2. Các nguyên tắc khi sử dụng laser
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ DỤNG CỤ ĐO BƯỚC SÓNG TIA LASER
1. Cơ sở lý thuyết
Mục đích thiết kế
Có nhiều phương pháp đo bước sóng tia laser bằng nhiều dụng cụ khác nhau, trong đó có cách đo bước sóng tia laser bằng phương pháp giao thoa. Chúng ta có thể tạo giao thoa ánh sáng bằng nhiều cách như khe Iâng, gương Fresnel hay giao thoa do phản xạ ( thí nghiệm Lloyd)...
Trên cơ sở đó tôi thiết kế một dụng cụ thí nghiệm để học sinh có thể quan sát hiện tượng giao thoa của ánh sáng trắng qua khe Iâng, đồng thời có thể xác định bước sóng của tia Laser dựa và hiện tượng giao thoa qua khe Iâng bằng những vật liệu dễ kiếm, đơn giản, dễ tiến hành.
Hiện tượng giao thoa ánh sáng
Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau tại một miền nào đó của không gian thì tại miền đó người ta thấy có những dải sáng và tối xen kẽ nhau. Hiện tượng đó được gọi là sự giao thoa ánh sáng, miền không gian có sự giao thoa ánh sáng gọi là trường giao thoa.
Thực nghiệm cho thấy rằng, chỉ có các sóng phát ra từ những nguồn kết hợp mới có thể tạo ra hiện tượng giao thoa.
Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
Ta biết rằng ánh sáng là do các nguyên tử của nguồn sáng phát ra. Thực nghiệm chứng tỏ rằng nguyên tử phát sóng không liên tục; chúng phát ra từng đoàn sóng một, các đoàn sóng này không liên hệ gì với nhau nên pha ban đầu của chúng khác nhau.
Nếu ta xét ánh sáng phát ra từ hai nguồn sáng riêng biệt ( từ hai bóng đèn điện chẳng hạn) thì tại một điểm nào đó sẽ nhận được các cặp đoàn sóng do hai nguồn gửi tới, mỗi cặp đoàn sóng này sẽ có một hiệu số pha nào đó. Hiệu pha này thay đổi và không phải là một số không đổi. Kết quả là hai sóng do hai nguồn riêng biệt phát ra là hai song không kết hợp. Tuy nhiên, nếu bằng cách nào đó ta có thể tách sóng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng duy nhất thành hai sóng truyền thao hai con đường khác nhau, sau đó lại cho chúng gặp nhau thì hiệu pha của hai sóng sẽ không phụ thuộc vào thời gian. Khi đó ta có hai sóng kết hợp. Như vậy nguyên tắc tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp là từ một sóng ánh sáng duy nhất tách ra hai sóng ánh sáng riêng biệt. Để tạo ra các sóng ánh sáng kết hợp người ta dùng một số dụng cụ như: Khe Iâng, gương Fresnel,…
Khe Iâng
Khe Iâng là dụng cụ được nhà bác học Iâng sử dụng trong thí nghiệm đầu tiên về hiện tượng giao thoa ánh sáng ( năm 1801)
Iâng dùng nguồn sáng điểm S chiếu vào hai lỗ tròn nhỏ S1 và S2 đục trên một màn không trong suốt P; màn P được đặt sao cho S1 và S2 cách đều S. Hai lỗ S1 và S2 được chiếu sáng bởi cùng một nguồn S nên được xem là hai
nguồn kết hợp. Sau màn P hai sóng kết hợp phát ra từ S1 và S2 sẽ gặp nhau tại một miền không gian nào đó và giao thoa với nhau. Miền không gian đó được gọi là trường giao thoa. Đặt một màn E sau màn P và song song với màn P ta sẽ quan sát được hình ảnh giao thoa.
Dù đặt màn E ở bất kỳ vị trí nào trong trường giao thoa ta cũng quan sát được vân giao thoa. Vì vậy người ta gọi loại vân giao thoa này là vân giao thoa không định sứ.
Giao thoa qua khe Iâng với nguồn phát Laser
Laser là một chùm sáng song song đơn sắc, kết hợp. Khi chiếu chùm tia laser vuông góc với màn chắn P có hai khe hẹp song S1, S2. S1, S2 trở thành hai nguồn đồng bộ phát óng ánh sáng về phía trước. Cách P một khoảng D ta đặt màn quan sát E song song với P. Các sóng ánh sáng từ S1, S2 gặp nhau sẽ giao thoa với nhau, trên màn E xuất hiện hệ vân màu đỏ gồm những dải sáng, tối xen kẽ. Khoảng vân i ( khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp) liên hệ với a và D theo công thức
Dia ia a
D
i= λ ⇒λ =
Đo khoảng cách a giữa hai khe, đo khoảng cách D và khoảng vân i, ta tính được bước sóng λ của tia Laser.
2. Thiết kế dụng cụ
Quy trình thiết kế Dụng cụ
- Lưỡi dao lam - Ống nước nhựa
- Đĩa nhựa tròn ( khoét một khe hở) - Dây đồng nhỏ
- Băng dính màu Thiết kế
Dùng hai nửa lưỡi dao lam cố định bằng băng dính màu trên đĩa nhựa tròn đã khoét một lỗ hổng, hai nửa lưỡi dao lam đặt song song cách nhau tạo thành một khe hẹp.
Bước 2: Tạo khe Iâng (Đĩa 2)
Dùng hai nửa lưỡi dao lam cố định bằng băng dính màu trên đĩa nhựa tròn đã khoét một lỗ hổng, hai nửa lưỡi dao lam đặt song song cách nhau tạo thành một khe hẹp.
Dùng một dây đồng nhỏ đặt giữa khe hẹp song song với hai nửa dao lam.
Có thể xác định đường kính dây đồng bằng hai cách sau:
- Quấn dây đồng quanh một chiếc bút chì thành 50 vòng sát nhau, dùng thước có độ chia nhỏ nhất 1mm, đo độ dài của 50 vòng này lấy kết quả chia cho 50.
- Có thể đo bằng kính lúp hoặc kính hiển vi
Bước 3: Lắp ráp dụng cụ Lắp dụng cụ như hình vẽ: Lưỡi dao lam Lưỡi dao lam Lưỡi dao lam Lưỡi dao lam Dây đồng
2.2.Tiến trình thí nghiệm
2.2.1. Quan sát hiện tượng giao thoa
Đặt mắt ở đầu A (Khe S1, S2) điều chỉnh đầu ống B có chứa khe S hướng vào nguồn sáng. Thì ta sẽ quan sát thấy hiện tượng giao thoa.
2.2.2. Đo bước sóng tia Laser
Cố định nguồn phát Laser ở đầu ống chứa khe S sao cho nguồn sáng chiếu vào chính giữa khe S. Vì nguồn sáng Laser là nguồn hội tụ kết hợp nên có thể chiếu trực tiếp qua khe S1, S2.
- Đo khoảng cách D từ mặt phẳng chứa hai khe tới màn
- Đánh dấu vị trí của hai vân sáng bất kỳ trên màn E phân bố trên n khoảng vân (n tùy chọn từ 2 đến 6 khoảng). Sau đó tiến hành đo khoảng cách L giữa hai vân sáng đã được đánh dấu ở ngoài cùng.
- Khoảng vân i được tính theo công thức:
n L i=
- Bước sóng của chùm tia Laser được tính theo công thức:
nD La D ai = = λ Có thể xác định bước sóng bằng cách khác:
- Gắn trên màn thước chia đến 1/10 mm để đo khoảng vân.
- Dịch chuyển ống (kéo ra hoặc đẩy vào) tới khi điểm giữa của tất cả các vân sáng hoặc tất cả vân tối trùng với các vạch chia trên thước.
Khi đó khoảng vân i sẽ bằng 0,1 mm.
- Dùng thước đo khoảng cách từ khe đến màn.
Đĩa 2 Đĩa 1
- Bước sóng của chùm tia Laser được tính theo công thức:
Dai ai
=λ λ
Các thí nghiệm lặp lại nhiều lần để có kết quả chính xác.