Tính chất phản kết chùm của ánh sáng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƢƠNG ĐỀ TÀI: TÍNH CHẤT PHẢN KẾT CHÙM CỦA ÁNH SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng, 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƢƠNG ĐỀ TÀI: TÍNH CHẤT PHẢN KẾT CHÙM CỦA ÁNH SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Vật lý học Khóa học: 2014-2018 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Thị Xuân Hoài Đà Nẵng, 2018 LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường tạo điều kiện cho sinh viên chúng em có mơi trường học tập tốt Cảm ơn thầy cô khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng truyền đạt kiến thức cho sinh viên chúng em lòng nhiệt huyết với học trò, với cơng việc suốt năm qua Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Nguyễn Thị Xn Hồi – khoa Vật Lý – Đại học Sư Phạm Đà Nẵng trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, quan tâm giúp đỡ tận tình tạo điều kiện thuận lợi q trình em thực khóa luận tốt nghiệp Và hết, em xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến gia đình tạo điều kiện tốt để em hồn thành tốt cơng việc q trình thực khóa luận Em xin chân thành cảm ơn quý thầy khoa Vật lý tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức quý báu năm học vừa qua Mặc dù em cố gắng để hồn thành đề tài khóa luận chắn tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Thị Phương I MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Mục tiêu nghiên Nhiệm vụ nghiên c Đối tƣợng phạm Phƣơng pháp nghi NỘI DUNG CHƢƠNG I 1.1 Quang cổ điển: 1.1.1 1.1.2 Phƣơng trình Max Nhiễu xạ giao th 1.1.2.2 Giao thoa 1.1.3 Sự kết hợp 1.2 1.2.1 Cơ lƣợng tử Phƣơng trình Schr 1.2.2 Dao động tử điều h CHƢƠNG II ÁNH SÁNG PHẢN KẾT CHÙM 2.1 Giới thiệu 2.2 2.2.1 điển Thí nghi ệm Hanbury Brown Twiss Các thí nghi ệm H 2.2.2 Hàm tƣơng quan b 2.2.3 Hanbury Brown-T 2.3 2.3.1 Ánh sáng kết chùm ánh sáng phản kết chùm Ánh sáng kết hợp 2.3.2 2.3.3 Ánh sáng kết chùm Ánh sáng phản kết 2.3.4 Chứng minh thí n KẾT LUẬN II DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT AC Dòng điện xoay chiều BTC Bộ tách chùm PMT Ống nhân quang HBT Hanbury Brown – Twiss III DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tính kết hợp ánh sáng định lượng thời gian liên kết hàm tương quan bậc 10 Bảng Các tính chất hàm tương quang bậc hai ánh sáng cổ điển 18 Bảng Phân loại ánh sáng theo khoảng thời gian photon .21 IV DANH MỤC HÌNH Hình 1 Sóng lan truyền khơng gian ba chiều Hình Nhiễu xạ sóng phẳng qua khe hẹp Hình Giao thoa kế Michelson gồm BTC 50:50 Và hai gương M1 M2 Hình Sự biến thiên điển hình phần thực hàm tương quan bậc hàm thời gian trễ ánh sáng Gauss với thời gian kết hợp Hình Một vật có khối lượng m treo lơ lửng lò xo có độ cứng k tác dụng lực hồi phục -kx dịch chuyển đoạn x từ vị trí cân .11 Hình Thế mức lượng tử dao động 12 Hình Biểu diễn sơ đồ thí nghiệm tương quan cường độ Hanbury Brown Twisss (HBT) 14 Hình 2 Mơ phụ thuộc vào thời gian cường độ ánh sáng phát nguồ n hỗn lo ạn có thời gian kết hợp cường độ trung bình .15 Hình Hàm tương quan bậc hai ánh sáng hỗn độn ánh sáng kết hợp hoàn toàn vẽ trục thời gian 17 Hình (a) thí nghiệm Hanbury Brown-Twiss (HBT) với dòng photon xảy tách chùm (b) Kết điển hình thí nghiệm 19 Hình So sánh chùm photon ánh sáng phản kết chùm, ánh sáng kết hợp, ánh sáng kết chùm 21 Hình Hàm tương quan bậc hai g (2) (τ) hai dạng có ánh sáng phản kết chùm 22 Hình Sự biểu diễn theo sơ đồ trình tự phát xạ photon từ nguyên tử đơn lẻ kích thích laser cường độ cao 23 V MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong quang học lượng tử, việc tạo trạng thái phi cổ điển trường điện từ mối quan tâm khoa học hàng đầu nhà vật lý lý thuyết liên tục phát triển Hiện nay, quang học lượng tử đưa vào giảng dạy chương trình vật lý lớp 12 chương trình học ngành trường đại học,cao đẳng đặc biệt chuyên nghành vật lý môn vật lý đại cương, học lượng tử, môn học giúp hiểu sơ lược quang học lượng tử Chúng ta bắt đầu với mô tả cổ điển dao động cường độ phụ thuộc vào thời gian chùm ánh sáng Những nghiên cứu lần R Hanbury Brown R Q Twiss nghiên cứu tỉ mỉ năm 1950 Nghiên cứu họ sau chứng minh tầm quan trọng hàng đầu việc phát triển quang học lượng tử đại Các thí nghiệm Hanbury BrownTwiss (HBT) dẫn đến khái niệm hàm tương quan bậc hai (g (2) (τ)), nghiên cứu giá trị mà g (2) (τ) dùng cho loại ánh sáng cổ điển khác xem xét lượng ánh sáng theo hàm tương quan bậc hai g (2) (τ) Đó lý tơi chọn đề tài “TÍNH CHẤT PHẢN KẾT CHÙM CỦA ÁNH SÁNG” Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu tính chất phản kết chùm ánh sáng Nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiểu thí nghiệm Hanbury Brown – Twiss Nghiên cứu phản kết chùm ánh sáng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng: ánh sáng Phạm vi: Nghiên cứu lý thuyết Phƣơng pháp nghiên cứu: Để nghiên cứu đề tài sử dụng số phương pháp sau: phân tích tổng hợp tài liệu, phương pháp lý thuyết quang lượng tử NỘI DUNG CHƢƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Quang cổ điển: 1.1.1 Phƣơng trình Maxwell sóng điện từ: Lý thuyết ánh sáng sóng điện từ Maxwell phát triển vào nửa sau kỷ XIX đánh giá thành tựu vĩ đại vật lý cổ điển.Tính chất sóng điện từ thể bốn phương trình điện từ Maxxwell (xét chân khơng) sau[3]: ⃗ ⃗ ⃗ ρ mật độ điện tích, j mật độ dòng điện dịch Phương trình (1.1) mơ tả định luật Gauss điện trường Phương trình (1.2) tương đương với định luật Gauss từ trường Phương trình (1.3) kết hợp định luật Faraday Lenz tượng cảm ứng điện từ Phương trình (1.4) biểu diễn mở rộng định luật Ampere Xét sóng điện từ lan truyền mơi trường chân khơng ( Khi đó, phương trình sóng điện từ Maxwell trở thành ⃗ ⃗ Từ (1.7) (1.8) suy ⃗ (⃗ và cường độ ánh sáng thu máy dò tương ứng, thăng giáng chúng Hình Biểu diễn sơ đồ thí nghiệm tương quan cường độ Hanbury Brown - Twisss (HBT) Ánh sáng phát từ đèn thủy ngân bắt nguồn từ nhiều nguyên tử khác Điều dẫn đến thăng giáng cường độ ánh sáng thang thời gian cỡ thời gian kết hợp τ c Những thăng giáng cường độ ánh sáng bắt nguồn từ thăng giáng số nguyên tử phát thời điểm định Ánh sáng kết hợp phần phát từ nguồn gọi hỗn loạn để nhấn mạnh ngẫu nhiên trình phát xạ mức độ vi mơ Hình 2.2 mô phụ thuộc vào thời gian cường độ ánh sáng phát nguồn hỗn độn có thời gian kết hợp τ c Rõ ràng cường độ cực thăng giáng quanh giá trị trung bình 〈 〉 thang thời gian tương đương với τ c Thăng giáng cường độ gây thêm vào ánh sáng với pha ngẫu nhiên từ hàng triệu nguyên tử phát ánh sáng nguồn Giả sử nguyên tử phát ánh sáng tần số, pha ánh sáng từ nguyên tử đơn lẻ liên tục thay đổi va chạm ngẫu nhiên Nguyên tắc đằng sau thí nghiệm HBT thăng giáng cường độ chùm ánh sáng có liên quan đến kết hợp Nếu ánh sáng vào hai dò kết hợp, thăng giáng cường độ chúng tương quan với Như cách đo tương quan thăng 14 giáng cường độ, suy tính chất kết hợp ánh sáng Điều dễ dàng nhiều so với việc thiết lập thí nghiệm gây giao thoa cho hiểu biết khác Hình 2 Mô phụ thuộc vào thời gian cường độ ánh sáng phát nguồn hỗn loạn có thời gian kết hợp cường độ trung bình 〈 〉 Xem xét kết thí nghiệm HBT thể hình 2.1 với d đặt Điều chỉnh gương bán mạ để cường độ trung bình 〈 〉 vào hai máy dò sóng giống hệt Từ quan điểm cổ điển, viết cường độ ánh sáng thay đổi theo thời gian máy dò: đó: trung bình 〈 〉 Với cường độ giống hệt máy dò, đầu thí nghiệm HBT tỉ lệ thuận với〈 〉 Giả sử đặt thời gian trễ Đầu 〈 Mặc dù không,nhưng 〉 〈 〉 (2.2) không không thăng giáng cường độ ánh sáng hỗn độn từ đèn phóng điện Do có đầu khác khơng cho giáng cường độ khơng tương quan hồn tồn với nhau, ngẫu nhiên đổi dấu theo thời gian trung bình khơng Do đầu dần đến Do cách đo đầu hàm , xác định trực tiếp Trong thí nghiệm ban đầu, Hanbury Brown Twiss đặt đổi Khi d thay tăng lên, kết hợp không gian ánh sáng vào máy dò giảm Do tương quan cuối biến giá trị lớn , đầu giảm xuống Do phương pháp họ cho phép xác định kết hợp không gian nguồn thông qua tương quan cường độ giảm giá trị lớn 2.2.2 Hàm tƣơng quan bậc Kết thí nghiệm HBT giải thích theo cách cổ điển tương quan cường độ.Hàm tương quan bậc hai ánh sáng xác định [4] Thang thời gian thăng giáng cường độ ánh sáng xác định thời gian kết hợp nguồn Nếu với 〈 〉 = 0, từ phương trình (2.3) 〈 Do Trái lại, τ