5. Các bước thực hiện đề tài
1.2.3.2.Cảm biến quang điện tử
Các vật liệu đẳng hướng và không đẳng hướng (thường dùng hiện nay là các tinh thể rắn và tinh thể lỏng được kẹp bởi hai kính phân cực P và kính phân tích N một phần
tư bước sóng. Mặt dao động của hai kính chéo nhau góc 0
90
. Dưới tác dụng một điện
áp hoặc một từ trường biến thiên (hình 1.24). Khi chưa có điện áp hoặc từ trường biến thiên, chùm phân cực không qua được tấm N. Khi có điện áp hoặc từ trường biến thiên, vật liệu ở A chuyển thành vật liệu lưỡng chiết suất bất thường na thay đổi (nếu là vật liệu bất đẳng hướng). Kết quả là, sau tấm N xuất hiện chùm sáng phân cực elip. Trạng thái phân cực và độ lớn biên độ dao động vectơ điện trường sau tấm N phụ thuộc vào độ lớn và tần số biến thiên của điện áp hoặc từ trường tác dụng. Tùy thuộc vào kích thước và vật liệu vật A, vào độ lớn điện áp (một vài V đến hàng chục KV) và tần số biến đổi tới hàng Gz, mà cảm biến quang điện tử được chế tạo theo nhiều loại khác nhau (các tế bào tinh thể lỏng – hình 1.24) như: các van quang điện, các bộ điều tần điều biên, các bộ chuyển biên độ sang tần số hoặc ngược lại, thuận tiện trong thông tin kỹ thuật số hiện đại.
1.2.3.3. Các thiết bị đo lường quang điện theo nguyên lý phân cực ánh sáng
Xác định ứng suất của những vật liệu vô định hình đồng tính và đẳng hướng khi có tác dụng của ngoại lực. Vật liệu thử được kẹp giữa hai kính phân cực và phân tích (hình 1.25). Các thiết bị đo thường dùng hai tấm phân cực một phần tư bước sóng ánh sáng vàng 589,3nm.
Do vị trí của hai kính phân cực và phân tích khi chưa có áp lực, thì sau kính N không có chùm sáng phân cực cho qua, dẫn đến trên thị trường quan sát tối đen.
Dưới tác dụng ngoại lực F xuất hiện ứng suất trong (tại điểm nào đó) theo hai chiều 1 và 2 vuông góc với nhau, dẫn đến vật liệu có tính lưỡng chiết với hai chiết
suất na và n0; do vậy một phần chùm sáng được truyền qua kính N. Hệ số truyền qua
được xác định theo: d là bề dày vật liệu thử.
sin22 .sin2 C( 2 1).d. Max (1.27)
Trong đó là góc lập bởi hướng áp lực và mặt phân cực ; C là hệ số quang đàn
hồi của vật liệu;Max: hệ số truyền qua khi chưa có ngoại lực và hai kính phân cực, kính phân tích có cùng mặt dao động. Nếu vật liệu không đồng tính thì tại các điểm khác nhau, hiệu số (21) khác nhau và hệ số truyền qua không giống nhau. Như vậy trường quan sát sau kính N xuất hiện các đường sáng tối đậm nhạt khác nhau thể hiện mức không đồng nhất của vật liệu. Ta cũng dùng phương pháp quang đàn hồi này để xác định khuyết tật (rỗ, bọt, khí,…) trong các vật liệu đồng tính và đẳng hướng.
Xác định bề dày, chiết suất của các lớp màng M trên bề mặt vật liệu (màng mỏng quang học trên các linh kiện quang, màng dầu, màng bảo vệ… trên bề mặt chi tiết cơ khí…). Chùm phân cực phẳng sau kính phân cực P được phản xạ trên bề mặt chi tiết A (hình 1.26). Nhờ kính phân tích N ta xác định được trạng thái phân cực và độ lớn biên độ
dao động vectơ điện trường của chùm phản xạ mặt trên và mặt dưới giao thoa với nhau. Các thông số này phụ thuộc vào bề dày và chiết suất của màng mỏng.
Xác định nồng độ hoặc chiết suất của các chất lỏng (nồng độ đường trong nước, chiết suất của các dầu thảo mộc…). Do đặc tính quang hoạt mà chúng thay đổi các thông số như trạng thái phân cực và biên độ dao động vectơ điện trường của chùm sau kính N. Các thông số này phụ thuộc vào nồng độ và chiết suất của chất lỏng. Đường kế được chế tạo theo nguyên lý phân cực này.
Phân cực ánh sáng cũng được sử dụng trong tạo hình ảnh quang học. Kỹ thuật ảnh nổi, kính hiển vi phân cực là ứng dụng thành công trong lĩnh vực này .
Chƣơng 2: MẶT SÓNG VÀ NGUYÊN LÝ HUYGEN
2.1. MẶT SÓNG
2.1.1. Sóng và các đặc trƣng của sóng
2.1.1.1. Sự hình thành sóng cơ trong môi trường vật chất
Các môi trường vật chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) coi như là những môi trường liên tục gồm các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường mỗi phần tử có vị trí cân bằng bền. Nếu tác dụng lực lên một phần tử A nào đó của môi trường thì phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác, các phần tử bên cạnh, một mặt kéo phần tử A về vị trí cân bằng, một mặt cũng chịu lực tác dụng và do đó cùng thực hiện dao động. Hiện tượng cứ tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng cơ.
Ðiểm khác nhau quan trọng giữa các sóng cơ trong môi trường với bất kỳ một chuyển động có trật tự nào của một phần tử môi trường là ở chỗ sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình vận chuyển vật chất. Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn sóng, phương truyền sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường sóng.
2.1.1.2. Sóng ngang và sóng dọc
Dựa vào cách truyền sóng, ta chia sóng cơ ra làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc. Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng. Thí dụ: sóng truyền trên một sợi dây dài khi ta rung nhẹ một đầu (hình 2.1a). Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn.
Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng. Thí dụ: khi ta nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra (hình 2.1b). Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò xo chính là sóng dọc.
Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích. Do đó nó truyền được trong các vật chất rắn cũng như trong các môi trường lỏng và khí.
Trường hợp ngoại lệ là các sóng mặt xuất hiện trên các mặt thoáng của chất lỏng hoặc mặt phân cách những môi trường lỏng không trộn lẫn vào nhau. Trong trường hợp này các phần tử của chất lỏng đồng thời thực hiện các dao động dọc và ngang, vẽ nên những quỹ đạo êlip hay phức tạp hơn.
2.1.1.3. Mặt sóng và mặt đầu sóng. Sóng cầu và sóng phẳng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quỹ tích những điểm trong môi trường sóng mà ở đó các dao động có cùng giá trị pha được gọi là mặt sóng. Ứng với những giá trị pha khác nhau, ta có họ các mặt sóng khác nhau.
Giới hạn giữa phần môi trường mà sóng đã truyền qua nhưng các phân tử môi trường chưa dao động gọi là mặt đầu sóng. Dựa vào hình dạng mặt đầu sóng người ta chia các sóng ra thành sóng cầu và sóng phẳng.
Đối với một trường đồng chất và đẳng hướng mặt đầu sóng là mặt cầu có tâm ở nguồn sóng, tia sóng vuông góc với mặt đầu sóng (1), nghĩa là trùng phương với bán kính của mặt cầu (hình 2.2a)
Nếu nguồn sóng ở rất xa phần môi trường mà ta khảo sát thì mặt sóng là những mặt phẳng song song, trong trường hợp này các tia sóng là những đường thẳng song song nhau và thẳng góc với các mặt sóng (hình 2.2b).
Hình 2.1: Sóng ngang và sóng dọc
Hình 2.2: Sóng cầu (a) và sóng phẳng (b) 1. Nguồn sóng, 2. Tia sóng, 3. Mặt sóng
2.1.2. Mặt sóng
Ở trên ta đã xét dao động của ánh sáng truyền theo một phương như thế nào. Ánh sáng từ một nguồn sáng truyền ra mọi phía. Mỗi đường thẳng kéo dài từ nguồn sáng biểu diễn một tia sáng.
Trong các môi trường đẳng hướng như: chân không, không khí, nước, các chất vô định hình… ánh sáng truyền ra xung quanh với tốc độ như nhau theo mọi phương. Vì vậy, sau một thời gian bằng nhau ánh sáng truyền được những quãng đường bằng nhau kể từ nguồn theo mọi phương. Điểm cuối của những quãng đường này tạo thành một mặt cầu được gọi là mặt sóng. Trong các môi trường dị hướng thì mặt sóng có dạng phức tạp hơn.
2.2. NGUYÊN LÝ HUYGEN
Huyghens đã có nhiều đóng góp trong lĩnh vực toán học và cơ học, song cống hiến vĩ đại nhất của ông phải kể đến trong lĩnh vực quang học. Ông là người đã xây dựng thuyết sóng ánh sáng và nêu ra nguyên lí Huyghens nổi tiếng và đã giải thích được hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Trước ông, Newton đã phát hiện ra sự tán sắc ánh sáng, đã nghiên cứu các "vân Newton" và đề xuất thuyết hạt ánh sáng. Theo Newton, ánh sáng là một dòng các hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật sáng và bay theo đường thẳng. Kích thước các hạt ứng với các tia màu khác nhau thì khác nhau: hạt của các tia màu đỏ lớn hơn hạt của các tia màu tím. Sự phản xạ ánh sáng chẳng qua là sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi khi va chạm vào mặt phẳng. Còn sự khúc xạ ánh sáng là do tác dụng của môi trường lên hạt ánh sáng tại mặt phân giới của hai môi trường, làm cho các hạt đó thay đổi hướng truyền. Thời ấy, người ta chưa có cơ sở thực nghiệm để kiểm tra các kết luận này.
Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lí thuyết ưa chuộng của họ. Một nhóm nhà khoa học, những người tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christian Huygens. Còn trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác. Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số nghi ngờ với thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng,
nhưng uy tín của ông trong cộng đồng khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình. Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó. Những người ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại, vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên, chứ không giảm xuống. Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời. Thêm nữa, ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó đi qua.
Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác cao để chứng minh thuyết Huygens là đúng.
Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông. Một số người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng. Rõ ràng điều này không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những hạt rời rạc được. Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian. Công cuộc săn lùng ête ngốn một
Hình 2.3: Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến
lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phải dừng lại. Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm 1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng, và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này. Huygens tin rằng ête dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng như thể là nó mang sóng ánh sáng. Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tả tài tính cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng. Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra một lí thuyết chi tiết cho hiện tượng khúc xạ và cũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắt nhau.
Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường thứ hai. Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ ra mỗi mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 2.4). Theo thuyết sóng của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền. Trái lại, thuyết hạt có lúc hơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho lí thuyết.
Hình 2.4: Sự khúc xạ của hạt và sóng
Một so sánh thú vị khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn. Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 2.5). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng.
Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị phản xạ bởi