Bài giảng Vật lý đại cương và vật lý hiện đại: Quang học sóng - PGS.TS. Lê Công Hảo

Bài giảng Vật lý đại cương và vật lý hiện đại: Quang học sóng cung cấp cho người học các kiến thức: Cơ sở của quang hình và quang sóng, những cơ sở của quang hình học, những cơ sở của quang học sóng,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

QUANG HỌC SĨNG Khơng đổi pha TS Lê Cơng Hảo SPX đổi pha 1800 GIỚI THIỆU Quang học: Là ngành vật lý học nghiên cứu chất, lan truyền tương tác ánh sáng với môi trường vật chất Các thuyết chất ánh sáng : •Thuyết hạt Newton (cuối kỉ 17) •Thuyết sóng Huygens (cuối kỉ 17) •Thuyết điện từ Maxwell (1865) •Thuyết photon Einstein (1905) Quang học sóng: nghiên cứu chất, lan truyền tương tác ánh sáng với môi trường vật chất dựa sở tính chất sóng á/s §1- CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH VÀ QUANG SÓNG I- Những sở quanq hình học Định luật truyền thẳng ánh sáng Định luật tác dụng độc lập tia sáng Các định luật Descartes * Định luật phản xạ i'  i * Định luật khúc xạ n1 sin i1  n2 sin i2 Những phát biểu tương đương định luật Descartes a Khái niệm quang lộ (quang trình) + Trường hợp ánh sáng truyền môi trường đồng n B A d Quang lộ ánh sáng truyền từ A đến B là: L AB AB d  AB  c  c  nd v v + Trường hợp ánh sáng truyền qua nhiều môi trường đồng khác nhau: A n1 d1 Quang lộ ánh sáng B truyền từ A đến D là: n2 d2 C LABCD  ABCD n3 d3 D   LABCD  n1d1  n 2d  n 3d3 L n s i i II- Những sở quanq học sóng Thuyết điện từ ánh sáng Maxwell * nh sáng sóng điện từ nh sáng sóng điện từ có nhiều tính chất giống nhau: Vận tốc ánh sáng = vận tốc sóng điện từ c v as  , n vsđt c   o o  n nh sáng sóng điện từ sóng ngang:  nh sáng sóng điện từ tuân theo định luật phản xạ, khúc xạ  nh sáng sóng điện từ gây tương giao thoa, nhiễu xạ tuân theo qui luật * nh sáng thấy sóng điện từ có bước sóng (trong chân không): 0,41m    0,76m * nh sáng đơn sắc sóng điện từ đơn sắc   Trong sóng ánh sáng đơn sắc có điện trường E , từ trường B  E  B  v   E B    E, B, v (theo thứ tự trên) tạo thành tam diện thuận E B tỷ lệ: E  v.B  Do v lớn nên: E  B  E gọi vectơ sóng sáng  Sóng ánh sáng biểu diễn vectơ điện trường E Phương E dao động Phương truyền sóng z * Hàm sóng ánh sáng đơn sắc Một sóng ánh sáng đơn sắc biểu diễn hàm sóng:   i  t k r  E  Eoe  : vectơ vị trí điểm khảo sát r y   2 Với  tần số sóng ánh sáng  n : vectơ đơn vị phương truyền sóng O  v  r M  n  k x  2  k n n với  k z vectơ sóng  n   M 2    r Neáu r  n thì: k.r  k.r  k r n O   2L 2L x k.r   y n. n  Xét: Sóng M ln trễ  n : bước sóng ánh sáng Nhận pha sóng nguồn môi trường chiết suất n  n  n Sóng ánh sáng đơn sắc thực:    E  E o cos  t  k.r  hay: lượng: 2L      2L   E  E o cos   t      * Liên hệ hiệu pha hai sóng hiệu quang lộ:   E S1  E0 S1 cos t d S1 S2 M d2   E S2  E0 S cos t Dao động sáng M nguồn S1 S2 gởi tới:    2d1  E1M  E 01 cos   t   n      2d  E M  E 02 cos   t   n   SPX đổi pha 1800 SPX đổi pha 1800 Không đổi pha Nếu ánh sáng truyền từ tới điều kiện bình thường có bước sóng 𝜆𝑛 phim mỏng a Nếu khơng có tất sóng phản xạ mặt phân cách đổi pha 1800 + Giao thoa cực đại 2e  kn + Giao thoa cực tiểu 2e  (k  ) n k = 0, 1, 2, 3,… b Nếu sóng có đổi pha 1800 + Giao thoa cực đại + Giao thoa cực tiểu 2e  (k  )n k = 0, 1, 2, 3,… 2e  kn d Ứng dụng: Khử phản xạ mặt kính e N n Tráng lên mặt kính lớp màng mỏng dày e, chiết suất n cho tia phản xạ mặt mỏng giao thoa cực tiểu + Điều kiện cho chiết suất mỏng: n N + Điều kiện cho bề dày mỏng: Để khử ánh sáng phản xạ tia phản xạ giao thoa cực tiểu 1  L  L1   k   2  Hiệu quang lộ tia phản xạ mặt mỏng: L  L1  2ne  n  e  k   2  emin  n Bản mỏng có bề dày thay đổi: a- Nêm không khí: Đó lớp không khí giới hạn hai thủy tinh hợp với góc  nhỏ Chiếu chùm tia sáng đơn sắc song song vuông góc với thủy tinh Hai tia phản xạ mặt nêm giao mặt nêm Vân giao thoa nằm mặt nêm không khí R S * Hiệu quang lộ tia phản xạ mặt nêm kh khí: L1  LSIR , L2  LSIJIS   L  L1  2e   I  J e * Hình dạng vân giao thoa: Hiệu quang lộ phụ thuộc bề dày lớp không khí Vân giao thoa có dạng đoạn thẳng song song với cạnh nêm i xk  ek e k 1 * Điều kiện để có vân sáng, vân tối: + Vân sáng: 1   2esk   k  esk   k   2  + Vân tối:   1 2e tk    k     2  Vân tối bậc k = 0, ứng với e = Vậy cạnh nêm có vân toái  e tk  k ek ek * Vị trí vân giao thoa: xk   sin   1   + Vị trí vân sáng: x sk   k    2   x tk  k + Vị trí vân tối: 2 Các vân giao thoa cách + Khoảng cách vân:  i  xt ( k1)  xt ( k )  2 c- Bản cho vân tròn Newton Gồm thủy tinh phẳng thấu kính phẳng lồi đặt cho mặt lồi tiếp xúc với thủy tinh Chiếu chùm tia sáng đơn sắc song S O song vuông góc với thủy tinh * Hiệu quang lộ tia sáng phản xạ mặt cong thấu kính thủy tinh:  L  L1  2e  OMH   OM R e  MH K M H r N I  OH R  r  R  Re  e 2 2  r  2e  R * Hình dạng vân giao thoa: Vân giao thoa có dạng đường tròn đồng tâm, có tâm điểm tiếp xúc thủy tinh phẳng thấu kính phẳng lồi , có bán kính r Bán kính vân tối (Giao thoa cực tiểu) rtk 2e   k R rtk  kR SPX không đổi pha SPX đổi pha a Đo chiết suất chất lỏng hay chất khí giao thoa kế Rayleigh L1 O1 n L2 F L n0 O d O2 n0 n0 chiết suất không khí n chiết suất chất khí hay chất lỏng cần đo Nếu hệ vân giao thoa dịch chuyển m khoảng vân thì: m n  n o d  m  n   n o d b Đo bước sóng á.s giao thoa kế Michelson (1881) G1 Dịch (G2) khoảng d P Hiệu quang lộ tia sáng (từ S đến quan sát kính ngắm) thay đổi 2d P S d G2 Nếu hệ vân giao thoa dịch chuyển m khoảng vân thì: 2d 2d  m    m o o c Đo chiều dài giao thoa kế Michelson (1881) * Đo chiều dài d vật G1 Đặt vật có chiều dài d cần đo sát vào gương (G2) cho tia sáng không truyền qua vật P Dịch (G2) dọc theo chiều dài d vật P S G2 Hiệu quang lộ tia sáng (từ S đến quan sát kính ngắm) thay đổi 2d Nếu hệ vân giao thoa dịch chuyển m khoảng vân thì: m 2d  m  d  d o o * Đo bề dày e mỏng suốt, chiết suất n Đặt mỏng có bề dày cần đo sát vào gương (G2) tia sáng qua mỏng G1 P Hiệu quang lộ tia sáng (từ S đến quan sát kính ngắm) thay đổi 2e(n-1) P S G2 Nếu hệ vân giao thoa dịch chuyển m khoảng vân thì: 2en  1  m m e 2n  1 o Michelson nhận giải Nobel Vật lý năm 1907 LiGO ứng dụng  sóng hấp dẫn ... (1905) Quang học sóng: nghiên cứu chất, lan truyền tương tác ánh sáng với môi trường vật chất dựa sở tính chất sóng á/s § 1- CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH VÀ QUANG SÓNG I- Những sở quanq hình học Định... nhanh) Sóng tới Truyền qua Sóng phản xạ Sóng phản xạ khơng thay đổi pha Trước Sóng tới Sau Sóng phản xạ Truyền qua Mơi trường a Môi trường b Giống a Truyền qua Sóng tới Khơng có sóng phản xạ Sóng. ..GIỚI THIỆU Quang học: Là ngành vật lý học nghiên cứu chất, lan truyền tương tác ánh sáng với môi trường vật chất Các thuyết chất ánh sáng : •Thuyết hạt Newton (cuối kỉ 17) •Thuyết sóng Huygens