Chương 3: Giao thoa ánh sáng

TS. Ngô Văn Thanh, Viện Vật lý. Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông , Công nghệ thông tin, Điện - Điện tử Chương 3: Giao thoa ánh sáng. 3.1 Cơ sở của quang học sóng 3.2 Giao thoa ánh sáng 3.3 Giao thoa gây bởi các bản mỏng 3.4 Các ứng dụng của hiện tượng giao thoa @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 3.1 Cơ sở của quang học sóng Hàm sóng của ánh sáng:  Ánh sáng là một loại sóng điện từ  Chỉ có phần điện trường biến thiên gây cho mắt cảm giác sáng.  Dao động của vector cường độ điện trường gọi là dao động sáng.  Phương trình dao động sáng:  Phương trình dao động sáng tại điểm O  Phương trình dao động sáng tại điểm P, với khoảng cách Dấu (-): khi sóng ánh sáng đi từ trái sang phải. Dấu (+) : ngược lại là thời gian sóng dịch chuyển từ O đến P.  Cuối cùng ta có phương trình dao động sáng @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Cường độ sáng:  Cường độ sáng tại một điểm là đại lượng có giá trị bằng năng lượng của ánh sáng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.  Biểu thức cường độ sáng Nguyên lý chồng chất  Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì các sóng riêng lẻ không gây nhiễu loạn cho nhau, có nghĩa là các sóng riêng lẻ sau khi gặp nhau vẫn truyền đi như cũ.  Tại những điểm gặp nhau, dao động sáng tổng hợp bằng tổng các dao động sáng thành phần. Nguyên lý Huyghen  Tại một điểm bất kỳ nào đó trong trường sóng ánh sáng đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng theo phương của sóng ánh sáng tới. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 3.2 Giao thoa ánh sáng  Hiện tượng giao thoa xảy ra khi có hai nguồn sáng kết hợp gặp nhau, tạo ra các miền sáng, miền tối đan xen lẫn nhau.  Để tạo hai sóng ánh sáng kết hợp, người ta thường tách từ một nguồn sáng duy nhất thành 2 nguồn sáng. Khe Young  S0, S1 và S2 là các lỗ nhỏ.  S1 và S2 : hai nguồn sáng thứ cấp (theo nguyên lý Huygens)  Để dễ quan sát hơn, người ta thay S0, S1 và S2 bằng các khe hẹp. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Ảnh chụp vân giao thoa của sóng ánh sáng và sóng nước @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Gương Fresnel:  M1 và M2 là hai gương phằng, M1 nghiêng so với M2 một góc rất nhỏ (vài phần nghìn rad).  S1 và S2 là hai ảnh ảo của nguồn sáng điểm S.  S1 và S2 trở thành hai nguồn sáng thứ cấp và chúng phát ra hai chùm sáng kết hợp. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Khảo sát hiện tượng giao thoa:  Xét hai chùm sóng ánh sáng phát ra từ S1 và S2 có cùng tần số và biên độ.  Cường độ điện trường của hai sóng ánh sáng tại điểm P:  độ lệch pha @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Cường độ điện trường tổng hợp tại điểm P:  Cường độ sáng tại điểm P: suy ra  Cực đại giao thoa: những điểm sáng nhất:  Cực đại giao thoa: những điểm tối nhất: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  k được gọi là bậc của vân giao thoa:  k = 0 : cực đại bậc 0…  k = 1 : cực tiểu bậc nhất…  Hình dạng của vân giao thoa bậc 0 có dạng mặt phẳng, các vân giao thoa khác (cả vân sáng lẫn vân tối) có dạng hyperboloid.  Giả thiết khoảng cách giữa nguồn sáng và màn rất lớn so với bước sóng ánh sáng và cũng rất lớn so với khoảng cách giữa hai khe sáng: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Cực đại giao thoa:  Cực tiểu giao thoa  Khoảng cách giữa các vân sáng hoặc vân sáng (tối) kế tiếp Khoảng cách giữa các vân giao thoa chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai nguồn sáng S1 và S2 mà không phụ thuộc vào vị trí của chúng. Hệ thống vân giao thoa không bị thay đổi khi dịch chuyển đồng thời S1 và S2 theo phương vuông góc với mặt phẳng của hình vẽ. Vì vậy, người ta thay hai nguồn sáng điểm bằng hai khe sáng để thấy rõ hơn các vân giao thoa. Giao thoa của ánh sáng trắng tạo nên hệ thống vân có màu (màu trắng, đỏ, da cam … tím). @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 3.3 Giao thoa gây bởi các bản mỏng  Giao thoa gây bởi các bản mỏng là sự giao thoa của các tia phản xạ trên hai mặt của bản mỏng: màng xà phòng, váng dầu trên mặt nước…  Bản mỏng có bề dày thay đổi Vân cùng độ dày  Hiệu của hai quang lộ:  Cực đại giao thoa  Cực tiểu giao thoa Các vân giao thoa phụ thuộc vào độ dày của bản mỏng. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Vân của nêm không khí  Hiệu của hai quang lộ:  Cực đại giao thoa: bề dày lớp không khí thỏa mãn công thức  Cực tiểu giao thoa Các vân giao thoa là các đoạn thẳng song song với cạnh của nêm. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Vân tròn Newton  Vân tròn Newton cũng là một dạng của nêm:  Vân sáng: bề dày lớp không khí thỏa mãn:  Vân tối: bề dày lớp không khí thỏa mãn Các vân giao thoa là các vòng tròn tại tâm O.  Bán kính các vân tối: giả thiết sử dụng ta có: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Bản mỏng có bề dày không đổi Vân có cùng độ nghiêng.  Hiệu của hai quang lộ chỉ phụ thuộc vào góc tới i.  Cực đại giao thoa khi góc tới thỏa mãn:  Cực tiểu giao thoa Các tia sáng có cùng góc tới tạo nên các vân giao thoa là các vòng tròn đồng tâm, vân giao thoa được gọi là vân giao thoa cùng độ nghiêng. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 3.4 Các ứng dụng của hiện tượng giao thoa Khử tia phản xạ trên các mặt kính.  Ánh sáng phản xạ làm mờ các thiết bị quang học.  Làm lộ mục tiêu trong quân sự.  Phủ một lớp màng mỏng đặc biệt để khử ánh sáng phản xạ  Độ dày của lớp màng mỏng và chiết suất  Điều kiện để khử ánh sáng phản xạ: pha của hai tia phản xạ lệch nhau 180o.  Bề dày lớp màng mỏng  là bước sóng của ánh sáng trong chân không và trong màng mỏng  Chiết suất của lớp màng mỏng  Sự khử phản xạ tốt nhất khi: Thiết bị quang học Màng mỏng trong suốt @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi.  Mặt kính phẳng: ứng dụng hiện tượng giao thoa bằng nêm không khí. Các vân giao thoa sẽ bị cong nếu mặt phẳng tấm kính bị lồi lõm.  Thấu kính: ứng dụng phương pháp vân tròn Newton. Các vân giao thoa sẽ là các vòng tròn đều nếu như mặt thấu kính đúng là mặt cầu. Tấm kính mẫu Tấm kính phẳng @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Đo chiết suất của chất lỏng và chất khí (giao thoa kế Rayleigh).  Ứng dụng hiện tượng giao thoa trên khe Young. Đo chiết suất của một chất lỏng hay chất khí . đã biết. Hiệu quang lộ thỏa mãn công thức m là số khoảng vân bị dịch chuyển Suy ra: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Đo chiều dài (giao thoa kế Michelson).  Hai gương phản xạ M1 và M2.  Bản bán mạ  Tấm bù quang để điều chỉnh độ lệch giữa hai quang lộ Tia 1: từ O  P  M1  P  F. Tia 2: từ O  P  M2  P  F.  Nếu dịch chuyển gương theo phương tia sáng một đoạn thì hiệu quang lộ thay đổi là  Dịch chuyển gương theo chiều dài của vật: Chiều dài của vật: m là số khoảng vân bị dịch chuyển Bản bán mạ Tấm bù quang @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 3.1 Cơ sở của quang học sóng. Hàm sóng của ánh sáng: Các đại lượng liên quan: Cường độ sáng: Nguyên lý chồng chất: dao động sáng tổng hợp. Nguyên lý Huyghen: nguồn sáng thứ cấp. 3.2 Giao thoa ánh sáng. Điều kiện để có hiện tượng giao thoa: phải có 2 nguồn sáng kết hợp. Thí nghiệm khe Young: Tạo nguồn sáng kết hợp theo nguyên lý Huyghen. Gương Fresnel: Tạo nguồn sáng kết hợp bằng sóng phản xạ trên gương. Cực đại giao thoa: những điểm sáng nhất: Cực đại giao thoa: những điểm tối nhất: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Cường độ sáng của vân giao thoa: Khoảng cách giữa các vân sáng hoặc vân tối kế tiếp: 3.3 Giao thoa gây bởi các bản mỏng Vân cùng độ dày: Các vân giao thoa phụ thuộc vào độ dày của bản mỏng.  Hiệu quang lộ:  Vân sáng và vân tối: Vân của nêm không khí : Các vân giao thoa là các đoạn thẳng song song với cạnh của nêm.  Hiệu quang lộ:  Vân sáng và vân tối: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Vân tròn Newton: Các vân giao thoa là các vòng tròn đồng tâm.  Vân sáng và vân tối:  Bán kính các vân tối: Vân có cùng độ nghiêng: vân giao thoa cùng độ nghiêng.  Hiệu quang lộ:  Vân sáng và vân tối:  Vân giao thoa do các chùm sáng có cùng góc tới là các đường tròn đồng tâm 3.4 Các ứng dụng của hiện tượng giao thoa Khử tia phản xạ trên các mặt kính. Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi. Đo chiết suất của chất lỏng và chất khí (giao thoa kế Rayleigh). Đo chiều dài (giao thoa kế Michelson). @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm vân tròn Newton.  Từ biểu thức tính bán kính vân giao thoa, xác định bán kính của 2 vân bất kỳ  Tính hiệu bình phương hai bán kính, giả sử :  Suy ra bước sóng:  Đặt  Ta có: L R rk P dk ri @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Quan sát trên kính trắc vi để tính B và b. Với là số thứ tự các vân trên kính trắc vi, là độ phóng đại của kính hiển vi. 0 1 2 6 7 8 bB K O I K’ @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý