giao thao anh sang

Hiện tượng giao thoa của hai sóng ánh sáng kết hợp 9.3.. Giao thoa ánh sáng gây bởi các bản mỏng 9.4.. Hiện tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa ánh sáng là sự chồng chất của 2 hay nhiều s

The brilliant colors seen in peacock

feathers are not caused by pigments in the feathers

If they are not produced by pigments,

how are these beautiful

colors

created?

CHƯƠNG 9 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG.

GIAO THOA VÀ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

9.1 Cơ sở của quang học sóng

9.2 Hiện tượng giao thoa của hai sóng ánh sáng kết hợp 9.3 Giao thoa ánh sáng gây bởi các bản mỏng

9.4 Nhiễu xạ ánh sáng Nguyên lý Huyghen – Fresnel

9.5 Nhiễu xạ gây bởi sóng cầu qua lỗ tròn

9.6 Nhiễu xạ gây bởi các sóng phẳng qua khe hẹp

Cách tử nhiễu xạ

Bộ môn Khoa hoc Cơ bản, Khoa Công nghệ Thông tin

9.1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG

9.1.1 Hàm sóng của ánh sáng

Xét ánh sáng phẳng đơn sắc truyền theo phương y với vận tốc v trong môi trường có chiết suất n Giả sử tại O phương trình của dao động sáng là: x(O) = Acost

 phương trình dao động sóng tại M cách O một đoạn là d:

 là thời gian truyền từ OM

L = c. là quang lộ trên đoạn OM

 = c.T là bước sóng ánh sáng

 = - 2L/ là pha ban đầu

Nếu ánh sáng truyền theo chiều ngược lại:

9.1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG

9.1.2 Cường độ sáng

Cường độ sáng tại một điểm là một đại lượng có trị số bằng năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sáng trong một đơn vị thời gian (I ~ a2).

9.1.3 Nguyên lý chồng chất ánh sáng

Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì từng sóng riêng biệt không bị các sóng khác làm nhiễu loạn Sau khi gặp nhau, các sóng vẫn truyền đi như cũ, còn lại các điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng các dao động sáng thành phần.

9.1.4 Nguyên lý Huyghen

Bất kì một điểm nào nhận được sóng ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó.

9.2 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP

9.2.1 Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Giao thoa ánh sáng là sự chồng chất của 2 hay nhiều sóng ánh sáng khi truyền đi trong không gian Kết quả là tạo ra trong không gian những miền sáng tốt một cách tuần hoàn đều đặn Các miền sáng (do dao động sáng mạnh) và các miền tối (do dao động sáng yếu) gọi là những vân giao thoa

Điều kiện để có hiện tượng giao thoa: Các ánh sáng chồng chất phải là các sóng ánh sáng kết hợp (ánh sáng kết hợp là sóng ánh sáng có cùng phương dao động, cùng tần số và

có độ lệch pha không đổi theo thời gian)

9.2 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP

9.2 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP

9.2.2 Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh sáng gây bởi khe Young

- Nếu  = 2k  L = L1 – L2 = k (k = 0, ±1, ±2,…) )  tại P là vân sáng.

- Nếu  = (2k + 1)  L = L1 – L2 = (2k + 1)/2  tại P là vân tối

9.2 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP

9.2.3 Hiện tượng giao thoa do phản xạ (TN gương Lloyd)

Kết luận : Khi phản xạ trên môi trường chiết quang hơn

môi trường ánh sáng tới, pha dao động của ánh sáng thay đổi 1 lượng  , tương đương với việc coi tia phản

xạ dài thêm 1 đoạn  /2.

9.3 GIAO THOA ÁNH SÁNG GÂY BỞI CÁC BẢN MỎNG

9.3 GIAO THOA ÁNH SÁNG GÂY BỞI CÁC BẢN MỎNG

9.3.1 Bản mỏng có bề dày thay đổi – vân cùng độ dày

+ Những điểm có d sao cho L1 – L2 = k sẽ ứng với vị trí vân sáng.

+ Những điểm có d sao cho L1 – L2 = (2k+1)/2 sẽ ứng với vị trí vân tối.

GIAO THOA GÂY BỞI CÁC BẢN MỎNG

Thin film of soapy water

A thin layer of oil on theWater of a street puddle

Seashell

α C

9.3 GIAO THOA ÁNH SÁNG GÂY BỞI CÁC BẢN MỎNG

9.3.1 Bản mỏng có bề dày thay đổi – vân cùng độ dày

b Vân của nêm không khí

So với tia OIML tia OIMKIML phải đi thêm đoạn đường là 2d

2



    (Số hạng /2 xuất hiện do a/s phản xạ tại K có môi

trường chiết quang hơn)

9.3 GIAO THOA ÁNH SÁNG GÂY BỞI CÁC BẢN MỎNG 9.3.1 Bản mỏng có bề dày thay đổi – vân cùng độ dày

c Vân tròn Newton

Những điểm (vòng tròn) ứng với bề dày của lớp không

khí d sẽ có hiệu quang lộ giữa các tia là:

Kết luận: Bán kính của vân tối tỉ lệ với căn bậc

hai của các số nguyên dương liên tiếp

9.3 GIAO THOA ÁNH SÁNG GÂY BỞI CÁC BẢN MỎNG

9.3.2 Bản mỏng có bề dày thay đổi – vân cùng độ nghiêng

Mỗi tia của chùm khi đập lên bản sẽ bị tách làm 2 phần:

+ Một phần phản xạ ngay trên mặt trên

+ Một phần đi vào bản mỏng, phản xạ ở mặt dưới,

đi lên trên và ló ra ngoài

 Hiệu quang lô của hai tia là:

i

i

M F

Vì d = const  L chỉ phụ thuộc vào góc tới i,

có giá trị sao cho:

- L = k thì M là điểm sáng

- L =(2k+1)/2 thì M là điểm tối

Mỗi vân ứng với một giá trị xác định của i  được các vân giao thoa khác nhau Các vân giao thoa này là các đường tròn đồng tâm và được gọi là vân cùng độ nghiêng

Ứng dụng của hiện tượng giao thoa:

- Sự phản xạ 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)

Diffraction Pattern from a single narrow slit.

Central maximum

Side or secondary maxima

Light

Fresnel Bright Spot

Bright spot

Light

9.4 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG NGUYÊN LÝ HUYGHEN - FRESNEL 9.4.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

Hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi gần các chướng ngại vật được gọi là

nhiễu xạ ánh sáng

MỘT SỐ PHỔ NHIỄU XẠ

9.4 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG NGUYÊN LÝ HUYGHEN - FRESNEL 9.4.2 Nguyên lý Huyghen – Fresnel

Nguyên lý Huyghen : Bất kỳ một điểm nào mà ánh sáng truyền tới đều trở thành nguồn phát sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó.

Nguyên lý này chỉ giải thích được tại sao ánh sáng bị lêch khỏi phương truyền một cách định tính  để tính biên độ và pha của các dao động thứ cấp?

là biên độ và pha do nguồn thực gây ra tại vị trí của nguồn thứ cấp.

9.4 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG NGUYÊN LÝ HUYGHEN - FRESNEL

9.4.3 Biểu thức dao động sáng tại M (áp dụng nguyên lý H – F)

Tại nguồn O: x = acost Lấy mặt kín S bao

quanh O, dS là diện tích nhỏ trên mặt kín

k - 1

k

B

9.5 NHIỄU XẠ GÂY BỞI SÓNG CẦU QUA LỖ TRÒN

9.5.1 Đới cầu Fresnel

Xét nguồn O và điểm M được chiếu sáng Dựng

mặt cầu S bao quanh O có bán kính R < OM

Đặt MB = b Lấy M làm tâm vẽ các mặt cầu 0, 1,

2, …) , k,…) có bán kính lần lượt là b, b + /2, b +

2/2, …) , b + k/2, …) ( là bước sóng phát ra từ M)

Các mặt cầu 0, 1, 2, …) , k,…) chia mặt cầu làm các đới gọi là đới cầu Fresnel

Đới cầu thứ k là phần mặt cầu S được giới hạn bởi 2 mặt cầu k-1 và k

k - 1

k

B

9.5 NHIỄU XẠ GÂY BỞI SÓNG CẦU QUA LỖ TRÒN

9.5.1 Đới cầu Fresnel (tiếp)

Ta thấy, khi k tăng thì đới càng xa M và góc

Hai đới cầu khác nhau sẽ gây ra tại M hai sóng có hiệu số pha là:

Gọi a là biên độ dao động sóng tổng hợp:

a a   a  a  a  a  a 

9.5 NHIỄU XẠ GÂY BỞI SÓNG CẦU QUA LỖ TRÒN

9.5.2 Nghiên cứu nhiễu xạ qua lỗ tròn gây bởi nguồn điểm gần

gửi sóng tới M, các đới còn lại bị màn chắn Giả

sử có n đới cầu không bị màn chắn  dao động

- Nếu n là chẵn thì tại M sẽ có cường độ sáng của sóng ánh sáng tổng hợp là cực tiểu

- Nếu n là lẻ thì tại M sẽ có cường độ sáng của sóng ánh sáng tổng hợp là cực đại

Vân nhiễu xạ qua một lỗ tròn

9.6 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNG QUA KHE HẸP.

CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

9.5.2 Nhiễu xạ qua một khe hẹp

Khe hẹp K có độ rộng AB = b Rọi sáng khe hẹp

bằng 1 chùm đơn sắc song song có bước sóng 

Qua khe K có tia nhiễu xạ theo nhiều phương

Tách các tia theo phương  nào đó, với mỗi 

khác nhau, chùm nhiễu xạ sẽ hội tụ tại 1 điểm

trong mặt phẳng màn quan sát Tùy theo góc , M

9.6 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNG QUA KHE HẸP CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

9.5.2 Nhiễu xạ qua một khe hẹp (tiếp)

Vị trí điểm sáng tối không phụ thuộc vào

vị trí khe Nếu dịch chuyển khe song

song với chính nó thì hình ảnh nhiễu xạ

không đổi

Tổng hợp của giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng

9.6 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNG QUA KHE HẸP.

CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

9.5.3 Nhiễu xạ qua nhiễu khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Xét hệ gồm N khe hẹp giống nhau nằm song song

với nhau trong mặt phẳng Dọi lên các khe chùm

sáng đơn sắc song song (gồm các tia kết hợp).

Gọi bề rộng khe là b, khoảng cách giữa 2 khe

liên tiếp là d Vì các khe có thể coi là các nguồn

kết hợp  ngoài hiện tượng nhiễu xạ gây ra bởi

1 khe còn có hiện tượng giao thoa gây bởi các

khe  ảnh nhiễu xạ trở nên phức tạp

Tại những điểm trên màn  thỏa mãn điều kiện:

9.6 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNG QUA KHE HẸP.

CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

9.5.3 Nhiễu xạ qua nhiễu khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Sự phân bố dao động sáng giữa 2 cực tiểu chính

Xét 2 tia xuất phát từ 2 khe liên tiếp Khi đến M có hiệu quang lộ

Tại F (k = 0, sin = 0) có cực đại chính giữa.

Vì d > b nên giữa 2 cực tiểu chính có thể có nhiều cực đại chính

9.6 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNG QUA KHE HẸP.

CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

9.5.3 Nhiễu xạ qua nhiễu khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Sự phân bố dao động sáng giữa 2 cực đại chính

Tại điểm nằm giữa các cực đại chính kế tiếp góc  thỏa mãn điều kiện:

Tại đây hiệu quang lộ của 2 tia gửi từ 2 khe liên tiếp có giá trị:

chưa chắc là điểm tối).

- Nếu N = 2  dao động do 2 khe gửi tới sẽ khử nhau  điểm giữa 2 cực đại chính là điểm tối.

9.6 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNG QUA KHE HẸP CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

9.5.3 Nhiễu xạ qua nhiễu khe hẹp Cách tử nhiễu xạ

Nguồn sáng

Ống chuẩn trực C

Thấu kính tiêu sắc

MỘT SỐ PHỔ NHIỄU XẠ