chuyên đề quang học chương 2 phân cực ánh sáng

Ngô Thị PhươngKhoa Vật lí Advanced Optics... + hướng đặc biệt này gọi là trục quang học + trục quang học là một hướng trong tinh thể, không phải là 1 hướng khác biệt.

TS Ngô Thị Phương

Khoa Vật lí

Advanced Optics

[1] Giáo trình quang h ọ c, Nguy ễ n Tr ầ n Trác – Di ệ p Ng ọ c Anh [2] Bài t ậ p quang h ọ c t ậ p 2

[1] Giáo trình quang h ọ c, Nguy ễ n Tr ầ n Trác – Di ệ p Ng ọ c Anh [2] Bài t ậ p quang h ọ c t ậ p 2

ph ươ ng trình Fresnel…

Ph ầ n 2: Phân c ự c qua môi tr ườ ng d ị h ướ ng

phân c ự c qua môi tr ườ ng d ị h ướ ng, b ả n tinh th ể m ỏ ng, các b ả n chuy ể n pha đặ c bi ệ t, ứ ng d ụ ng

Các hình th ứ c phân c ự c

Phân c ự c do h ấ p th ụ (polarization by absorption)

Phân c ự c do ph ả n x ạ (polarization by reflection)

Phân c ự c do tán x ạ (polarization by scattering)

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng (polarization in

anisotropic media)

Ph ầ n 2: Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Polarization in anisotropic media

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

B ả n tinh th ể m ỏ ng Các lo ạ i b ả n chuy ể n pha đặ c bi ệ t

Ứ ng d ụ ng c ủ a phân c ự c ánh sáng

Gi ớ i thi ệ u v ề Tensor

Tensor

Đị nh ngh ĩ a v ề Tensor

Theo từ điển Oxford:

Tensors are geometric objects that describe linear

Theo Wikipedia:

• Tensor là m ộ t phép toán t ươ ng t ự nh ư ng t ổ ng quát h ơ n 1 vector,

đượ c bi ể u di ễ n b ằ ng m ộ t dãy các thành ph ầ n, mà chúng hàm s ố theo

Ví d ụ v ề tensor trong v ậ t lí

• Dòng mật độ từ trường B, đơn vị là

Dòng cảm ứng từ H đơn vị là

• Hệ thức liên hệ giữa B và H thông qua độ từ thẩm µ, đơn vị là

Trong điện động lực học cổ điển

o Chân không: µ là vô hướng

B và H khác về độ lớn, cùng hướng

o Môi trường phức tạp:

µ biểu diễn dưới dạng 1 tensor

B và H khác cả về độ lớn và về hướng

S ứ c c ă ng bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng (vector x vector) (dyad)

S ứ c c ă ng bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng (vector x vector) (dyad)

Tensor b ậ c 2

• L ự c dF gây ra s ứ c c ă ng T ở di ệ n tích vi phân dS

Tensor đầ u tiên trong v ậ t lí

+ u là 1 vector , u i = ( u 1 , u 2 ,u 3 ) + σ ij là tensor b ậ c 2

2 3

( , u u u , )

u u u

Phân c ự c trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Polarization in anisotropic media Polarization in anisotropic media

Sóng lan truy ề n trong môi tr ườ ng

Ph ươ ng trình Maxwell t ổ ng quát

o Môi trường dị hướng

o Môi trường đẳng hướng

Giả sử môi trường không có từ tính

khi lan truy ề n trong môi tr ườ ng, sóng đ i ệ n t ừ t ạ o ra m ộ t s ự phân c ự c,

thêm vào s ư phân c ự c c ủ a chân không

Sóng lan truy ề n trong môi tr ườ ng

Môi tr ườ ng đẳ ng h ướ ng

• Nghi ệ m c ủ a PT Maxwell: bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng sóng ph ẳ ng

(các tr ườ ng khác có cùng d ạ ng bi ể u di ễ n )

• Ta thu đượ c:

Sóng đ i ệ n t ừ lan truy ề n trong môi tr ườ ng đẳ ng h ướ ng không

ph ụ thu ộ c vào s ự phân c ự c riêng

o Vector E và D song song và ngang

o Vector D và H tr ự c giao v ớ i nhau, ngang

o Vector Poynting R song song v ớ i vector sóng k

Câu h ỏ i: sóng đ i ệ n t ừ lan truy ề n trong môi

tr ườ ng d ị h ướ ng thì th ế nào?

tr ườ ng d ị h ướ ng thì th ế nào?

Phân c ự c trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Đ i ệ n tích trong v ậ t ch ấ t ngu ồ n g ố c c ủ a s ự phân c ự c

Trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng: độ c ứ ng c ủ a

các lò xo là khác nhau, ph ụ thu ộ c vào s ự đị nh

h ướ ng (c ủ a môi tr ườ ng)

Các h ố th ế t ĩ nh đ i ệ n l ư u gi ữ các h ạ t đ i ệ n tích không còn tính đố i x ứ ng

s ự phân c ự c c ủ a môi tr ườ ng không nh ấ t thi ế t cùng h ướ ng v ớ i

tr ườ ng tác độ ng

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng là gì?

Trục quang học

Tia thường Tia bất thường Tinh thể

Ánh sáng tới không phân cực

CaCO 3

Tinh thể cực

Ví d ụ : tinh th ể r ắ n, ch ấ t l ỏ ng…

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng ( anisotropic media): “an = not”, “iso=same”,

“tropic=direction” tính ch ấ t không nh ư nhau theo m ỗ i h ướ ng

K ế t qu ả : + H ệ s ố khúc x ạ ph ụ thu ộ c vào s ự phân c ự c

+ V ậ n t ố c ánh sáng ph ụ thu ộ c vào s ự phân c ự c

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng là môi tr ườ ng trong đ ó s ự lan truy ề n c ủ a sóng đ i ệ n

t ừ ph ụ thu ộ c vào tr ạ ng thái phân c ự c riêng c ủ a chúng

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng là môi tr ườ ng trong đ ó s ự lan truy ề n c ủ a sóng đ i ệ n

t ừ ph ụ thu ộ c vào tr ạ ng thái phân c ự c riêng c ủ a chúng

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng (anisotropic media)

Phân lo ạ i môi tr ườ ng d ị h ướ ng theo h ằ ng s ố đ i ệ n môi

Môi trường đẳng hướng chiết suất n

Môi trường dị hướng đơn trục (Oz)

Môi trường dị hướng lưỡng trục

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng là gì?

• Trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng ánh sáng chi ế u đế n m ộ t hay hai h ướ ng

đặ c bi ệ t mà h ệ s ố khúc x ạ nh ư nhau, độ c l ậ p v ớ i s ự phân c ự c c ủ a chúng.

+ hướng đặc biệt này gọi là trục quang học + trục quang học là một hướng trong tinh thể, không phải là 1 hướng khác biệt

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

S ự lan truy ề n trong tinh th ể đơ n tr ụ c

• D ọ c theo tr ụ c quang h ọ c, ánh sáng truy ề n theo 1 chi ế t su ấ t riêng – chi ế t su ấ t th ườ ng n 0

Phân cực khác thường

Phân cực thường

• Các h ướ ng truy ề n khác, có 2 lo ạ i ch ỉ s ố khúc x ạ

+ phân tích ánh sáng theo 2 thành phần phân cực

- 1 h ướ ng phân c ự c vuông góc v ớ i tr ụ c quang h ọ c

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Khúc x ạ đ ôi (double refraction)

• Tia sáng có phân c ự c vuông góc v ớ i tr ụ c quang h ọ c tia thường

• Tia sáng có phân c ự c th ẳ ng khác tia b ấ t th ườ ng

Sóng lan truy ề n trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng

D và B luôn tr ực giao với k

D và H tr ực giao

D và B luôn tr ực giao với k

D không song song v ớ i E

C ấ u trúc sóng ph ẳ ng lan truy ề n trong môi tr ườ ng

Sóng lan truy ề n trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Môi tr ườ ng d ị h ướ ng

M ặ t ph ẳ ng

sóng (B,D) M ặ t ph ẳ ng dao độ ng (E,B)

• Nh ư v ậ y: sóng đ i ệ n t ừ lan truy ề n trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng

ph ụ thu ộ c vào tr ạ ng thái phân c ự c c ủ a nó

R

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Các lo ạ i m ặ t ph ẳ ng đặ c tr ư ng

• Ellip chi ế t su ấ t (index elliipsoid) :

là mặt phẳng để biểu diễn những đặc trưng của hàm điện môi trong môi tr ườ ng

• M ặ t ph ẳ ng v ậ n t ố c (velocity surface) :

• M ặ t ph ẳ ng v ậ n t ố c (velocity surface) :

là m ặ t ph ẳ ng dùng để xây d ự ng s ự ph ả n x ạ và khúc x ạ c ủ a các tia sáng trong môi tr ườ ng d ị h ướ ng

• M ặ t ph ẳ ng chi ế t su ấ t (index surface) :

là mặt phẳng dùng để xác định hiệu quang lộ của một môi trường dị hướng

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Phân c ự c do môi tr ườ ng d ị h ướ ng

Tinh th ể đơ n tr ụ c

Tinh th ể đơ n tr ụ c d ươ ng Tinh th ể đơ n tr ụ c âm

Tr ụ c quang h ọ c

Cách v ẽ Huygens (Huygens construction)

• Qua ∆ vẽ mặt tiếp xúc với bề mặt sóng bất thường, điểm T e Nối IT e tia R e

• Vẽ bề mặt sóng tương ứng: + môi trường tới ω t ,

+ môi trường khúc xạ: sóng thường ω 0 , bất thường ω e

• Kéo dài tia tới, cắt bề mặt sóng tới tại T t

• Vẽ mặt tiếp xúc, cắt theo đường ∆

• Qua ∆ vẽ mặt tiếp xúc với bề mặt sóng thường, điểm T 0 Nối IT 0 tia R 0

Tia tới SI

Trục quang học AA’

B ả n tinh th ể m ỏ ng

• Phân c ự c c ủ a ánh sáng đượ c phân ra thành phân c ự c o và e

+ h ướ ng d ọ c theo tr ụ c o: tr ụ c nhanh

+ h ướ ng d ọ c theo tr ụ c e: tr ụ c ch ậ m

Bên trong bản tinh thể mỏng

B ả n tinh th ể m ỏ ng (wave retarder/wave plate)

là thi ế t b ị phân tích ánh sáng thành hai thành ph ầ n phân c ự c th ẳ ng tr ự c

giao và t ạ o ra m ộ t độ l ệ ch pha gi ữ a chúng

+ h ướ ng d ọ c theo tr ụ c e: tr ụ c ch ậ m

• Có 2 tia sáng truy ề n độ c l ậ p v ớ i nhau:

m ỗ i tia có 1 chi ế t su ấ t riêng và 1

h ướ ng truy ề n riêng

Hướng của trục quang học

Bản lưỡng chiết

B ả n tinh th ể m ỏ ng

Bài toán: sóng truy ề n vào b ả n m ỏ ng theo

ph ươ ng Oz

•Tr ườ ng đ i ệ n ở đầ u vào c ủ a b ả n tinh th ể m ỏ ng là:

+ Có 2 h ướ ng phân c ự c th ẳ ng tr ự c giao v ớ i nhau, ứ ng v ớ i

2 chi ế t su ấ t n x và n y

+ n ế u n x < n y : Ox g ọ i là tr ụ c nhanh và Oy g ọ i là tr ụ c ch ậ m

• Sau khi truy ề n qua b ả n m ỏ ng có độ dày e

•Tr ườ ng đ i ệ n ở đầ u vào c ủ a b ả n tinh th ể m ỏ ng là:

B ả n tinh th ể m ỏ ng

Đổ i v ề cùng g ố c th ờ i gian

Độ l ệ ch pha

• Gọi là bản sóng ( λ ): không tạo ra hiệu ứng

• Gọi là bản nửa sóng ( λ /2): chuyển đổi 1 phân cực thành 2 phân

cực đối xứng nhau qua 2 trục trung hòa (trục nhanh và trục chậm)

• Gọi là bản ¼ sóng ( λ /4): + chuyển đổi 1 phân cực thẳng

phân cực ellip,với 2 trục là 2 trục trung hòa của bản mỏng

+ chuyển đổi phân cực tròn phân cực thẳng

B ả n chuy ể n pha đặ c bi ệ t

Ứ ng d ụ ng c ủ a phân c ự c ánh sáng

Công ngh ệ tivi 3D

Ứ ng d ụ ng c ủ a phân c ự c ánh sáng

Kính mát

Ứ ng d ụ ng c ủ a phân c ự c ánh sáng

Nhi ế p ả nh

Kính phân c ự c l ọ c ánh sáng xanh c ủ a b ầ u tr ờ i và

t ă ng độ t ươ ng ph ả n v ớ i đ ám mây

Ứ ng d ụ ng c ủ a phân c ự c ánh sáng

Nhi ế p ả nh

Ứ ng d ụ ng c ủ a phân c ự c ánh sáng

Màn hình LCD

Bài t ậ p nhóm

1 Gi ả i thích hi ệ n t ượ ng

2 V ẽ tia khúc x ạ , ph ả n x ạ theo cách v ẽ Huygens

3 Bài toán

H ế t ch ươ ng 2