“Một số ứng dụng của giao thoa kế michelson

21 Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Bộ TRƯỜNG GIÁO DỤCĐẠI VÀ HỌC ĐÀO VINH TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CHƯ DƯY THẲNG CHU DUY THẮNG MỘT SÔ ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA KÊ MICHELSON MỘT SÔ ÚNG DỤNG CỦA GIAO THOA KÊ MICHELSON LUẬN VĂN THẠC sĩ VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC Mã số : 60.44.01.09 Vinh, 2013 học: Vinh, 2013 Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục kí hiệu viết tắt Danh mục hình bảng Mở đầu Cấu tạo nguyên lí làm việc giao thoa kế Khái niệm giao thoa nhiều chùm sáng Giao thoa kế mach-Zehnder 8 13 17 21 24 27 29 38 39 39 40 43 Giao thoa nhiều tia 46 Phủ điện môi nhiều lóp 47 49 Kính lọc giao thoa Giao thoa kế Fabry-Perot phang Kính lọc phân cực Tài liệu tham khảo Lời cam đoan Trong luận vãn thạc sĩ sử dụng so tài liệu đitực trích dẫn có ghi chủ cụ thể Những giá trị thực nghiệm thực phòng thỉ nghiệm thân tiến hành đo cỏ hình ảnh chứng minh kèm theo Nhũng kết đạt dược trình làm thỉ nghiệm dược nêu bảng 2.1 2.2 Tôi cam đoan điều hoàn toàn thực, có sai sót xin chịu hoàn toán trách nhiệm Lòi cảm ơn Trong trình học lớp cao học 19 chuyên ngành: quang học, PGS.TS.Ngiỉyễn Hoa Lư hưởng dẫn vói đề tài: “Một so ủng dụng giao thoa kế Michelson” Trong trình thực hiện, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy hoàn thành luận văn Tôi chân thành cảm on thầy Tôi xin cảm on TS Nguyễn Huy Bằng dã tạo điều kiện sở vật chất phòng thỉ nghiệm ỞĐH Vinh, giúp thực thành công thỉ nghiệm Tôi xin cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa vật li nói riêng thầy cô trường Đại học l Inh nói chung giúp hoàn thành luận văn Tôi cảm ơn gia đình tôi, cảm ơn trường THPT Diễn Châu 2, tạo điều kiện thời gian vật chất trình học thạc sĩ hoàn thành luận văn Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Ak Biên độ ánh sáng a Khoảng cách chia gương c Vận tốc ánh sáng chân không D Độ dày màng mỏng lo li, Cường độ ánh sáng L Chiều dài mẫu m Số nguyên (số lần xuất sáng tối vòng giao thoa) n V Chiết suất môi trường Danh mục hình bảng Hỉnh 1.1 Sơ đồ mô tả nguyên lý giao thoa Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Giao thoa kế Mach-Zehnder Giao thoa laser đo chiết suất cục Một kiểu phân bố giao thoa vùng không khí bị đốt nóng Hình 1.7 Hình 1.8 Kết hợp giao thoa kế Mach-Zehnder máy quang phố theo phương pháp móc câu Etalon Giao thoa kế Fabry-Perot Gương điện môi nhiều lớp Sự phụ thuộc hệ số phản xạ cực đại vào chiết suất số lớp Sự phụ thuộc hệ số phản xạ vào bước sóng gương ba lớp thuỷ tinh Hình 1.11 1.19 Phin Lio Hình Hình 1.20 Hình 1.21 Giao thoa hai sóng Michelson Hình 1.22 Hệ số truyền qua giao thoa kế Michelson Hình 1.23 Hình 1.24 Vân giao thoa chùm ánh sáng phân kỳ qua giao thoa kế Michelson 1.25 Cấu hình giao thoa kế Michelson vết giao thoa Hình Hình 2.1 Hình Hình 2.2 Giao thoa kế Michelson với linh kiện phụ trợ đo xác birức sóng 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Giao thoa kế Michelson phận chuyển động Bảng 1.1 Sơ đồ đo birớc sóng Giao thoa kế Michelson Bảng 1.2 Ảnh toàn cảnh hệ đo MỞ ĐẦU Khi nghiên cứu ánh sáng, quan tâm đến cirờng độ nó, nhung nghiên cứu chùm ánh sáng, cirờng độ tổng, quan tâm đến vùng phố, phố cirờng độ [1,2,3,4] Nếu chùm ánh sáng dạng xung, độ rộng xung đirợc quan tâm[2] Đê nghiên cứu đuợc tất tính chất chùm xung ánh sáng, cần sử dụng đến kỹ thuật quang phổ khác với thiết bị quang học khác Giao thoa kế thiết bị quan trọng kỹ thuật quang phố Nhờ có giao thoa kế mà định đuợc buớc sóng ánh sáng, phố cuờng độ Ngoài ra, xác định đuợc độ phân cục ánh sáng [5] Khi nghiên cứu tirựng giao thoa ánh sáng, ta nghiên cứu tirợng giao thoa ánh sáng với nguồn sáng diêm, nguồn sáng rộng, giao thoa nhiều chùm tia sáng Hiện tirợng giao thoa ánh sáng có nhiều ứng dụng thục tế Một úng dụng điển hình sụ dụng giao thoa kế Milchelson để đo buớc sóng laser, đo chiết suất mỏng, Hiện trirờng đại học, cao đẳng viện nghiên cứu số trirờng THPT đuợc trang bị giao thoa kế Michelson để phục vụ cho mục đích nghiên cứu thí nghiệm Ở truờng THPT chua đirợc quan tâm mục, việc nâng cao chất luợng hoạt động thục hành thí nghiệm sở đào tạo, cấp vấn đề thiết thu hút quan tâm giảng viên, giáo viên, học sinh,sinh viên Chính chọn đề tài: “Một số ứng dụng giao thoa kế Michelson ” cho luận văn tốt nghiệp Ngoài phần mở đầu kết luận luận văn duực trình bày hai chuơng: Chuơng Trình bày nguyên lý giao thoa ánh sáng, cấu trúc ứng dụng số thiết bị quang học hoạt động dựa nguyên lý giao thóa ánh sáng Chuưng Trình bày số hệ quang học sử dụng nguyên lý giao thoa kế Michelson đế xác định buớc sóng ánh sáng chiết suất Trên sở đó, thục phép đo buớc sóng chiết suất mỏng thủy tinh phòng thí nghiệm 10 Chương CÁU TẠO VẢ NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA GIAO THOA KÉ 1.1 Khái niêm giao thoa nhiều chùm ánh sáng Nguyên lý hoạt động giao thoa kế tổng quát nhu sau (xem hình 1.1) Một sóng ánh sáng có cường độ /0 chia thành hai nhiều sóng thành phần có biên độ Ak Các sóng thành phần truyền theo quang trình khác có độ dài sk = nxk, đó, n chiết suất, sau đó, sóng thành phần chồng chập với đầu giao thoa kế ^ r—\ >\ Iỉình 1.1.Sơ đồ mô tả nguyên lý giao thoa [2] Do sóng từ nguồn, nên chúng kết hợp chênh lệch quang trình chúng nhỏ độ dài kết họp Biên độ tổng sóng \ \ 2nsk ỵị chông chập phụ thuộc vào biên độ thành phân Sik pha [...]... rộng ; Giao thoa kế Fabry-Perot được ghép từ hai gương quang học có mặt phản xạ đối nhau (hình 1.1 Ob) Tương tự như etalon, cấu hình của giao thoa kế F-P được sử dụng lọc lựa bước sóng, đặc biệt sử dụng như buồng cộng hưởng laser Ngoài ra, giao thoa kế này được sử dụng đế đo trực tiếp, chính xác bước sóng ánh sáng và khảo sát phân bố vạch phổ với độ phân giải cao Hình 1.10 a) Etalon b) Giao thoa kế Fabỉy-Perot... trợ giúp của thiết bị này vào khoảng 6MHz, tương đương với giao thoa kế có chi tiết chuyên động Thời gian đo trong trường hợp này sẽ ít hơn vì Ast sẽ được đo đồng thời 1.9 Kết luận Trong chương này, tôi đã nghiên cứu nguyên lý giao thoa của ánh sáng Từ nguyên lý này, cấu hình và đặc trưng của một số thiết bị quang học như giao thoa kế Michelson, Mach-Zehnder, Fabry-Perot, Etalon, kính lọc giao thoa, kính... cường độ vào /0 Tức là hệ số truyền qua của giao thoa kế bằng Tơt = 1 khi ố = 2mn Cường độ đạt cực ổ = (2m+l)/r Trong trường hợp này ta nói sóng tới phản xạ lại nguồn 100% Từ đó, có thể suy ra giao thoa kế Michelson có thể sử dụng như một bộ lọc, hệ số truyền qua và hệ số phản xạ phụ thuộc vào bước sóng Tính chất này được sử dụng để lọc mode cho laser Những tính toán trên áp dụng cho trường hợp chùm... dụng thấu kính tiêu cự/để tạo ảnh giao thoa trên mặt quan sát, thì độ dich tuyến tính sẽ là Ạy = -—— Trên hình 1.4, là môt trong những ảnh giao giao 14 Hình 1.4 Một kiểu phân bố giao thoa khi một vũng không khí bị đốt nóng Tương tự, giao thoa kế Mach-Zehnđer có thế sử dụng để xác định chiết suất khí nguyên tử Thí nghiệm được trình bày trên hình 1.5 Hệ đo gồm giao thoa kế Mach-Zehnder và máy quang phố... chỉ sử dụng cho laser có phân bố nghịch đảo không đều theo tiết diện ngang của hoạt chất Laser rắn thường sử dụng các gương diện môi nhiều lóp có hệ số phản xạ lớn ở vùng 1000- 110011111 1.5 Kính lọc giao thoa Ilình 1.13 Sự phụ thuộc của hệ số phân xạ vào bước sóng Để cólọc dược số phản xạ đáng trong khi bức chế xạ tạo lọc cầnlựa lưu trong ý cácvùng lóp cách Kính giaohệ thoa được dụngkể, phổ củasử gìtơììg... As = 2d^Ị(n2 -sin2 a) (1.14) / = -^ - Hình 1.8 mô tả sự phụ thuộc của cường độ truyền qua (1.15) vào hệ số phản xạ R Giá trị hệ số truyền qua đạt cực đại T=ì khi ổ = 2m7T Tại cực đại của hệ số truyền qua, Itq =/0, cònỊpx = 0 Khoảng tần số giữa hai cực đại gọi là vùng tán sắc của giao thoa kế 18 17 cực đại giao thoa của chúng tách nhau một khoảng cỡ £ Khi hai sóng tới có (1.20) , , , 2nAsv... kỳ, khi đó, độ lệch quang trình của hai sóng phụ thuộc vào góc tới (hình 1.22) Trong mặt 34 Trong trường hợp sóng tới là chùm song song, nhưng đặt hai gương Mi hoặc M2 lệch một góc nhỏ, ảnh giao thoa sẽ là các vệt song song và dịch theo chiều Hình 1.23 Cấu hình giao thoa kế Michelson và vết giao thoa, a- Khi hai gương vuồng góc với chùm tia; Giao thoa Michelson có thể sử dụng đế đo bước sóng chính xác... Pch-Li-L2-Li-Px Laser chuẩn sẽ giao thoa vào trong đầu thu DTch, còn laser cần đo sẽ giao 37 Số lần cực đại của cường độ giao thoa sẽ đạt được khi ổ = mn số lần cực đại của vết giao thoa khi hệ lăng kính thay đối một khoảng nào đó sẽ được đầu thu DTch và DTX đo và ghi lại tương ứng với bước sóng chuẩn Ẫck và bước sóng cần đo Ằx, khi lưu ý đến giá trị bổ chính do tán sắc của không khí n (Ảch)-n(Ẳx) Ví... chúng ta tính được số sóng Ơ = Ă~1 với độ chính xác đến số nguyên lần As, bởi vì tất cả các số sóng ơm =ơ0 + m/ As (m = 1,2,3, ) đều cho ta một tín hiệu giao thoa Sử dụng thêm một vài giao thoa kế cùng dạng với gưong Mi chung, nhưng chênh lệch quang trình thay đối, ví dụ: 500, 400, 300, 200 pm, chúng ta có thê tính được số sóng trung bình V với độ chính xác xác định bởi giao thoa kế có chênh lệch quang... F* ■ 2 dn Sử dụng (1.17) có thể tính được độ bán rộng £=p của cực đại trên I(v = mổv + sSv I 2 7ĩ) 1,2/0 như sau: Tỉ số giữa vùng tán sắc ổv và bán rông A V =mẳmòv goi là đô nét F* của £ Hình 1.9 Cường độ ảnh giao thoa phụ thuộc tần số 2/r cho trường họp hai tia Đô phân giải phổ hay — của giao thoa có thể xác đinh nhờ vùng tán Một lần nữa thấy rằngAđộV phân giải (1.22) AẮ phổ của giao thoa sẽ là V ... 1.21 Giao thoa hai sóng Michelson Hình 1.22 Hệ số truyền qua giao thoa kế Michelson Hình 1.23 Hình 1.24 Vân giao thoa chùm ánh sáng phân kỳ qua giao thoa kế Michelson 1.25 Cấu hình giao thoa kế Michelson. .. công suất, Khả ứng dụng giao thoa kế Michelson số giao thoa kế khác vào quang phố lớn Ngay hệ giao thoa kế Michelson sử dụng Phòng thí nghiệm quang phổ Trường ĐH Vinh áp dụng cho 50 mục đích... qua giao thoa kế đạt cực đại trường hợp có giao thoa khuếch đại ỔẦ = -—,=-J -• (1.4) 11 Thiết bị giao thoa m m+1 hai sóng nr+m thành phần gọi giao thoa kế Michelson Mach-Zehnder Giao thoa kế