, có thể phát hiện những độ dịch chuyển đến một vài trăm vân, tức là phát hiện được độ biến thiên một vài phần trăm bước sóng trong hiệu quang lộ của hai chùm giao thoa. Vì vậy phép đo giao thoa là một trong những phép đo vật lý chính xác nhất. Nguyên tắ c của các máy giao thoa, một chùm đơn sắc được phân thành hai chùm kết hợp, tách biệt nhau, một chùm cố định, còn một chùm có lộ trình thay đổi được. 1. Giao thoa kế Rayleigh (Rơ-lây). Giao thoa kế Rơlây, còn gọi là khúc xạ kế giao thoa, có cấu tạo đơn giản, dùng cách bố trí khe young (H.29). S là nguồn sáng, thấu kính L1 tập trung ánh sáng chiếu vào khe hẹp F. Khe này được đặt tại mặt phẳng tiêu của L2. Chùm tia song song sau khi qua đi qua hai bình, có độ dài L, giống hệt nhau. Sau đó hai chùm tia nhiễu xạ qua hai khe young F1 và F2. Các chùm tia nhiễu xạ được hội tụtrên mặt phẳng tiêu của thấu kính L3, thấu kính này được đặt sát ngay sau hai khe hẹp F1 và F2. Dùng thị kính O để quan sát vân giao thoa. Thông thường trong máy giao thoa người ta bố trí sao cho hai bình đựng chất cần đo chiết suất chỉ choán nửa tiết diện của chùm tia sáng song song. Vậy trong quang trường của thị kính sẽ có hai hệ vân giao thoa. Hệ vân ứng với các chùm tia chỉ đi qua không khí là hệ vân chuẩn, giả sử là hệ vân trên.(H.30). Nếu trong hai bình T đựng cùng một chất khí (hoặc lỏng) thì hai hệ vân hoàn toàn trùng nhau, hai vân trung tâm đều ở tại O. Bây giờ, nếu một bình là chân không (n =1) và bình kia đựng chất khí chiết suất n, thì hiệu quang lộ của hai chùm tia tớ i O bằng : ∆ = L(n-1) = pλ p là một số bất kỳ (bậc giao thoa). Như vậy tại O có vân thứ p, nghĩa là vân trung tâm của hệ vân động (hệ vân dưới) đã dịch chuyển đếnĠ cách O là p vân. Xác định được p ta tính được chiết suất n: n = 1 + p L λ 2. Giao thoa kế Michenlson (Mai-ken-sơn). a. Cấu tạo: Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Hình 31 trình bày sơ đồ nguyên tắc giao thoa kế mai-ken-sơn. S là nguồn sáng rộng. L1 là thấu kính tạo các chùm tia song song. O và C là vật kính và thị kính của kính ngắm. T1 và T2 là 2 tấm thủy tinh, bán T1 có lớp bán mạ. G1 và G2 là hai gương phẳng. Tia tới SI bị tách ra làm hai phần. Một phần phản xạ trên lớp bán mạ đến gương G1, rồi phản xạ trở lại, đi qua T2 và T1 để tới mắt. Một phần của tia SI, đi qua lớp bán ma tới G2, phả n xạ trở lại tới T1, rồi phản xạ trên lớp bán mạ rồi tới mắt. Hai tia IS1và IS2 là hai tia kết hợp, cho giao thoa ở vô cực. Trong điều kiện: G1, G2 cách đều I và vuông góc với nhau; các bản T1 và T2 song song với nhau, có cùng bề dày và cùng chiết suất, bản T1 nằm theo phân giác của góc vuông hợp bởi hai gương G1, G2, thì đường đi hình học của các cặp tia kết hợp là như nhau (mỗi tia đều đi qua ba lần bề dày của tấm thủy tinh). Ngoài ra, hai quang lộ khác nhau một trị sốĠ. Vì quang lộ (một) chịu một lần phản xạ trên môi trường chiết quang hơn, còn quang lộ (hai) thì ngược lại. So sánh với giao thoa kế Raylaigh, hai chùm tia kết hợp được tách biệt hẳn nhau (IG1 và IG2), do đó ta dễ dàng tác động lên một trong hai chùm tia. b. Cách quan sát hệ vân giao thoa: Giả sử gương G2, được tịnh tiến ra xa T1 một khoảng nhỏ e. Ảnh của gương G2 qua lớp bán mạ là G2, có thể xem IS2 được phản xạ từ g ươngĠ- G1 vàĠ tạo thành bàn không khí bề dày e không đổi. Đây chính là trường hợp giao thoa định xứ ở vô cực (vân đồng độ nghiêng). Điều chỉnh ống ngắm ở vô cực, ta sẽ quan sát thấy hệ vân tròn đồng tâm. Tăng từ từ bề dày e (bằng cách tịnh tiến G2) các tâm giao thoa bậc cao sẽ tuần tự xuất hiện thêm ở tâm. Bây giờ, nếu giữ nguyên vị trí của G2, nhưng quay G2 nghiêng một góc nhỏ đối với pháp tuyến của gương, ta thấy ảnhĠ của nó tạo với G1 một nêm không khí, có cạnh nằm giữa quang trường. Điều chỉnh kính nhằm nhìn lên mặt nêm, ta sẽ quan sát thấy hệ vân giao thoa đồng bộ dày song song với cạnh nêm. Quan sát trong ánh sáng trắng, dễ dàng đánh dấu vân tối trung tâm ở tại cạnh nêm. c. Công dụng của giao thoa kế maikensơn: Có thể dùng giao thoa kế Maikensơn để đo chiết suất hay b ề dày của một bản mỏng theo nguyên tắc tương tự như trong giao thoa kế Rơlây. Ta thường dùng trường hợp vân định xứ trên nêm. Giả sử ta đặt bản vẽ dày t, chiết suất n trên đường đi của tia IG2, quang lộ đến G2 tăng một lượng t (n – 1), vị trí cạnh nêm thay đổi, dịch chuyển đi p vân, tuân theo hệ thức: 2 t (n - 1) = p λ Xác định được p ta có thể tính t hoặc n. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Còn có thể xác định hiệu số bước sóng (( giữa hai bước sóng gần nhau (ví dụ như 2 vạch vàng natri). Ta thực hiện vân do bản mỏng song song. Điều chỉnh G2 sao cho ảnh G’2 trùng G1, trong quang trường sẽ tối. Tăng dần bề dày e, vân giao thoa thứ 1, 2, 3… tuần tự xuất hiện ở tâm và chạy ra xa tâm. Khi số vân còn nhỏ, hai hệ vân giao thoa ứng với 2 bước sóng ( và (’ chưa tách xa nhau (bán kính các vân thoa phụ thuộc vào ( theo (8.5), nên vẫn còn quan sát được hệ vân. Đến khi bề dày e đủ lớn, th ỏa mãn hệ thức: 2e 1 = m 1 λ = (m- 2 1 )λ’ (9.2) thì cực đại của hệ vân này trùng nhau với cực tiểu của hệ vân kia. Với điều kiện cường độ sáng ứng với ( và (’ gần bằng nhau, thì thị trường sáng đều. Trước khi hệ vân biến mất, đếm được m1 vân giao thoa xuất hiện từ tâm. Từ (9.2) ta tính được. 11 m2m2 ' λ ≈ λ =λ (9.3) ) 2 1 m(m e 11 1 − =λ∆ (9.4) ≈ 2 1 1 m e Dựa theo nguyên tắc trên còn có thể xác định độ đơn sắc của chùm ánh sáng gần đơn sắc. Giả sử bước sóng ánh sáng nhận các giá trị từ ( đến ( + ((. Tuần tự làm như trên. Hệ vân giao thoa sẽ biến mất khi bề dày e thỏa mãn điều kiện. 2e = kλ = (k ) 2 () 2 1 λ ∆ +λ− (9.5) (để hiểu điều kiện trên, cần xem lại hình 18). kλ = (k-1) (λ+∆λ) ⇒ ∆λ = k λ k chính làbậc giao thoa của vân ở tâm hay số vân giao thoa đếm được, trước khi hệ vân hoàn toàn nhòe đều. Từ (9.5), ta có: 2 λ = 2 1 (k λ∆ - 4 λ∆ ) Thông thường k rất lớn nên có thể bỏ quaĠ so với ū, ta đi đến: λ∆ = k λ (9.6) Công thức (9.6) chính là công thức (7.2) trước đây. Bằng cách vừa trình bày, Maikensơn để xác định được k=400.000 với bức xạ đỏĠ = 6438 A0 của Cadmium nhờ đó đã đo được bước sóngĠ của bức xạ với mức chính xác tới 10-7. ĉ = 6438,472 A0 (ở 150c dưới áp suất chuẩn) Ông Maikensơn còn dùng giao thoa kế để khảo sát vận tốc ánh sáng và thấy rằng vận tốc truyền của ánh sáng trong chân không là một h ằng số vũ trụ không phụ thuộc vào cường độ, phương truyền, hoặc sự chuyển động của nguồn hay của máy thu. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m SS. 10. VÀI ỨNG DỤNG KHÁC CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA. Như ta đã thấy, hiện tượng giao thoa được ứng dụng để chế tạo lọc sắt giao thoa và thực hiện các phép đo với độ chính xác cao trong các giao thoa kế. Sau đây là vài ứng dụng khác. 1. Khử tia phản xạ trên các mặt quang học. Khi chùm tia sáng truyền qua mặt giới hạn các môi trường, một phần năng lượng của chùm tia bị phản xạ trở lại. Trong các quan hệ phức tạp số mặt giới hạn lớn, năng lượng mất mát do phản xạ trở nên quan trọng. Vì vậy, để phẩm chất của ảnh qua quang hệ được tốt, cần triệt tiêu phần ánh sáng phản xạ. Giả sử cần khử phản xạ trên mặt giới hạn giữa không khí và thủy tinh chiết suất n. người ta phủ một lớp vật chất rấ t mỏng bề dày e, chiết suấtĠ, sao cho 1 <Ġ < n. Các chùm tia sáng tới dưới góc i, sẽ có hai tia phản xạ từ mặt trên và mặ dưới của lớp mỏng hai mặt song song, R1 và R2. Như ta đã biết, 2 tia phản xạ kết hợp và hiệu quang lộ, tương ứng bằng: ∆ = 2 e isinn 22 − ′ Để làm mất hiện tượng phản xạ, hiệu quang lộĠ cần thỏa mãn điều kiện cực tiểu của giao thoa: ĉ = (2k +1ĩ. Giả sử: Nếu các mặt quang học cần được khử phản xạ đối với ánh sáng đến vuông góc và đối với các bước sóng lụcĠ = 0,55Ġ. Bề dày e của lớp khử phản xạ, phải thỏa điều kiện: ∆ = 2 e n ′ = (2k +1) 2 λ . e = (2k +1) n4 ′ λ . (10.1) Giá trị k được chọn sao cho bề dày e không quá nhỏ, khó thực hiện. 2. Kiểm tra phẩm chất các bề mặt quang học. Hình 33 A là bề mặt chuẩn, B là bề mặt của tấm thủy tinh cần kiểm tra. Người ta xếp đặt, tạo một nêm không khí giữa hai mặt A và B (H. 33). G là một gương bản mạ. Chùm tia sáng xuất phát từ s, nhờ G và thấukính L biến thành chùm song song chiếu thẳng góc đế n nêm không khí. Các thấu kính 0 và L hợp thành kính ngắm trên mặt nêm. i R 1 R 2 n' e i H .32 K.Khí n S o Maét L B A Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . VÀI ỨNG DỤNG KHÁC CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA. Như ta đã thấy, hiện tượng giao thoa được ứng dụng để chế tạo lọc sắt giao thoa và thực hiện các phép đo với độ chính xác cao trong các giao thoa. V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m cao. Bước sóng của cực đại truyền qua có thể thay đổi bằng cách thay đổi góc tới i của chùm tia sáng. SS. 9. CÁC MÁY GIAO THOA. Các máy giao thoa là các máy đo dựa vào hiện tượng giao thoa. hai chùm giao thoa. Vì vậy phép đo giao thoa là một trong những phép đo vật lý chính xác nhất. Nguyên tắ c của các máy giao thoa, một chùm đơn sắc được phân thành hai chùm kết hợp, tách biệt