Xây dựng giao thoa kế mach zehnder đo chết suất vật liệu

NGUYỄN THỊ THANH TUYỀN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ THANH TUYỀN XÂY DỰNG GIAO THOA KẾ MACH – ZEHNDER ĐO CHIẾT SUẤT VẬT LIỆU NGUYÊN TỬ BA MỨC BẬC THANG XÂY DỰNG GIAO THOA KẾ MACH – ZEHNDER ĐO CHIẾT SUẤT VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KHÓA 25 Long An, 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ THANH TUYỀN XÂY DỰNG GIAO THOA KẾ MACH – ZEHNDER ĐO CHIẾT SUẤT VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8.44.01.10 Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS NGUYỄN HUY BẰNG Long An, 2019 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Huy Bằng định hướng lựa chọn đề tài dành nhiều thời gian hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Thầy cung cấp tài liệu nhiều lần thảo luận tháo gỡ khó khăn, giúp tơi nhiều kiến thức chun ngành, phương pháp nghiên cứu để tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn thật chân thành đến quý thầy có nhiều đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn Cảm ơn TS Lê Văn Đồi đọc góp ý cho luận văn hồn thiện Tơi muốn xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo Trường Đại học Vinh nhiệt tình giảng dạy cho suốt thời gian vừa qua Tôi xin cảm ơn tập thể anh chị em lớp Cao học K25 chuyên ngành quang học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhiều trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình người thân tạo điều kiện thuận lợi động viên tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi đến thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp lòng biết ơn chân thành với lời chúc sức khỏe thành công sống Tác giả luận văn NGUYỄN THỊ THANH TUYỀN ii MỤC LỤC TRANG LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC H NH VÀ BẢNG vi MỞ ĐẦU Chƣơng CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ CỦA GIAO THOA KẾ 1.1 Khái niệm giao thoa nhiều chùm ánh sáng 1.2 Các loại giao thoa kế 1.2.1 Giao thoa kế Young 1.2.2 Giao thoa kế Fabry- Perot 1.2.3 Giao thoa kế Michelson 13 1.2.4 Giao thoa kế Mach- Zehnder 14 1.3 Các ứng dụng giao thoa kế Mach- Zehnder 15 1.3.1 Đo bước sóng ánh sáng 16 1.3.2 Đo phổ tán sắc nguyên tử kim loại kiềm 19 1.3.3 Đo chiết suất vật thể suốt 23 1.4 Kết luận chương I 25 Chƣơng XÂY DỰNG GIAO THOA KẾ MACH - ZEHNDER ĐO CHIẾT SUẤT VẬT LIỆU 27 2.1 Xây dựng giao thoa kế Mach - Zehnder 27 2.1.1 Thiết kế 27 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 28 2.2 Đo chiết suất vật thể giao thoa kế Mach- Zehnder 29 2.2.1 Lắp ráp 29 2.2.2 Các bước tiến hành 30 2.2.3 Kết thí nghiệm 30 iii 2.3 Kết luận chương 31 KẾT LUẬN CHUNG 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 iv BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Tên viết tắt MZI Mach – Zehnder Interferometry (giao thoa kế Mach-Zehnder) BS Beam Spliter (bản tách chùm) FP Giao thoa kế Fabry – Perot PD Photodiode M Mirror BE Beam Expander FL Filter Light S Screen LD Laser Diode Ak Biên độ ánh sáng a Khoảng cách chia gương c Vận tốc ánh sáng chân không D Độ dày màng mỏng I0, I1, Cường độ ánh sáng L Chiều dài mẫu m Số nguyên (số lần xuất sáng tối vịng giao thoa) n Chiết suất mơi trường T Hệ số truyền qua R Hệ số phản xạ sk Quang trình v Δs Hiệu quang trình Δy Khoảng cách α, β Góc δ Độ chênh lệch pha φk Pha ε0, ε Hằng số điện thẩm ν Tần số vi DANH MỤC CÁC H NH VÀ BẢNG Hình 1 Sơ đồ mô tả nguyên lý giao thoa ánh sáng Hình Sơ đồ thí nghiệm giao thoa Young Hình Giao thoa kế F-P phẳng sử dụng chùm tia song song ghi cường độ truyền qua đầu thu điện quang: 1-Nguồn; 2-Buồng chân khơng; 3-Máy hút khí; 4-Vít chỉnh khoảng cách d; 5-Đầu thu Hình Quang trình chùm tia qua giao thoa kế F-P ảnh giao thoa 10 Hình Profile vạch huỳnh quang phân tử Na2 kích thích laser 1, 2bậc thứ m m+1 vạch phổ laser [9] 12 Hình Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson 13 Hình Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson đo chiết suất mỏng 14 Hình Sơ đồ giao thoa kế Mach - Zehnder 15 Hình Các ốc vít mặt sau gương M1 sử dụng để thay đổi hiệu quang trình hai chùm tia 18 Hình 10 Các vân giao thoa hứng màn: (a) hình dạng đường bao vân giao thoa – (b) hình dạng vân giao thoa dịch chuyển 19 Hình 11 Giao thoa kế Mach-Zehnder sử dụng đo tán sắc nguyên tử Rb[10] 20 Hình 12 Cơng tua hấp thụ tán sắc khí nguyên tử lân cận cộng hưởng[10] 21 Hình 13 Phổ hấp thụ (a) tán sắc (c) nguyên tử 87Rb (F = 2→ F′ = 1, 3) khơng có chùm bơm; (b) phổ hấp thụ bão hoà (d) tán sắc có bão hồ [10] 23 Hình 14 Sơ đồ giao thoa kế Mach – Zehnder đo chiết suất mỏng 24 Hình 15 Đường truyền tia sáng qua mỏng song song có bề dày T 24 Hình Thí nghiệm đo chiết suất giao thoa kế Mach- Zehnder[23] 27 Hình 2 Thí nghiệm đo chiết suất giao thoa kế Mach- Zehnder 29 vii Hình Hình ảnh vân giao thoa thu hệ đoc chiết suất mỏng giao thoa kế Mach- Zehnder 30 Bảng Các dụng cụ thí nghiệm hệ giao thoa kế Mach - Zehnder 28 Bảng 2 Kết thí nghiệm đo chiết suất mỏng giao thoa kế Mach Zehnder 30 MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc Ánh sáng đối tượng quan tâm nghiên cứu từ thời xa xưa liên quan trực tiếp tới sống nhân loại Nhiều tượng quang học sở dẫn đến đời vật lý đại: thuyết lượng tử thuyết hấp dẫn Quá trình hình thành phát triển lý thuyết mơ tả ánh sáng đấu tranh gay gắt quan điểm tính sóng tính hạt Quan điểm sóng thể phổ biến qua tượng giao thoa, nhiễu xạ phân cực quan điểm hạt thể qua tượng quang điện, tán xạ Đến đầu kỷ 20, ánh sáng xem “lưỡng tính sóng hạt”, từ tạo nên cách mạng công nghệ quang học để phục vụ cho nhân loại Hiện tượng giao thoa nhiễu xạ chứng thực nghiệm điển hình khẳng định ánh sáng có tính chất sóng Năm 1799, Young phát tượng “giao thoa ánh sáng” thí nghiệm nghiên cứu tượng gọi “giao thoa Young”, sở cho phát triển thí nghiệm giao thoa sau Hiện nay, sở tượng giao thoa, người ta chế tạo loại giao thoa kế Có nhiều loại giao thoa kế khác chúng dựa nguyên lí chung: chùm sáng phân làm hai chùm riêng biệt nhau, truyền theo hai đường khác nhau, sau lại gặp cho hình ảnh giao thoa Ngun lí áp dụng giao thoa kế Michelson, Mach-Zehnder Sử dụng giao thoa kế, phát thay đổi khơng gian chừng vài phần trăm bước sóng Đây phép đo kích thước xác Một ứng dụng điển hình giao thoa làm thay đổi quan niệm người không thời gian vật lý đo vận tốc gió ete giao thoa kế Michelson vào năm 1887 Kết làm sở để 22 Tiếp theo tìm thơng số cho giao thoa kế để có khoảng vân phù hợp với công tua phổ hấp thụ nguyên tử Rb Ta xét sóng điện tử phân cực tuyến tính truyền qua bình khí ngun tử Rb, ta biểu diễn trường điện từ: E ( z, t )  E0ei (t nkz )  E0e kn0 zei[t kn0 z ) , (1.30) với k = /c Khi khơng có bình mẫu Rb, tia laser trực tiếp đến đầu thu quang, cường độ chùm tia đầu thu quang là: I ikL1 ikL  [e  e ]  [1  cos(k L)] / 2, I0 (1.31) Với, L1 L2 quang trình hai tia hai nhánh dao thoa kế hình 1.12 L = L2 – L1; kL = (k0 + k)L với k0 = 0/c k = /c Chúng ta lấy gần kL  k0L kL