Bài giảng quang học

ThS TRẦN THỊ HOÀI GIANG BÀI GIẢNG QUANG HỌC (Giáo trình lưu hành nội bộ) QUẢNG BÌNH, THÁNG NĂM 2015 MỤC LỤC CHƯƠNG QUANG HÌNH HỌC 1.1 Thuyết điện từ ánh sáng, thang sóng điện từ Các đại lượng trắc quang 1.2 Các khái niệm bản, định luật nguyên lý 1.3 Sự phản xạ, khúc xạ - Hiện tượng phản xạ toàn phần 1.4 Sự khúc xạ ánh sáng qua mặt phẳng phân giới hai mơi 1.5 trường, qua lăng kính, qua mặt song sóng, qua mặt cầu 1.6 Thấu kính mỏng, hệ thấu kính Mắt CHƯƠNG SỰ GIAO THOA - NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 2.1 Nguyên lí chồng chất, giao thoa, nguồn kết hợp 2.2 Giao thoa với mỏng có độ dày khơng đổi thay đổi, giao thoa nhiều chùm tia 2.3 Sự nhiễu xạ, nguyên lý Huyghen - Frenen 2.4 Nhiễu xạ gây sóng phẳng CHƯƠNG SỰ TÁN SẮC - SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 3.1 Hiện tượng tán sắc thường khác thường 3.2 Giải thích tượng tán sắc 3.3 Các loại phổ 3.4 Vận tốc pha, vận tốc nhóm 3.5 Ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực 3.6 Sự phân cực ánh sáng phản xạ khúc xạ 3.7 Phân cực lưỡng chiết, loại kính phân cực CHƯƠNG QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 4.1 Bức xạ nhiệt, vật đen tuyệt đối 4.2 Hiện tượng quang điện, định luật quang điện 4.3 Thuyết lượng tử Planck 4.4 Thuyết photon Anhxtanh Giải thích định luật quang điện 4.5 Hiệu ứng Compton CHƯƠNG HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG 5.1 Sự huỳnh quang lân quang 5.2 Định luật Stokeo 5.3 Hiệu suất phát quang CHƯƠNG LASER 6.1 Khái niệm laser - Sự phát xạ cưỡng 6.2 Sự khuếch đại ánh sáng qua môi trường 6.3 Bộ cộng hưỡng, đặc tính laser 6.4 Quang học phi tuyến 6.5 Ơn tâp kiểm tra LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Quang học soạn để dùng cho sinh viên Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, theo chương trình Bộ Giáo dục Đào tạo, có mở rộng để sinh viên có tài liệu tham khảo cách thấu đáo Nội dung Giáo trình gồm phần sau : - Quang hình học - Giao thoa ánh sáng - Nhiễu xạ ánh sáng - Phân cực ánh sáng - Quang điện từ - Các hiệu ứng quang lượng tử - Laser quang học phi tuyến Để giúp sinh viên có điều kiện thuận lợi học tập, giáo trình bổ sung giáo trình tốn Quang học Qua tài liệu thứ hai bạn sinh viên có điều kiện củng cố vững thêm kiến thức có từ phần nghiên cứu lý thuyết Người soạn hy vọng với Giáo trình bạn sinh viên đạt kết tốt trình học tập, nghiên cứu Quang học CHƯƠNG I QUANG HÌNH HỌC Bài THUYẾT ĐIỆN TỪ ÁNH SÁNG Thuyết điện từ ánh sáng + Maxell (1984) thiết lập định luật tổng quát trường điện từ +Trên sở so sánh giống sóng ánh sáng sóng điện từ=> khẳng định sóng ánh sáng có chất sóng điện từ: Hình 1.1 Sóng ánh sáng sóng điện từ sóng ngang, đặc trưng ba vecto E, H, v tạo thành mt tam din thun (hỡnh 1.1) (nếu ta đặt đinh ốc dọc theo trục vecto v quay ®inh èc theo chiỊu tõ vecto E ®Õn vecto H ®inh èc sÏ tiÕn theo chiỊu cđa vecto v Các vecto E, H ln vng góc với vng góc với phương truyền sóng ( v ) hệ phương trình Maxell ur B ur rot E  , divD   t ur uur r  D ur rot H  j  , divB  t Nếu ta xét vùng không gian tự (tức vùng khơng gian khơng có điện tích dòng điện) thỉ Chúng giao thoa, nhiễu xạ bị phân cực, gây tượng phản xạ, khúc xạ… Đều truyền chân không với vận tốc 3.108 m/s Khi truyền tải chúng mang theo lượng, đặc trưng vecto mật độ dòng lượng Umov-Pointing: S E  H Thang sóng điện từ Sóng ánh sáng chiếm dải hẹp thang sóng điện từ, từ miền hồng ngoại (IR)-ánh sáng nhìn thấy (VIS) miền tử ngoại(UV) Sắp xếp sóng điện từ theo độ dài bước sóng: VIS Vô tuyến điện UV IR 106 104 102 Tia R¬nghen 10-2 Tia  λ, Å Hình 1.2 Vơ tuyến in (km ữ mm ) Tia hồng ngoại (760nm 1000000nm) ánh sáng nhìn thấy (400nm 760nm) Tia tử ngoại ( 10nm 400nm) Tia Rơnghen  ( 0,001nm  10nm) Tia   < 0,001nm Đo vận tốc ánh sáng Vận tốc ánh sáng chân không số vật lý Vì nhiều nhà khoa học tìm cách đo vận tốc ánh sáng nhiều phương pháp khác a Các phương pháp cổ điển Nguyên tắc chung phương pháp cổ điển đo quãng đường L đo quãng thời gian t mà ánh sáng truyền qua quãng đường Vận tốc ánh L sáng xác định bởi: v t Dưới ta khảo sát phương pháp lăng trụ quay Michelson Bố trí thí nghiệm hình vẽ Tia sáng từ G1 S L nguồn S tới đập vào mặt lăng trụ G tám G2 G G3 B mặt quay với vận tốc ω A Sau phản xạ mặt G4 này, tia sáng đến gương O G1 G2 gương cầu L G5 lõm A Sau phản xạ Hình 1.3 A tia sáng truyền qua khoảng cách L đến gương cầu lõm B, G3 sau lại đến B Từ B tia sáng quay A đến G4 G5 đối xứng với G1 cuối đập vào mặt đối diện với mặt lăng trụ quay G, cho ta ảnh S’ quan sát qua kính ngắm Vận tốc góc lăng trụ chọn cho khoảng thời gian mà ánh sáng quãng đường L, lăng trụ quay 1/8 vòng Khi ta có: 2L 2π  t  t   c 8ω 4 8n Suy c  16nL , n số vòng quay lăng trụ G giây ω=2πn Năm 1926 Michelson tiến hành thí nghiệm với giá trị L=35,4 km n =528 vòng/s, thu kết quả: c=299796±4km/s b Các phương pháp đại Các phương pháp đo vận tốc đại dựa vào phép đo tần số bước sóng thay cho phép đo quãng đương thời gian Vận tốc ánh sáng tính theo cơng thức c=λ.f, λ bước sóng f tần số tương ứng ánh sáng Các phương pháp đại đòi hỏi sử dụng nguồn sáng có độ đơn sắc cao Năm 1972 Evelson xác định vận tốc ánh sáng cách tiến hành phép đo tần số bước sóng độc lập với Kết thu là: c=(299792,458±0,001)km/s Bài CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Dòng quang Xét ánh sáng với với bước sóng λ phát từ nguồn sáng đơn sắc S Giả sử ta đo lượng lượng dQ, truyền qua diện tích dσ đặt đường dQ truyền tia sáng khoảng thời gian dt, đại lượng dP  gọi dt dòng quang qua diện tích dσ Đó dòng lượng truyền qua diện tích dσ đơn vị thời gian Trong hệ đơn vị SI, đơn vị dòng quang ốt (W) Nếu nguồn sáng chứa nhiều bước sóng dòng quang qua diện tích dσ tổng dòng quang ứng với bước sóng khác nguồn dP   dPλ Hàm số thị kiến Quang thông Ánh sáng tác động lên mắt gây cảm giác sáng Tuy nhiên, độ nhạy mắt vùng quang phổ khác khác nhau.Vì vậy, dòng quang khơng thể đặc trưng đầy đủ cho chùm sáng khả gây cảm giác sáng Thực nghiệm chứng tỏ rằng, có ánh sáng miền nhìn thấy có khả gây cảm giác sáng Những chùm sáng có bước sóng nằm ngồi miền ánh sáng nhìn thấy khơng có khả gây cảm giác sáng dòng quang chúng lớn Nếu xét miền ánh sáng nhìn thấy độ nhạy mắt bước sóng khác khác nhau: mắt người nhạy ánh sáng màu xanh lục nhạy ánh sáng đỏ hay tím Vì để đặc trưng cho độ nhạy sáng mắt người ta đưa vào đại lượng Vλ, gọi hàm số thị kiến, phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới Mắt người nhạy với ánh sáng màu lục λ=0,555μm, ta quy ước chọn Vλ=0,555μm=Vm=1 làm đơn vị đo Trong miền ánh sáng nhìn thấy λ≠0,555μm , hàm số thị kiến Vλ