Bài giảng vật lý điện quang chương 6 quang học sóng

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG        NỘI DUNG Chương Trường tĩnh điện Chương Vật dẫn Điện môi Chương Dòng điện không đổi Chương Từ trường dòng điện không đổi Chương Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương Tính chất sóng ánh sáng Chương Tính chất lượng tử ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG        NỘI DUNG Chương Trường tĩnh điện Chương Vật dẫn Điện môi Chương Dòng điện không đổi Chương Từ trường dòng điện không đổi Chương Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương Tính chất sóng ánh sáng Chương Tính chất lượng tử ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG Chương QUANG HỌC SÓNG Chương QUANG HỌC SÓNG NỘI DUNG 6.1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG 6.2 HIỆN TƯỢNG GIAO THAO ÁNH SÁNG 6.3 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 6.4 PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 6.1 Cơ sở quang học sóng Một số khái niệm:  Quang lộ tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm môi trường đồng tính, chiết suất n, cách đoạn d Quang lộ hai điểm A B là: L = c.t t = d/v thời gian để ánh sáng từ A đến B  L = n.d  Nếu ánh sáng truyền qua môi trường khác nhau: B L   n idi L   n.ds A 6.1 Cơ sở quang học sóng Một số khái niệm:  Quang lộ tia sáng: A n d A B n1 d1 I n2 d2 K B n3 d3 B n A ds B L   n idi L   n.ds A 6.1 Cơ sở quang học sóng Một số khái niệm:  Nguyên lý Fermat: Giữa hai điểm A B, ánh sáng truyền theo đường mà quang lộ cực trị  Định lý Malus: Quang lộ tia sáng hai mặt trực giao chùm sáng (mặt trực giao mặt vuông góc với tia chùm sáng)  Đây phát biểu tương đương định luật quang hình học 6.1 Cơ sở quang học sóng Hàm sóng ánh sáng: O M  Giả sử O phương trình dao động sáng là: xO = acost Phương trình dao động sáng M là: 2L x M  a cos (t  )  a cos(t  )  hàm sóng ánh sáng  thời gian ánh sáng truyền từ O đến M L = c quang lộ hai điểm OM  bước sóng ánh sáng chân không 6.1 Cơ sở quang học sóng Cường độ sáng:  Cường độ sáng I điểm đại lượng có trị số lượng ánh sáng truyền qua đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sáng điểm đơn vị thời gian  Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ: I = ka2 6.1 Cơ sở quang học sóng Nguyên lý chồng chất:  Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp sóng riêng biệt không bị sóng khác làm nhiễu loạn;  Sau gặp nhau, sóng ánh sáng truyền cũ;  Tại điểm gặp nhau, dao động sáng tổng hợp dao động sáng thành phần 6.1 Cơ sở quang học sóng Nguyên lý Huygens - Fresnel:  Bất kỳ điểm nhận sóng ánh sáng trở thành nguồn thứ cấp phát ánh sáng phía trước  Biên độ pha nguồn thứ cấp biên độ pha sóng nguồn thực gây vị trí nguồn thứ cấp 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa sóng kết hợp:  Giao thoa sóng trường hợp đặc biệt tượng chồng chất sóng  Kết trường giao thoa xuất điểm mà cường độ sóng tăng cường, xen kẽ với điểm cường độ sóng bị triệt tiêu  Điều kiện để sóng giao thoa với nhau: Sóng kết hợp (các sóng có tần số có độ lệch pha không đổi theo thời gian) 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Cách tạo hai sóng ánh sáng kết hợp:  Nguyên tắc: Tách sóng phát từ nguồn  Các phương pháp thực nghiệm:  Khe Young  Gương Fresnel  Lưỡng lăng kính Fresnel  Lưỡng thấu kính Bier  Gương Lloyd 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Khe Young: 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Gương Fresnel: 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Lưỡng lăng kính Fresnel: 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Lưỡng thấu kính Bier: 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Gương Loyd: 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Khảo sát tượng giao thoa:  Xét hai nguồn kết hợp O1, O2: xO1 = a1cost xO2 = a2cost  Phương trình sóng O1 O2 gây điểm M đó: 2L1 2L x1  a cos(t  ) x  a cos(t  )    Cường độ sóng điểm M xác định: I M  a 2M  a12  a 22  2a1a cos 2  L1  L2   6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Khảo sát tượng giao thoa:  Cực đại thoa: giao L1  L2  k  Cực tiểu thoa: giao L1  L  (2k  1)  10 6.3 Nhiễu xạ ánh sáng Cách tử nhiễu xạ: Cách tử phản xạ 6.3 Nhiễu xạ ánh sáng Cách tử nhiễu xạ: Máy quang phổ 36 6.3 Nhiễu xạ ánh sáng (102) (100) (002) C­êng ®é (®.v.t.y) (101) Nhiễu xạ tinh thể: c b a 20 25 30 35 40 45 50 Gãc nhiÔu x¹ (2 ) Một số tập ví dụ Ví dụ 1: Chiếu chùm sáng đơn sắc song song có bước sóng 500nm thẳng góc với cách tử nhiễu xạ Màn quan sát đặt cách cách tử 1m Khoảng cách hai vạch cực đại quang phổ bậc 0,202m Xác định a) Chu kỳ cách tử b) Số vạch m cách tử c) Số vạch cực đại tối đa cho cách tử d) Góc nhiễu xạ ứng với vạch quang phổ 37 Một số tập ví dụ Ví dụ 2: Giải toán nhiễu xạ qua khe hẹp trường hợp ánh sáng tới không vuông góc với khe 6.4 Phân cực ánh sáng 38 Phân cực ánh sáng 39 6.4 Phân cực ánh sáng 40 6.4 Phân cực ánh sáng Hiện tượng phân cực ánh sáng:  Ánh sáng tự nhiên có véc tơ cường độ điện trường dao động đặn theo phương  Ánh sáng phân cực thẳng có véc tơ cường độ điện trường dao động theo phương xác định  Ánh sáng có véc tơ cường độ điện trường dao động theo phương không gọi ánh sáng phân cực phần  Mặt phẳng dao động: Chứa tia sáng véc tơ CĐĐT  Mặt phẳng phân cực: Chứa tia sáng vuông góc với mặt phẳng dao động 6.4 Phân cực ánh sáng Hiện tượng phân cực ánh sáng: Sự truyền ánh sáng qua kính phân cực kính phân tích 41 6.4 Phân cực ánh sáng Hiện tượng phân cực ánh sáng: Sự truyền ánh sáng qua kính phân cực kính phân tích 42 6.4 Phân cực ánh sáng Định luật Malus:  Cường độ sáng sau kính phân cực I0  Cường độ sáng sau kính phân tích I  Định luật Malus: I  I0 cos  6.4 Phân cực ánh sáng Phân cực phản xạ khúc xạ:  Ánh sáng phản xạ khúc xạ bị phân cực phần  tgiB = n21  Tia phản xạ phân cực toàn phần 43 6.4 Phân cực ánh sáng Phân cực lưỡng chiết: Một số tinh thể băng lan (CaCO3) hay thạch anh (SiO2) có tính lưỡng chiết:  Trong tinh thể có hai chùm tia khúc xạ: tia thường (tuân theo định luật khúc xạ) tia bất thường  Đều ánh sáng phân cực toàn phần, có mặt phẳng phân cực vuông góc với  Tồn phương truyền ánh sáng tới để hai tia khúc xạ trùng  Quang trục tinh thể 44 6.4 Phân cực ánh sáng Phân cực lưỡng chiết:  Chiết suất tia thường không đổi: no = const  Chiết suất tia bất thường thay đổi theo góc tới:  Nếu ne < no gọi tinh thể âm (băng lan)  Nếu ne > no gọi tinh thể dương (thạch anh) 45 6.4 Phân cực ánh sáng Một số loại kính phân cực:  Bản Tuamalin: Ánh sáng tự nhiên bị tách thành tia O E với chiều dày cỡ mm hấp thụ hoàn toàn tia thường  Bản polaroit: vật liệu hữu có tính lưỡng chiết Chiều dày cỡ 0,1mm hấp thụ hoàn toàn tia thường  Lăng kính Nicon: 46 6.4 Phân cực ánh sáng Ánh sáng phân cực Elip phân cực tròn: 6.4 Phân cực ánh sáng Ánh sáng phân cực Elip phân cực tròn:  Trong tinh thể hai tia O E truyền phương (vì tia tới vuông góc) tốc độ khác  Ra tinh thể, chúng truyền tốc độ  Hiệu quang lộ hai tia sau tinh thể: L o  L e  (n o  n e )d    2 (n o  n e )d   Hai tia O E có véc tơ cường độ điện trường dao động theo hai phương vuông góc  Cường độ điên trường tia ló tổng hợp hai dao động vuông góc 47 6.4 Phân cực ánh sáng Ánh sáng phân cực Elip phân cực tròn: 6.4 Phân cực ánh sáng Ánh sáng phân cực Elip phân cực tròn: 48 6.4 Phân cực ánh sáng Ánh sáng phân cực Elip phân cực tròn: Bản ¼ bước sóng: (n o  n e )d  (2k  1)   Véc tơ cường độ điện trường chuyển động elip có hai trục Ox, Oy  Nếu biên độ Eo = Ee quĩ đạo hình tròn 6.4 Phân cực ánh sáng Ánh sáng phân cực Elip phân cực tròn: Bản bước sóng: Bản 1/2 bước sóng: (n o  n e )d  (2k  1)  (n o  n e )d  k 49 6.4 Phân cực ánh sáng Hiệu ứng Kerr: Một số chất lỏng có tính lưỡng chiết tác dụng điện trường:  Nếu điện trường, sau T2 tối  Nếu có điện trường, sau T2 sáng n o  n e  kE k    2 E d  Hiệu ứng Kerr dùng làm “van quang học” 50 [...]... tia khúc xạ qua hai bề mặt của bản mỏng S i d nf t 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 13 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Quang lộ tia phản xạ: 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Quang lộ tia phản xạ:  Ánh sáng đi tới mặt phân cách từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn thì sóng phản xạ bị đảo pha hay quang lộ của tia phản xạ dài thêm nửa bước sóng 14 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Bản mỏng có bề dày... M:  Mặt sóng của các nguồn thứ cấp tựa lên đĩa tròn  Giả sử đĩa tròn chắn m đới cầu Fresnel đầu tiên  Biên độ tại M: a M  a m 1  a m  2  a m 3  a m  4   a m 1 2 26 6.3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ gây bởi đĩa tròn: 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Phương pháp giản đồ véctơ: 27 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng 28 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ gây bởi sóng phẳng: Xét nhiễu xạ của sóng phẳng... 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nguyên lý Huygens - Fresnel:  Bất kỳ điểm nào nhận được sóng ánh sáng đều trở thành nguồn thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó  Biên độ và pha của nguồn thứ cấp chính là biên độ và pha của sóng do nguồn thực gây ra tại vị trí của nguồn thứ cấp 22 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Phương pháp đới cầu Fresnel: dS r1 O dx(M)   r2 0 M A(, 0 )dS  r r  cos   t  1 2  r1r2 v   6. 3... cạnh nhau đến M bằng một nửa bước sóng  Sóng do hai đới cầu cạnh nhau gây ra tại M là ngược pha 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Phương pháp đới cầu Fresnel:  Giả sử sóng do các đới cầu gây ra tại điểm M có phương trình lần lượt là: x1M  a1cost x 2M  a 2 cos  t     a 2 cos t x 3M  a 3cos  t  2   a 3 cos t x 4M  a 4 cos  t  3   a 4 cos t …  Phương trình sóng tại M: x M  x1M  x 2M .. .6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa khe Young: 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa khe Young: 11 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa khe Young:  Vị trí cực đại giao thoa: x sk   k D a (k = 0, 1, 2…)  Vị trí cực tiểu giao thoa: 1 D x tk   (k  ) 2 a (k = 1, 2, 3,…) D  Khoảng vân: i a 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa gây bởi bản mỏng: 12 6. 2 Hiện... Cực tiểu chính 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng X Cực đại giao thoa giữa các khe hẹp sin   k  d  Cực đại chính (k = 0,  1,  2 ) φ d φ Y φ ∆L= d.sinφ 33 Người ta chứng minh được giữa 2 cực đại chính kế tiếp có N-1 cực tiểu phụ và N-2 cực đại phụ 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp: 34 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp: 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Cách tử nhiễu xạ: 35 6. 3 Nhiễu xạ ánh... sáng có bước sóng 550nm được rọi vuông góc với một mặt nêm thủy tinh chiết suất 1,5 Quan sát hệ thống giao thoa thấy khoảng cách giữa hai vân tối liên tiếp là 0,21mm a) Xác định góc nghiêng của nêm b) Tính khoảng cách từ cạnh nêm đến vân sáng thứ 3 n1 a x d nf n2 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng: Hiện tượng ánh sáng lệch khỏi phương truyền khi đi gần chướng ngại vật 21 6. 3 Nhiễu xạ... 2 với k = 0, 1, 2, 3,… 6. 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Vân tròn Newton:  Hệ vân tròn Newton gồm một chỏm cầu thủy tinh đặt tiếp xúc với bản thủy tinh phẳng  Vân giao thoa thuộc loại cùng độ dày: dk  2 16 6.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng Vân tròn Newton:  Vân tròn Newton gồm hệ các vòng tròn có tâm cùng nằm trên trục của chỏm cầu  Tâm của hệ vân ứng với điểm tối: d = 0 6. 2 Hiện tượng giao thoa... phẳng: Xét nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp: L  A A1 A2 A3 A4 B H1 E M F 0 /2 1 2 4 3 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ gây bởi sóng phẳng: Xét nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp: Chia nhỏ khe hẹp thành các dải sáng thứ cấp  Xét tại tiêu điểm chính F (tâm hình nhiễu xạ,  = 0): Các sóng thứ cấp có cùng pha nên chúng tăng cường nhau, F là một vạch sáng  Cực đại giữa  Xét góc nhiễu... sao cho dao động sáng do hai dải cạnh nhau gây ra tại M là ngược pha 29 6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ gây bởi sóng phẳng:  Xét góc nhiễu xạ  ≠ 0: AA1 được chọn sao cho A1H1 = λ/2 AA1  A1H1  / 2    sin  sin  2sin   Số dải sáng chia được: N A A1 H1 b 2b sin    / (2 sin )  6. 3 Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ gây bởi sóng phẳng:  Nếu N = 2k: Góc nhiễu xạ ứng với cực tiểu (tối) sin    k ...BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG Chương QUANG HỌC SÓNG Chương QUANG HỌC SÓNG NỘI DUNG 6. 1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG 6. 2 HIỆN TƯỢNG GIAO THAO ÁNH SÁNG 6. 3 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 6. 4 PHÂN... A 6. 1 Cơ sở quang học sóng Một số khái niệm:  Quang lộ tia sáng: A n d A B n1 d1 I n2 d2 K B n3 d3 B n A ds B L   n idi L   n.ds A 6. 1 Cơ sở quang học sóng Một số khái niệm:  Nguyên lý. .. phương biên độ: I = ka2 6. 1 Cơ sở quang học sóng Nguyên lý chồng chất:  Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp sóng riêng biệt không bị sóng khác làm nhiễu loạn;  Sau gặp nhau, sóng ánh sáng truyền