CÁC QUI LUẬT CHÍNH VỀ QUĨ ĐẠO TIA SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG Định luật khúc xạ ánh sáng Đường tia sang qua mặt phẳnng phân giới môi trường chiết suất khác Hiện tượng phản xạ toàn phần Góc tới hạn Ứng dụng tượng pxạ toàn phần Mặt cầu khúc xạ Xem đoạn sau nói mô hình mắt ước lược TẠO ẢNH TẠI MẮT NGƯỜI Cận điểm & viễn điểm • Cận điểm khoảng cách điểm vật gần mắt mà mắt (tức thủy tinh thể) điều tiết để tạo ảnh điểm võng mạc Mắt tốt thường có cận điểm cách mắt 25 cm • Viễn điểm mắt khoảng cách điểm vật xa mắt mà mắt (tức thủy tinh thể) thư giãn hoàn toàn tạo ảnh điểm võng mạc.Mắt bình thường có viễn điểm xa vô Cận thị Phân loại Cận thị : viễn điểm xa vô Mắt thư giãn hoàn toàn, chùm tia song song hội tụ điểm trước võng mạc Kính bổ trợ: kính phân kì để nhìn xa Cận thị “trục” : Quang hệ giác mạc + thủy tinh thể thư giãn tối đa có độ tụ mắt bình thường Khoảng cách võng mạc – thủy tinh thể lớn bình thường bẩm sinh mắc phải (mắt dài ra) Cận thị “khúc xạ”: - Khoảng cách võng mạc – thủy tinh thể bình thường - Độ tụ nhỏ quang hệ giác mạc + thủy tinh thể (khi mắt thư giãn tối đa) lớn mức bình thường - Một số lí độ cong giác mạc lớn khả điều tiết thủy tinh thể đi, vòng giãn đến mức cần thiết (biên độ giãn max giảm) chiết suất chất dịch thay đổi Viễn thị Lão thị Ảnh vật khoảng cách tương ứng cận điểm người mắt tốt rơi sau võng mạc Thí dụ ảnh vật cách mắt 25 cm rơi sau võng mạc Mắt viễn thị nhìn xa tốt nhìn xa vô phải điều tiết (không thư giãn hoàn toàn) Kính bổ trợ : kính hội tụ để nhìn gần Loạn thị • Mắt nhìn vật khoảng cách bị mờ • Mắt nhìn điểm lại thành đoạn thẳng quầng nhòe • Nguyên nhân: độ cong giác mạc không Hiếm hơn, độ cong thủy tinh thể không • Ví dụ : trường hợp loạn thị đơn giản loạn thị có qui tắc, thay mặt cầu , giác mạc có dạng mặt lồi thìa hay bóng bầu dục • Khắc phục: đeo kính thấu kính trụ • Trường hợp loạn thị đều, cần xác định phương trục vuông góc mà độ cong giác mạc lớn nhỏ Số đo độ loạn thị hiệu số độ tụ lớn nhỏ giác mạc • Độ tụ thấu kính trụ theo phương song song trục hình trụ D, độ tụ theo phương vuông góc trục hình trụ khác không trị tuyệt đối số đo độ loạn nói trên, dương trụ hội tụ, âm trụ phân kì • Theo qui tắc cộng độ tụ hệ quang học (minh họa đây) Thí dụ : Ta bố trí trục hình trụ PHÂN KÌ kính hỗ trợ tật loạn trùng phương mà giác mạc có độ cong nhỏ nhất, độ tụ tổng cộng theo phương độ tụ giác mạc • • Thấu kính trụ cân chênh lệch độ tụ không giác mạc, Các tập kính bổ trợ mắt tật áp dụng công thức thấu kính mỏng Công thức thấu kính mỏng 1 + = s' s f D = / f – độ tụ thấu kính, đơn vị m-1 hay diop s dấu (+) vật thật , dấu (-) vật ảo s’ dấu (+) ảnh thật , dấu (-) ảnh ảo f dấu (+) thấu kính hội tụ , dấu (-) thấu kính phân kì Chú ý: Một vật thật không nằm khoảng nhìn rõ mắt tật qua thấu kính hỗ trợ tạo ảnh ảo nằm khoảng nhìn rõ mắt, + vật vật thật s > + ảnh qua thấu kính ảnh ảo s ’< Bài tập minh họa - Khoảng nhìn rõ người 15 – 50 cm Người phải đeo kính có độ tụ để nhìn xa bình thường - Kính phải có độ tụ cho viễn có khoảng cực cận 100 cm làm việc máy tính có hình cách mắt 50 cm ( coi khoảng cách từ kính đeo đến mắt cm) Khả phân ly mắt Góc α – góc nhìn vật tối thiểu mà mắt phân biệt hai điểm đầu cuối vật – gọi góc phân ly tối thiểu mắt Mắt bình thường điều kiện chiếu sáng tốt có góc phân ly tối thiểu phút Thị lực • Nghịch đảo α (tính theo phút) gọi thị lực mắt Thị lực T = 1/αmin thường qui n/10 • Mắt bình thường có thị lực 10/10 α phút • Mắt loài chim săn mồi đại bàng, chim ưng 7÷10 lớn mắt người • D – khoảng cách nhỏ điểm mắt phân biệt được, L –k/c từ mắt đến đối tượng T tính sau α ≈ D / L (radian) = 3439 D / L (phút) T = 1/ α =1/3439 (L / D) MẶT CẦU KHÚC XẠ (MCKX) VÀ CON MẮT ƯỚC LƯỢC Tạo ảnh mặt cầu khúc xạ (có nhiều qui định dấu khác công thức, trình bầy qui định dấu tập) n n' n'− n + = (*) s s' R Lưu ý: TRONG CÁC BÀI TẬP VỀ MẮT ĐƯỢC MÔ HÌNH HÓA NHƯ MỘT MẶT CẦU KHÚC XẠ TỔNG HỢP ( VIẾT TẮT LÀ MCKX) – MỌI ĐẠI LƯỢNG TRONG CÔNG THỨC TRÊN ĐỀU MANG DẤU (+) VÌ VẬT LUÔN LÀ THẬT TẠO ẢNH THẬT TRÊN VÕNG MẠC n’ – chiết suất môi trường chất lỏng tổng hợp mô hình MCKX tổng hợp mắt lấy 1,33 n – chiết suất môi trường không khí mắt lấy MCKX có hai tiêu cự (tương ứng đường truyền tia sáng từ phía nào) mô hình mắt ước lược ta chi cần quan tâm tiêu cự MCKX mô tả hình vẽ tức tia sáng từ mắt (trái) vào mắt (phải) Chùm tia song song hội tụ điểm F’ cách đỉnh O f ’ – tiêu cự ta quan tâm s = ∞ ⇒ s' = f ' = n' R n' − n hay n' − n n' = R f' Thay vào công thức tạo ảnh MCKX (*) đầu ta có công thức tạo ảnh khác phục vụ cho tính toán liên quan đến mô hình MCKX mắt ước lược n n' n' + = s s' f ' Mô hình MCKX tổng hợp mắt ước lược – Tương đương mặt cầu tưởng tượng ngăn cách môi trường không khí với môi trường chất lỏng tổng hợp bên mắt – f ’ tiêu cự MCKX mô hình mắt ước lược, f ’ thay đổi tùy theo điều tiết thủy tinh thể mắt – Mắt tốt thư giãn hoàn toàn có tiêu cự f ’ max = 20 mm võng mạc mắt nằm mặt phẳng tiêu MCKX – Tham khảo: Đối với mắt tốt thư giãn hoàn toàn MCKX tưởng tượng có bán kính cong R = 5mm, đỉnh O cách giác mạc 2mm, cách võng mạc 20 mm, chiết suất môi trường chất lỏng mắt 1,33 Tiêu cự MCKX f '= n' R 1,33 × = ≈ 20mm n'−n 1,33 − Bài tập minh họa: - Viễn điểm người 50 cm Tính tiêu cự mắt ước lược người lúc thư giãn hoàn toàn Biết khoảng cách từ đỉnh mắt ước lược tới võng mạc 2cm chiết suất môi trường bên mắt 1,333 Gợi ý: vật khoảng cách 50 cm mắt thư giãn hoàn toàn tạo ảnh rơi võng mạc f ’ max=? - Một người trước mắt tốt bị cận có khoảng cực viễn 50 cm Được biết tật cận thị người không liên quan đến khả điều tiết mắt mà chiều dài trục trước sau mắt bị thay đổi Vậy bị cận độ dài trục trước-sau mắt tăng lên so với tốt? Gợi ý : Khi thư giãn hoàn toàn mắt người có tiêu cự chưa bị cận f ’max Nhưng võng mạc cách đỉnh lưỡng chất cầu mắt ước lược k/c lớn mắt tốt Ta coi f ’ max người giống mắt tốt điển hình khác cm (hơn chút không ảnh hưởng đáng kể đến kết tính toán) Giờ đây, mắt “thuỗn” nên thư giãn hoàn toàn, vật cách mắt 50 cm tạo ảnh rơi vào võng mạc s’ = ? so sánh với f ’max SỰ PHÁT QUANG VÀ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA VẬT CHẤT PHỔ HẤP THỤ PHỔ PHÁT XẠ Xem them mức lượng phân tử, nguyên tử giáo trình thực tập HUỲNH QUANG LÂN QUANG LASER Ánh sáng thường Ánh sáng nguồn sáng thường: Không đơn sắc: có nhiều bước sóng tương ứng với vô số bước chuyển mức lượng phân tử cấu thành môi trường phát xạ (xem hình minh họa phát xạ trên) Các tia sáng không đồng pha: photon truyền có tính chất sóng điện từ nghĩa bước sóng đặc trưng phase φ Hình dung theo thuyết mức lượng sau, phân tử khác từ mức lượng kích thích nhảy xuống mức thấp vào thời điểm khác Phương truyền không đồng nhất: photon phát theo phương ngẫu nhiên Từ tính chất đó, tập trung lượng chùm sáng Ánh sáng đặc biệt Chùm sáng đặc biệt (kì vọng thu được) ngược lại có tính chất Độ đơn sắc cao, gần đơn sắc Đồng pha Đồng hướng Mục đích thu chùm sáng để tập trung lượng vào điềm nhỏ tạo hiệu đặc biệt (phá hủy) Đồng pha, đẳng hướng vs Loạn pha, loạn hướng Nguyên lý phát LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích (hay phát xạ cảm ứng) Để thu LASER Tập trung (giam) điện tử bị kích thích nguyên tử mức lượng Mức lượng phải mức siêu bền để có thời gian tập trung nhiều nguyên tử phân tử Sau kích thích cho tất nguyên tử tập trung mức siêu bền nói đồng loạt nhảy xuống mức khác thấp Kết trình đồng thời thu được: 1) photon bước sóng phát xạ có từ bước chuyển mức lượng xác định 2) photon đồng pha bước chuyển điện tử xảy đồng thời Để thu LASER ta cần số điều kiện bắt buộc – Môi trường tạo LASER (trong hình vẽ “active medium” : môi trường vật chất có mức lượng siêu bền Qua trình tìm kiếm dự đoán dựa sở khoa học tìm môi trường tạo LASER Hồng ngọc (ruby) vật chất có khả phát LASER – Bơm lượng (trong hình vẽ “energy pump”) cấp lượng để nguyên tử, phân tử nhảy lên mức kích thích, thường dùng lượng điện – Bộ quang cộng hưởng gồm gương phản xạ (toàn phần phần) để khuếch đại đồng thời thu chùm LASER định hướng SỰ ĐẢO NGƯỢC MẬT ĐỘ CƯ TRÚ SỰ PHÁT XẠ CẢM ỨNG khối vật chất nhỏ (vi phân dV) nhiều nguyên tử (hoặc phân tử) lúc mức lượng cao E1 siêu bền, có nguyên tử khác nằm mức lượng E0 thấp không tự nhiên Nguyên tử, phân tử có xu hướng chuyển mức thấp Tự nhiên theo công thức thống kê N(E cao) / N (E thấp) = exp (-∆E/kT) Việc tạo tình trạng N (E cao) >> N (E thấp) gọi đảo ngược mật độ cư trú, thực kĩ thuật LASER bơm lượng Sau chiếu photon kích thích có lượng chênh lệch bước chuyển ta cần vào môi trường tạo đảo ngược mật độ cư trú kích hoạt nhảy đồng loạt nguyên tử (hoặc phân tử) khác mức lượng cao siêu bền xuống mức lượng thấp (không thiết mức bản) Khi nhảy đồng loạt xuống nhờ photon kích thích thu photon phát phát xạ cảm ứng (LASER) Về cách ánh sáng LASER tạo Một chi tiết quan trọng phải có hộp cộng hưởng gồm có gương phản xạ có mục đích tạo chùm tia đồng hướng khuếch đại chùm tia Tại chùm LASER có tính chất đốt nóng cao? Do chùm sáng đơn sắc đồng pha, theo tượng chồng chập sóng nói chung, gồm sóng điện từ phát xạ cảm ứng có tính kết hợp (chỉ bổ sung cho không triệt tiêu nhau) tập trung lượng cao Ngoài chùm tia LASER có định đẳng hướng tạo thành chùm tia mảnhàsự tập trung lượng vào diện tích nhỏà mật độ lượng caoà khả đốt nóng 10