LUẬN văn sư PHẠM vật lý ỨNG DỤNG của GIAO THOA, NHIỄU xạ và PHÂN cực ÁNH SÁNG

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứuTRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM--- --- ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA, NHIỄU XẠ VÀ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Luận văn tốt nghiệp Ngành:

Trang 1

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM - -

ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA, NHIỄU XẠ VÀ

PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

Luận văn tốt nghiệp

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

ThS: Hoàng Xuân Dinh Phạm Thị Quyên

Giáo viên phản biện: Lớp: Sư phạm Vật lý _K30

ThS: Nguyễn Hữu Khanh Mã số SV: 1040141

TS: Nguyễn Thị Thu Thủy

Cần Thơ, 2008

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hoàng Xuân Dinh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để em có thể hoàn thành đề tài một cách tốt đẹp Và em cũng thành thật cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn vật lý cùng quý thầy cô khoa

sư phạm cũng như quý thầy cô trong thư viện khoa, thư viện trường, thư viện tỉnh đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em tìm kiếm tài liệu tham khảo, nghiên cứu, học hỏi Em xin chân thành ghi nhận những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô cùng các bạn vì qua đó em được mở mang kiến thức rất nhiều và học thêm nhiều bài học quý báu, bổ ích

Bên cạnh những gì đạt được trong quá trình làm đề tài, tất yếu sẽ vướng phải những thiếu sót rất nhiều vì kiến thức của em còn hạn chế Em kính mong quý thầy cô cùng các bạn hãy đóng góp ý kiến thêm để em có thể bổ sung kiến thức và có thể hoàn thành đề tài của mình một cách trọn vẹn hơn

Sau cùng em xin kính chúc tất cả quý thầy cô được dồi dào sức khỏe để tiếp tục dìu dắt đàn em mai sau ngày một giỏi hơn, tiến bộ hơn và không ngừng thành công hơn Kính chúc quý thầy cô an khang thịnh vượng, tràn ngập niềm thương và hạnh phúc

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Quyên

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Các giả thuyết của đề tài 1

3 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 2

4 Các bước thực hiện đề tài 2

PHẦN II: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: GIAO THOA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG 3

1.1 GIAO THOA ÁNH SÁNG 3

1.1.1 Cơ sở của quang học sóng 3

1.1.2 Điều kiện của hiện tượng giao thoa 5

1.1.3 Hiện tượng giao thoa của hai sóng ánh sáng kết hợp 5

1.1.4 Hiện tượng giao thoa khi dùng ánh sáng trắng 10

1.1.5 Giao thoa gây bởi các bản mỏng 10

1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA ÁNH SÁNG 12

1.2.1 Bộ lọc giao thoa 12

1.2.2 Khử ánh sáng phản xạ trên các mặt kính 13

1.2.3 Kiểm tra các mặt kính phẳng hay lồi 14

1.2.4 Đo chiết suất của chất lỏng và chất khí Giao thoa kế Rayleigh 15

1.2.5.Thiết bị giao thoa đo chiều dài Giao thoa kế Maikensơn 16

1.2.6 Giao thoa kế Fabry – Perot 19

1.2.7 Phương pháp chụp ảnh màu 20

1.2.8 Tạo ảnh nổi ba chiều bằng giao thoa Toàn ký 21

CHƯƠNG 2: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG 27

2.1 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 27

2.1.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 27

2.1.2 Nguyên lý Huygens – Fresnel 28

2.1.3 Phương pháp đới cầu Fresnel 39

2.1.4 Nhiễu xạ của sóng cầu (Nhiễu xạ Fresnel) 30

2.1.5 Nhiễu xạ của sóng phẳng (Nhiễu xạ Fraunhofer) 32

2.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 38

2.2.1 Đo bước sóng ánh sáng bằng cách tử 38

2.2.2 Máy quang phổ cách tử 39

2.2.3 Nhiễu xạ tia X 41

2.2.4 Ứng dụng cách tử nhiễu xạ đo dịch chuyển 44

Trang 4

2.2.5 Ứng dụng cách tử nhiễu xạ More 44

CHƯƠNG 3: PHÂN CỰC ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG 46

3.1 PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 46

3.1.1 Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực 46

3.1.2 Phương pháp tạo ánh sáng phân cực từ ánh sáng tự nhiên 48

3.1.3 Quỹ đạo vectơ cường độ điện trường của chùm sáng phân cực 50

3.1.4 Một số linh kiện phân cực ánh sáng 52

3.1.5 Hiện tượng quay mặt phẳng phân cực 54

3.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 56

3.2.1 Kính râm phân cực 56

3.2.2 Kính hiển vi phân cực 57

3.2.3 Xác định bề dày, chiết suất của các lớp màng M trên mặt vật liệu 60

3.2.4 Phân cực kế 60

3.2.5 Phân cực nhân tạo 62

3.2.6 Cảm biến quang điện tử 66

2.2.7 Một vài ứng dụng khác 67

PHẦN III: KẾT LUẬN 68

PHỤ LỤC 1 69

PHỤ LỤC 2 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Trang 5

+ Chương 1: Giao thoa ánh sáng và ứng dụng:

Trình bày nội dung lý thuyết giao thoa ánh sáng và một số ứng dụng của giao thoa ánh sáng trong kỹ thuật, trong sản xuất và đời sống như: bộ lọc giao thoa, máy giao thoa đo chiều dài tuyệt đối, xác định sai số của thước số, kiểm tra phẩm chất bề mặt của các mặt kính, khử ánh sáng phản xạ trên các mặt kính,…

- Phần kết luận:

Tổng kết lại những kết quả đạt được và những mặt hạn chế của đề tài, những

dự định sẽ làm trong tương lai

- Phần phụ lục

Trang 6

đó đã được đúc kết và kế thừa từ kho tàng tri thức của nhân loại, đó là kết quả nghiên cứu của cả một quá trình lao động không mệt mỏi của biết bao thế hệ các nhà khoa học thuộc mọi lĩnh vực; trong đó vật lý học đã góp phần không nhỏ cho sự phát triển chung của nền khoa học hiện đại

Vật lý học là một khoa học thực nghiệm, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật Trong thời đại ngày nay với sự phát triển một cách nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, thì những ứng dụng của vật lý học ngày càng đóng vai trò quan trọng

Quang học - một lĩnh vực của vật lý học - là môn học nghiên cứu về ánh sáng Với

sự phát triển của vật lý học về sau đã chứng tỏ rằng: ánh sáng vừa có tính chất sóng,

vừa có tính chất hạt Tính chất sóng của ánh sáng thể hiện qua các hiện tượng như: giao

thoa, nhiễu xạ, phân cực ánh sáng,…; còn các hiện tượng khác như: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton,… lại thể hiện tính chất hạt của ánh sáng

Ngày nay ngoài việc nghiên cứu các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, và phân cực ánh sáng thì việc nghiên cứu những ứng dụng của chúng trong kỹ thuật, trong sản xuất

và đời sống là việc rất quan trọng và cần thiết… Vì vậy tôi đã quyết định chọn đề tài:

“Ứng dụng của giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng” Việc chọn đề tài này cũng

nhằm để bổ sung thêm kiến thức khoa học và những ứng dụng thực tiễn, đồng thời giúp ích phần nào cho công tác giảng dạy của tôi sau này

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Thế nào là giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng?

- Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng được ứng dụng như thế nào trong kỹ thuật, trong sản xuất và đời sống?

Do đó, nội dung nghiên cứu của tôi có thể gồm hai phần:

+ Nghiên cứu lý thuyết về giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng

+ Nghiên cứu các ứng dụng của giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng

Trang 7

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với các phương pháp sau:

 Tổng hợp lý thuyết về giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh sáng

 Nghiên cứu ứng dụng của các hiện tượng: Tìm các tài liệu có liên quan, đọc vàtổng hợp

3.2 Phương tiện thực hiện đề tài

 Tài liệu tham khảo: Sách, bài giảng, Luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ internet

 Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn, các bạn

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

Bước 2: Tìm các tài liệu có liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu, tham khảo ý kiến từ các thầy cô, bạn bè

Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn

Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện; tham khảo ý kiến và chỉnh sửa

Bước 5: Viết luận văn hoàn chỉnh

Bước 6: Báo cáo luận văn

Trang 8

PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIAO THOA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG

E được gọi là dao động sáng

Nếu tại O phương trình dao động sáng là:

t a

a

cos ) ( cos

trong đó:  là thời gian ánh sáng truyền từ O đến M

Lc là quang lộ trên đoạn đường OM

cT là bước sóng ánh sáng trong chân không

Phương trình (1.1) gọi là hàm sóng của ánh sáng

1.1.1.2 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

Cường độ sáng tại một điểm tỉ lệ với bình phương biên độ dao động sáng tại điểm đó:

2

Ika

trong đó k là hệ số tỉ lệ

Khi nghiên cứu hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ…, ta chỉ cần so sánh cường

độ sáng tại các điểm khác nhau mà không cần tính cụ thể giá trị của cường độ sáng, do

đó có thể quy ước lấy k = 1, và :

Trang 9

“Mỗi điểm của môi trường mà mặt đầu sóng đạt đến có thể xem như những tâm phát sóng bán cầu thứ cấp và bao hình của các sóng bán cầu này là mặt đầu sóng mới ”.

Khi vẽ mặt đầu sóng cần lưu ý rằng tia sáng là một họ các đường thẳng vuông góc với mặt đầu sóng

* Đối với sóng cầu :

Trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng có một nguồn sóng O phát ra sóng cầu (Hình 1-1) Tại thời điểm t, ta có mặt sóng cầu S1 Theo nguyên lý Huyghen, ta xem các điểm của mặt sóng S1 như những nguồn thứ cấp Tại thời điểm t + t, các sóng cầu thứ cấp do các nguồn thứ cấp này tạo ra có cùng bán kính là vt Mặt sóng cầu S2

bao hình của sóng thứ cấp này

* Đối với sóng phẳng:

Trong hình 1-2, chùm tới là sóng phẳng, có mặt đầu sóng AB, đập vào mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất là n1 và n2 dưới góc tới i1 Mặt đầu sóng trong môi trường thứ hai sẽ là bao hình của những sóng bán cầu thứ cấp có tâm nằm trên mặt phân cách giữa hai môi trường

Do i1 0 nên các điểm của mặt đầu sóng AB không đến mặt phân cách giữa hai môi trường cùng lúc Vì vậy, sóng thứ cấp tại điểm A luôn xảy ra sớm hơn tại điểm C Kết quả ta có mặt đầu sóng mới (khúc xạ) là mặt đầu sóng DC

1.1.1.4 Nguyên lý chồng chất

“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 ánh sáng vẫn truyền đi như cũ, còn tại điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng các dao động sáng thành phần”.

Nguyên lý chồng chất chỉ đúng đối với các sóng ánh sáng có cường độ yếu (ánh sáng do nguồn thông thường phát ra) Nguyên lý chồng chất là nguyên lý cơ bản để nghiên cứu hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ

1.1.2 Điều kiện của hiện tượng giao thoa

Giả sử điểm M của môi trường nhận hai dao động cùng phương, cùng tần số:

Hình 1-1: Mặt đầu sóng của sóng cầu Hình 1-2: Mặt đầu sóng của sóng khúc xạ

Trang 10

  12 không phụ thuộc thời gian

Khi đó a2 a12 a222a1a2cos Năng lượng tổng hợp không bằng tổng năng lượng thành phần, có thể nhỏ hoặc lớn hơn tùy thuộc vào vị trí M trong môi

trường Hai dao động này gọi là hai dao động kết hợp Nguồn sóng tạo ra hai sóng kết

hợp gọi là nguồn kết hợp Sự tổng hợp hai dao động kết hợp trong trường hợp trên

gọi là sự giao thoa.

  12 biến thiên theo thời gian Nếu xét trong một chu kỳ, năng lượng tổng hợp:

2 2

2 1

a   vì T a a dt 

0 2

1.1.3 Hiện tượng giao thoa của hai sóng ánh sáng kết hợp

Hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau tại một miền nào đó của không gian mà tại miền đó ta thấy có những dải sáng và tối xen kẽ nhau gọi là sự giao thoa ánh sáng Thực nghiệm cho thấy rằng chỉ có những sóng phát ra từ những nguồn kết hợp mới có thể tạo ra hiện tượng giao thoa

1.1.3.1 Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp

Nguyên tắc tạo ra hai sóng kết hợp là từ một sóng duy nhất tách ra thành hai sóng riêng biệt Để tạo ra các sóng kết hợp, người ta dùng các dụng cụ sau:

a) Khe Yâng

Một nguồn điểm S (hay khe sáng hẹp) chiếu vào hai lỗ tròn nhỏ S1 và S2 Hai lỗ

S1 và S2 được chiếu sáng từ cùng một nguồn điểm S nên được xem là hai nguồn kết hợp (Hình 1-3)

Trang 11

E

M

P

Hai sóng nhiễu xạ qua hai

lỗ này sẽ giao thoa với nhau và

ta quan sát hệ vân trên màn E

đặt phía sau màn (P) chứa S1 và

S2 và song song với (P) Vì màn

E có thể đặt bất cứ chỗ nào trên

trường giao thoa cũng đều

quan sát được hệ vân nên loại

vân giao thoa này được gọi là

vân giao thoa không định xứ.

b) Gương Frêxnen

Ánh sáng phát ra từ một nguồn điểm S chiếu vào hai gương phẳng IM và IN tạo với

nhau một góc  bé Như vậy ta sẽ có hai ảnh

ảo S1 và S2 của nguồn điểm S Chúng nằm gần

nhau và là hai nguồn kết hợp Ánh sáng phản xạ

trên hai gương tựa như xuất phát từ hai nguồn

kết hợp S1 và S2, chồng lên nhau một phần tạo

nên trường giao thoa (Hình 1-4) Màn ảnh E đặt

trong trường giao thoa sẽ quan sát được vân

giao thoa Vân giao thoa này cũng là vân giao

thoa không định xứ.

c) Lưỡng lăng kính Frêxnen

Hai lăng kính A1 và A2 có góc chiết quang  bé (<100) được ghép đáy với nhau

Song song với đáy và cách nó một đoạn a ta đặt

một nguồn điểm S (Hình 1-5) Vì góc tới của

các tia đến lăng kính bé, do đó tất cả các tia bị

lệch với một góc gần như nhau   (n 1) cho

nên có thể coi như các tia xuất phát từ hai

nguồn ảo S1 và S2 S1 và S2 được xem là hai

nguồn điểm kết hợp Hai chùm tia tựa như xuất

phát từ S1 và S2 có một phần chồng lên nhau tạo

thành trường giao thoa Vân giao thoa này cũng

Hình 1-4: Gương Frêxnen Hình 1-3: Khe Yâng

QOP

EN

P O QI

Trang 12

S qua gương S và S’ được coi là hai nguồn kết hợp Hệ vân quan sát trên màn E chỉ có

một nửa ở phía trên mặt gương M và vân giao thoa này cũng không định xứ.

1.1.3.2 Sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát

Giả sử có hai nguồn sóng kết hợp S1, S2 phát ra hai sóng kết hợp cùng tần số, cùng phương (hình 1-7):

2 2

Đối với các sóng kết hợp hiệu số pha ban đầu ( 1 2) không đổi, do đó cường

độ sáng tại M chỉ phụ thuộc vào hiệu các đường truyền r1 và r2 của hai sóng đến điểm

M Nếu  1 2 0 thì cường độ sáng tại M:

G

E

SS’

I

OM

Trang 13

trong đó:  2 ( r2 r1 )





Trường hợp 1:  2k hay r2 r1 k với k là số nguyên gọi là bậc giao thoa

thì cường độ sáng tại M có giá trị cực đại:

2

ax 4

m

I  a Vậy cường độ sáng sẽ cực đại ở những điểm mà tại đó hiệu lộ trình của ánh sáng bằng một số nguyên lần bước sóng hay hiệu số pha sóng tới bằng một số chẵn của  Trường hợp 2:   (2k 1) hay 2 1 (2 1)

Như vậy cường độ sáng sẽ cực tiểu tại những điểm mà hiệu lộ trình bằng một số

lẻ của nửa bước sóng hay hiệu số pha của các sóng tới bằng một số lẻ của .

Trong trường hợp biên độ của các sóng thành phần không bằng nhau:

Hình 1-8: Biểu diễn sự biến thiên của I theo  tuân theo hàm số (1.2)

Trang 14

Hình 1-10

Chúng ta đã khảo sát trường hợp đơn giản nhất là cả hai sóng đều truyền trong

chân không (n = 1 và  0)

Nếu hai sóng truyền trong môi trường có chiết suất n1và n2 thì ta phải dùng khái

niệm hiệu quang trình (hiệu các tích r i n i) thay cho hiệu đường truyền của hai sóng Trong trường hợp này, hiệu số pha của hai sóng được viết dưới dạng:

 =



2

(r 2 n 2 – r 1 n 1 )

trong đó : (r 2 n 2 – r 1 n 1) là hiệu quang trình

Khi hiệu quang trình tính đến một điểm nào đó bằng không, tức là r 2 n 2 = r 1 n 1 thì tại đó ta sẽ quan sát được cực đại giao thoa

1.1.3.3 Hình dạng vân giao thoa

Theo hình học giải tích, quĩ tích của những điểm trong không gian có hiệu số các khoảng cách tính từ chúng đến hai điểm cố định cho trước bằng một số không đổi là một mặt hyperbôlôit tròn xoay, có hai tiêu điểm là hai điểm cố định đó

Quĩ tích của những điểm trong không gian có cùng một cường độ sáng cực đại

thỏa mãn điều kiện: d 2 – d 1 = k = hằng số, là một họ mặt hyperbôlôit có hai tiêu điểm

là S1 và S2 nằm đối xứng với nhau qua mặt phẳng trung trực ứng với k = 0 (Hình 1-9).

Quĩ tích của những điểm trong không gian có cùng một cường độ sáng cực tiểu

thỏa mãn điều kiện: d 2 – d 1 = (2k + 1)

2

 = hằng số, là một họ mặt hyperbôlôit khác xen

giữa họ mặt ứng với các cực đại giao thoa

1.1.3.4 Vị trí vân giao thoa

từ vân sáng thứ k (giả sử tại M) đến

vân sáng trung tâm tại C

Hình 1-9

Trang 15

Kẻ O1H vuông góc với r 2 Vì màn quan sát đặt xa và a << r 1 , r 2, do đó có thể coi

Ta thấy các vân sáng và vân tối xen kẽ và cách đều nhau

Khoảng cách giữa 2 vân sáng hoặc 2 vân tối liên tiếp nhau gọi là khoảng vân:

1.1.4 Hiện tượng giao thoa khi dùng ánh sáng trắng

Giả sử hai nguồn S1 và S2 là hai nguồn phát ra ánh sáng trắng (gồm các ánh sáng đơn sắc từ màu tím đến màu đỏ có bước sóng từ 0,4m đến 0,76m) Khi đó mỗi ánh sáng đơn sắc cho ta một hệ thống vân có màu là màu của ánh sáng đơn sắc đó

Tất cả các hệ thống vân này đều có vân sáng trung tâm tại O, cho nên tại O ta quan sát được vân màu trắng

1.1.5 Giao thoa gây bởi các bản mỏng

1.1.5.1 Vân giao thoa có cùng bề dày

Gương phẳng G2 phản xạ mặt trên và gương bán thấu G1 phản xạ mặt dưới tạo thành gương góc  Giữa hai gương tạo thành nêm không khí (hình 1-11).

Khi rọi chùm sáng song song với góc tới nhỏ vào nêm sẽ có hai chùm phản xạ trở lại Xét tia SI của chùm, tia này đi vào gương G1, đến M nó tách thành hai: một phần phản xạ tại M cho tia NL, một phần truyền qua nêm không khí, phản xạ trên mặt gương

G2, trở về M ra ngoài theo hướng MIS Như vậy tại M sẽ có sự gặp nhau của hai tia phản xạ trên hai mặt nêm Hai chùm tia phản xạ giao thoa với nhau hình thành hệ thống

vân sáng tối Mỗi vân được hình thành do những điểm phản xạ có cùng vị trí d Hệ vân

như vậy gọi là vân giao thoa cùng bề dày.

Trang 16

Hiệu quang lộ của hai chùm tia được xác định theo: ( ) 2

Bề dày d tăng tỷ lệ thuận với chiều cao h nên khoảng cách giữa các vân sáng tối

đều nhau Hệ vân như vậy còn được gọi là hệ vân Fizau.

Nếu thay G1 bằng mặt cầu (hình 1-12) ta nhận được hệ vân Fizau Hệ vân này

gồm các vòng tròn sáng tối xen kẽ nhau gọi là vân tròn Newton.

1.1.5.2 Vân giao thoa có cùng độ nghiêng

Hình 1-11: Nêm không khí – Vân cùng độ dày

Hình 1-12: Thí nghiệm về vân tròn Newton

Hình 1-13: Vân cùng độ nghiêng

d

i

DB

nS

Trang 17

Cho bản mỏng có bề dày không đổi d, chiết suất n (hình 1-13) Rọi sáng bản bằng

một nguồn sáng rộng Xét một chùm song song đập lên bản dưới góc tới i Mỗi tia của

chùm khi đập lên bản sẽ tách thành hai: một phần phản xạ ngay ở mặt trên, còn một phần đi vào bản mỏng, phản xạ ở mặt dưới, đi lên trên và ló ra ngoài Khi ra ngoài không khí hai tia phản xạ song song với nhau và giao thoa với nhau ở vô cực

Hiệu quang lộ của hai tia đó là:

Dùng một thấu kính hội tụ đưa hệ vân giao thoa về mặt phẳng tiêu của thấu kính,

ta thu được hệ vân là những vòng tròn đồng tâm sáng tối xen kẽ nhau Hệ vân này được

gọi là vân giao thoa cùng độ nghiêng hay vân tròn Haiđing.

1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA ÁNH SÁNG

1.2.1 Bộ lọc giao thoa

Bộ lọc giao thoa được cấu tạo từ bản thủy tinh quang học phủ vật liệu lưỡng cực điện thành lớp dày hoặc một phần hai hoặc một phần tư bước sóng Chúng có vai trò ngăn cản hoặc tăng cường có chọn lọc sự truyền các dải bước sóng đặc biệt qua sự kết hợp của giao thoa ánh sáng (Hình 1-14).Các bộ lọc được thiết kế để cho truyền qua một phạm vi có giới hạn bước sóng được tăng thêm sức mạnh bởi sự giao thoa tăng cường giữa sóng ánh sáng truyền qua và sóng ánh sáng phản xạ Các bước sóng không được chọn bởi bộ lọc không tăng cường lẫn nhau, và bị loại bỏ bởi sự giao thoa triệt tiêu hoặc

bị phản xạ ra xa bộ lọc

Vật liệu lưỡng cực điện thường dùng trong các bộ lọc giao thoa là các muối kim loại không dẫn điện và kim loại nguyên chất có giá trị chiết suất nhất định Các muối như kẽm sunfit, natri nhôm florit, và magiê florit, cũng như các kim loại (như nhôm,…)

Hình 1-14: Nguyên lý lọc giao thoa

Trang 18

và một vài vật liệu chọn lọc khác được sử dụng cho việc thiết kế và chế tạo những bộ lọc thuộc loại này Việc chọn lọc bước sóng phụ thuộc vào chiều dày lớp lưỡng cực điện

và chiết suất của lớp mỏng phủ bên ngoài dùng chế tạo nên bộ lọc

Các lớp phủ ngoài bộ lọc giao thoa được chế tạo theo từng đơn vị gọi là khoang, mỗi khoang chứa bốn hoặc năm lớp lưỡng cực xen kẽ, các khoang phân cách nhau bởi lớp phân cách Số lượng khoang xác định độ chính xác toàn thể của việc chọn lọc bước sóng Hiệu suất lọc và chọn lọc bước sóng có thể làm tăng đột ngột bằng cách tăng số lượng khoang, ví dụ như bộ lọc hiệu suất cao hiện nay có tới 10 – 15 khoang

Những bộ lọc có tính chọn lọc cao này đã kích thích nghiên cứu truy tìm những loại thuộc thuốc nhuộm fluorophore mới, và đột ngột đẩy mạnh việc tìm kiếm các biến thể đột biến của protein hoạt tính sinh học phổ biến huỳnh quang màu xanh lá cây (GFP)

1.2.2 Khử ánh sáng phản xạ trên các mặt kính

Một trong những ứng dụng thực tế của hiện tượng giao thoa là sự khử phản xạ các mặt

kính Khi một chùm sáng rơi vào mặt thấu kính

hay lăng kính thì một phần ánh sáng bị phản xạ

trở lại Ánh sáng phản xạ này làm cho ảnh thu

được qua các dụng cụ trên bị mờ Ngoài ra, ánh

sáng phản xạ từ các dụng cụ quang học dùng

trong quân sự có thể làm lộ mục tiêu Vì vậy

trong nhiều trường hợp cần phải khử ánh sáng

phản xạ các mặt kính

Để khử phản xạ, mặt trước của thấu kính được phủ một màng mỏng chất trong suốt đặc

biệt (hình 1-15) Khi đó tia tới bị phản xạ hai lần:

trên mặt phân cách không khí - màng mỏng,

màng mỏng - thấu kính Chiết suất n và bề dày d của màng được chọn sao cho hai tia

phản xạ ngược pha nhau Lúc đó hai tia phản xạ sẽ làm tắt lẫn nhau và không còn ánh sáng phản xạ nữa

Để hai tia phản xạ ngược pha nhau thì bề dày d của màng mỏng phải thỏa điều

kiện:

0

d n

tk

n n

Thủy tinh Không khí

Hình 1-15: Khử ánh sáng phản xạ

Trang 19

Công thức (1.3) chứng tỏ không thể khử được tất cả các ánh sáng phản xạ có

bước sóng khác nhau Trong thực tế thường chọn bề dày d để công thức (1.3) thỏa mãn

với ánh sáng màu lục có bước sóng 0 0,555 m là ánh sáng nhạy nhất đối với mắt người.(Hoàng Xuân Dinh: Bài giảng quang học, năm 2002, trang 23)

1.2.3 Kiểm tra phẩm chất các mặt quang học

Mặt quang học có thể hiểu là những mặt gương, mặt thấu kính, lăng kính,… Phẩm chất các mặt quang học có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng và độ sáng của ảnh

Vì vậy trong những dụng cụ quang học tinh vi, các mặt quang học không được có những vết xước hoặc chỗ gồ ghề quá 1/10 bước sóng Kính hiển vi tốt nhất cũng không thể phát hiện những sai sót bé như vậy, do đó phương pháp tốt nhất để kiểm tra phẩm chất các mặt quang học là phương pháp giao thoa Từ lâu phương pháp này đã được dùng rộng rãi trong ngành công nghiệp cơ khí quang học

Để kiểm tra xem một mặt kính có thật phẳng hay không người ta dùng một tấm kính mẫu thật phẳng và đặt tấm kính cần kiểm tra nghiêng trên tấm kính mẫu một góc rất nhỏ Như vậy ta đã tạo ra một nêm không khí giữa hai tấm kính Rọi lên nêm một chùm ánh sáng đơn sắc (hình 1-16) Nếu mặt kính cần kiểm tra thật phẳng thì các vân giao thoa là những đoạn thẳng song song Nếu mặt kính không bằng phẳng thì tại những chỗ lồi lõm vân giao thoa bị cong đi, do đó ta biết những chỗ lồi lõm để sửa chữa (hình 1-16 )

Để kiểm tra một mặt kính lồi có đúng mặt cầu hay không (thí dụ mặt lồi của thấu kính) ta cũng đặt mặt cần kiểm tra lên một tấm kính mẫu thật phẳng, rồi rọi lên một chùm ánh sáng đơn sắc Nếu mặt cần kiểm tra đúng là mặt cầu thì các vân giao thoa Niutơn là các vòng tròn, nếu sai lệch ở chỗ nào thì chỗ đó vân Niutơn sẽ bị méo mó (Hình 1-17)

Hình 1-16: Kiểm tra các mặt kính phẳng

Trang 20

Kết quả kiểm tra bằng phương pháp giao thoa giúp ta sửa chữa được những sai lệch rất nhỏ vào cỡ 0,03m đến 0,003m

Để kiểm tra phẩm chất các mặt quang học người ta dùng vi giao thoa kế Linhit (xem mục 1.2.5.2)

1.2.4 Đo chiết suất của chất lỏng và chất khí Giao thoa kế Rayleigh

Giao thoa kế Rayleigh thường được dùng để đo chiết suất của các chất khí có giá trị rất gần đơn vị hoặc để khảo sát sự biến thiên của chiết suất chất khí theo áp suất và nhiệt độ

Sơ đồ giao thoa kế Rayleigh được biểu diễn trên hình 1-18 Hai ống T1 và T2

hoàn toàn giống nhau được đặt sau hai khe Young S1 và S2 và được chiếu bằng chùm ánh sáng song song cho bởi ống chuẩn trực SL1 Vân giao thoa xuất hiện trên tiêu diện của thấu kính L2 và được quan sát bằng thị kính OT

Giả sử hai ống T1 và T2 đều chứa cùng một chất khí cần nghiên cứu ở áp suất và nhiệt độ như nhau Khi đó quang trình của hai chùm tia giao thoa bằng nhau: vân sáng trung tâm của hệ vân nằm đúng chính giữa thị trường của máy và được đánh dấu bằng dây chữ thập trong thị kính Ta rút hết khí trong ống T2 chẳng hạn, thì hệ vân sẽ bị dịch chuyển về phía có ống T1 Khi đó hiệu quang trình của hai chùm tia giao thoa là:

 1

   (L là độ dài của mỗi ống T1 và T2)

Sự thay đổi của hiệu quang trình làm dịch chuyển hệ vân Khi quang trình thay đổi một lượng r hệ vân sẽ dịch chuyển một khoảng :

d 

Do đó, số khoảng vân đã dịch chuyển là :

Hình 1-18: Giao thoa kế Rayleigh

Trang 21

 (p có thể là số nguyên hoặc không nguyên)

Bây giờ nếu ta cho khí từ từ trở lại thì hệ vân cũng từ từ trở về vị trí cũ và ta có thể đếm số khoảng vân p chạy qua dây chữ thập trong thị trường của máy Như vậy đếm được p, biết được L và , ta tính được n theo công thức :

Tức là đo được độ biến thiên rất bé

1.2.5.Thiết bị giao thoa đo chiều dài Giao thoa kế Maikensơn

1.2.5.1 Nguyên lý giao thoa kế Maikensơn

.Hình 1-19 mô tả nguyên lý cấu tạo giao thoa kế Maikensơn

Ánh sáng từ nguồn O rọi tới một bản thủy tinh T dưới góc tới 450; bản này

có hai mặt song song, một mặt được

tráng một lớp bạc rất mỏng để ánh sáng

vừa có thể truyền qua vừa có thể phản xạ

(gương bán thấu, còn gọi là bản chia

sáng)

Chùm sáng từ nguồn gặp gương bán thấu T chia thành hai chùm thành

phần: Chùm phản xạ ở lớp bán thấu T

qua bản K (bản bổ chính) rồi phản xạ

trên gương G1 đặt vuông góc với trục

quang, chùm sáng trở lại lớp bán thấu

của T Chùm qua T phản xạ trên gương

G2 đặt nghiêng góc nhỏ, chùm này trở lại

lớp bán thấu của T để giao thoa với

chùm thứ nhất Mắt quan sát được các vân giao thoa định sứ sau lớp bán thấu T Bản K được sử dụng để cân bằng quang lộ hai chùm thành phần Ảo ảnh G2’ tạo với gương G1nêm không khí (hình 1-19)

Nguyên lý giao thoa kế Maikensơn vận dụng cả hai khả năng: tạo vân cùng bề dày và vân cùng độ nghiêng Khi hai gương lập với nhau một góc phù hợp với giao thoa

cùng bề dày (hình 1-11) có hệ vân Fizau Khi chỉnh để hai gương song song với nhau phù hợp với giao thoa cùng độ nghiêng (hình 1-13) có các vân Haiđing (Hoàng Hồng Hải – Trần Định Tường: Quang kỹ thuật NXB khoa học và kỹ thuật, trang 196)

Hình 1-19: Nguyên lý giao thoa kế Maikensơn

Trang 22

Những đặc trưng kỹ thuật của một giao thoa kế Maikensơn được trình bày trong

phụ lục 1.

1.2.5.2 Vi giao thoa kế Linhit

Viện sĩ Linhit đã dùng nguyên tắc hoạt động của giao thoa kế Maikensơn để chế tạo nên “vi giao thoa kế” và gọi là vi giao thoa kế Linhit Nó là giao thoa kế Maikensơn kích thước nhỏ, mà kính ngắm là một kính hiển vi thông thường (hình 1-20) Dụng cụ này rất nhạy, cho phép kiểm tra phẩm chất các mặt quang học, phát hiện những vết xước trên mặt sản phẩm có độ sâu chừng 10-7m

(Huỳnh Huệ: Quang học NXB Giáo Dục, trang 65)

1.2.5.3 Máy giao thoa đo chiều dài tuyệt đối

Giao thoa kế Maikensơn có thể đo chiều dài với độ chính xác rất cao

Muốn đo chiều dài của một vật nào đó ta dịch chuyển một gương(gương G2

chẳng hạn) từ đầu này sang đầu kia của vật và đếm số vân dịch chuyển (hình 1-21)

Khi dịch chuyển gương song song với chính nó dọc theo tia sáng một đoạn

2

 thì

hiệu quang lộ của hai tia thay đổi là  và hệ thống vân dịch chuyển đi một khoảng vân

Hình 1-21: Máy giao thoa đo chiều dài

Hình 2-20: Vi giao thoa kế Linhit

G2

G1

Kính hiển vi

Trang 23

Nếu hệ thống vân dịch chuyển đi m khoảng vân thì chiều dài của vật cần đo là:

2

l m 

Nhờ giao thoa kế Maikensơn có thể so sánh chiều dài của mét mẫu so với bước sóng ánh sáng, đó là một trong những cơ sở để định nghĩa mét qua bước sóng ánh sáng

(Lương Duyên Bình: Vật lý đại cương, tập 3, phần 1, NXB Giáo Dục, trang 42)

Mét là độ dài bằng 1650763,13 bước sóng trong chân không của ánh sáng đỏ - da cam của Kriptôn 86 (86Kr) (Huỳnh Huệ: Quang học, NXB Giáo Dục, trang 67)

1.2.5.4 Máy giao thoa xác định sai số của thước số

Hình 1-22 là sơ đồ quang của máy giao thoa xác định sai số của các thước đo thiết kế theo nguyên lý Maikensơn Hệ vân giao thoa được hình thành do giao thoa hai chùm sáng phản xạ từ G2 và G1 Xe đo dịch chuyển thước theo khoảng cách mỗi vạch nhờ kính hiển vi quan sát M Độ lệch hệ vân với chuẩn là sai số của từng vạch trên

thước (Hoàng Hồng Hải – Trần Định Tường: Quang kỹ thuật NXB khoa học và kỹ

thuật, trang 197)

1.2.5.5 Máy giao thoa xác định dịch chuyển bằng chùm laser

Hình 1-22: Máy giao thoa chuẩn thước

Hình 1-23: Đo dịch chuyển độ dài bằng giao thoa kế Laser

Trang 24

Hình 1-23 là sơ đồ quang của máy giao thoa xác định sai số của các thước đo thiết kế theo nguyên lý Maikensơn sử dụng chùm sáng laser Hệ vân giao thoa được hình thành tại tiêu diện thứ hai vật kính VK1 Chùm laser được phân thành hai chùm tại lớp bán thấu T Chùm thứ nhất phản xạ ở lớp bán thấu T, đi tới gương cầu G2 rồi trở lại vào vật kính VK1 Chùm thứ hai qua bán thấu T, đến gương cầu G1 rồi trở lại và phản xạ trên T vào vật kính VK1 và tạo hệ vân giao thoa trên F’ Xe đo dịch chuyển thước theo khoảng cách mỗi vạch Nhờ bộ đếm vạch thước và bộ đếm vân xác định vị trí tức thời của thước Nhờ đó xác định được khoảng cách giữa hai vị trí tức thời (Hoàng Hồng Hải – Trần Định Tường: Quang kỹ thuật, NXB khoa học và kỹ thuật, trang 198)

Ngoài ra cũng chính nhờ giao thoa kế Maikensơn, ông Maikensơn đã hoàn thành một thí nghiệm nổi tiếng: xác định tính bất biến của vận tốc ánh sáng đối với các hệ quy

chiếu, một trong các tiên đề của thuyết tương đối Anhxtanh (Lương Duyên Bình: Vật lý

đại cương, tập 3, phần 1, NXB Giáo Dục, trang 42)

1.2.6 Giao thoa kế Fabry – Perot

Giao thoa kế Fabry – Perot do Charles Fabry và Alfred Perot chế tạo lần đầu tiên vào cuối thế kỷ XIX đóng vai trò khá quan trọng trong quang học hiện đại Ngoài việc là một dụng cụ quang phổ học có năng suất phân giải cực cao, nó còn được dùng làm buồng cộng hưởng quang học laser, làm bộ lọc tần số ánh sáng có tính chọn lọc cao

Giao thoa kế Fabry – Perot gồm hai mặt phẳng song song có độ phản xạ cao, đặt cách nhau một khoảng nhất định Đó có thể là hai gương bán mạ đặt song song cách

nhau một khoảng d trong không khí (Khi sử dụng trong quang phổ học khoảng cách d

vào khoảng vài milimet đến vài centimet, khoảng cách này lớn hơn nhiều khi dùng làm buồng cộng hưởng laser); hoặc một tấm thạch anh hai mặt song song, đánh bóng hoặc

mạ bạc cũng có thể dùng làm một mẫu Febry – Perot

* Nguyên tắc hoạt động

Sơ đồ nguyên tắc của giao thoa kế Fabry – Perot được thể hiện trên hình 1-24

Hình 1-24: Giao thoa kế Fabry – Perot

a) Đường đi của các tia sáng b) Sơ đồ nguyên tắc

Trang 25

Chiếu ánh sáng đơn sắc tới các mặt E1, E2 thì có một phần ánh sáng khúc xạ và một phần ánh sáng bị phản xạ trở lại (hình 1-24a) Ta có thể quan sát thấy sự giao thoa của nhiều tia phản xạ r1, r2,… và sự giao thoa của nhiều tia khúc xạ t1, t2,…

Xét hiệu quang lộ của hai tia ló ra liên tiếp là tia t1 và tia t2:

JH KL JK



Ta dễ dàng suy ra hiệu quang lộ của hai tia ló ra liên tiếp là:

r nd

l 2 cos



Nếu hiệu quang lộ này bằng một số nguyên lần bước sóng thì giao thoa sẽ được tăng cường Vân giao thoa định xứ ở vô cực hay ở mặt phẳng tiêu của thấu kính hội tụ Vậy điều kiện để có giao thoa tăng cường của các sóng là:



m r

ndcos  2

Ảnh của các vân giao thoa cũng là những vòng tròn đồng tâm trên mặt phẳng tiêu của thấu kính (hình 1-24b)

Khi quan sát giao thoa của chùm truyền qua, các vân sáng hẹp nổi lên trên một nền tối rất dễ quan sát Ngược lại, trong giao thoa của chùm phản xạ, ta sẽ quan sát được các vân tối hẹp trên nền sáng Vì vậy trong thực tế, người ta thường sử dụng giao thoa

với ánh sáng truyền qua (Nguyễn Thế Bình: Quang phổ học thực nghiệm, NXB Giáo

bụng, biên độ dao động sóng cực đại, vì

vậy sau khi hiện hình phim, các mặt phẳng

Trang 26

  là được khuếch đại, thành thử ánh sáng phản xạ có màu đã chụp (Lương Duyên

Bình: Vật lý đại cương, tập 3, phần 1, NXB Giáo Dục, trang 30)

1.2.8 Tạo ảnh nổi ba chiều bằng giao thoa Toàn ký

Toàn ký là phương pháp ghi và sau đó phục hồi lại sóng dựa trên hiện tượng giao thoa sóng Toàn ký do Gabor phát minh năm 1948 và được dùng trong quay chiếu phim ảnh nổi Chỉ từ khi phát minh ra kỹ thuật laser, ảnh nổi đã được ứng dụng rộng rãi trong

đo lường chính xác và cơ khí quang học

Thông thường khi chụp ảnh chúng ta chỉ ghi lại được sự phân bố biên độ (chính xác hơn là bình phương biên độ) của ánh sáng tán xạ từ vật trong một hình chiếu phẳng lên bề mặt phim ảnh Ngược lại phương pháp toàn ký không phải ghi lại ảnh hai chiều của vật mà ghi lại trường sóng tán xạ từ vật nhờ hiện tượng giao thoa ánh sáng Bằng cách dịch chuyển điểm quan sát trong giới hạn trường sóng đó chúng ta sẽ thấy vật dưới các góc độ khác nhau nghĩa là thấy được ảnh nổi, ảnh toàn bộ của vật

Để ghi ảnh của vật trong phương pháp toàn ký người ta dùng hai chùm sáng kết hợp: ngoài chùm xuất phát từ vật được chiếu sáng còn phải rọi lên kính ảnh một chùm sáng nữa gọi là chùm sáng nền Hai chùm sáng đó giao thoa với nhau trên phim ảnh và

tấm phim này gọi là tấm “toàn đồ” Khác với phim ảnh thông thường, nhìn lên toàn đồ

sau khi đã rửa phim chưa thể thấy gì cả

Để quan sát được ảnh của vật người ta chiếu lên toàn đồ chùm sáng giống hệt chùm sáng nền Lúc đó toàn đồ sẽ hồi phục lại trường sóng tán xạ từ vật và qua toàn đồ

sẽ quan sát được ảnh nổi của vật (Lương Duyên Bình: Vật lý đại cương, tập 3, phần 1,

NXB Giáo Dục, trang 45)

1.2.8.1 Nguyên tắc cơ bản của phương pháp toàn ký

a) Toàn đồ phẳng

Toàn đồ phẳng được coi là một “miếng phim” bề dày không đáng kể (z 0) được

sử dụng khi tạo ảnh toàn cảnh có chiều sâu của vật không lớn và thường tạo ảnh nổi tĩnh

* Trường hợp 1 (hình 1-26): Vật điểm S ở vô cùng truyền chùm sáng mặt đầu sóng phẳng tới toàn đồ Trong khi đó chùm nền (chùm kết hợp với chùm từ S) cũng có mặt đầu sóng là mặt phẳng, rọi lên toàn đồ Hai chùm sáng giao thoa và các vân sáng tối định xứ trên mặt toàn đồ tạo nên một cách tử nhiễu xạ Như vậy, vật S ở vô cùng, toàn

đồ ghi nhận thành các vân giao thoa thẳng sáng tối xen kẽ nhau (hình 1-26a)

Trang 27

S

Để tái tạo lại hình S, sử dụng chùm nền chiếu qua toàn đồ Chùm sáng bị lệch hướng theo phương khi tạo toàn đồ Mắt nhìn thấy vật điểm S ở vô cùng (hình 1-26)

* Trường hợp 2 (hình 1-27): Vật điểm S ở gần truyền mặt đầu sóng cầu tới toàn

đồ Chùm nền có mặt đầu sóng là mặt phẳng, rọi lên toàn đồ Hai chùm sáng giao thoa

và các vân sáng tối hình tròn định xứ trên mặt toàn đồ Như vậy, vật S ở gần cùng với chùm nền, toàn đồ ghi nhận thành các vân giao thoa tròn sáng tối xen kẽ nhau (hình 1-27a) Để tái tạo lại hình S, sử dụng chùm nền chiếu qua toàn đồ Các tia chùm nén bị lệch hướng tạo ảnh S’’ (hình 1-27b) Ảnh S’’ là ảnh đối xứng của S’ do vật tạo nên Mắt nhìn thấy vật điểm S ở gần thông qua ảnh S’

Từ hai trường hợp trên ta hiểu rằng có thể xây dựng được hệ vân giao thoa ở toàn đồ với mọi điểm của vật từ vô cùng đến gần người quan sát Từ đó cũng tái tạo được ảnh nổi của vật từ toàn đồ tương ứng

b) Toàn đồ khối

Ta thấy khi rọi chùm sáng nền qua toàn đồ phẳng sẽ quan sát thấy hai ảnh của nguồn điểm S: một ảnh ảo (S’) và một ảnh thật (S’’) Để loại trừ ảnh thật S’’ người ta dùng toàn đồ khối Toàn đồ khối là toàn đồ trong đó bề dày của nó lớn hơn nhiều lần khoảng cách giữa các vân giao thoa, được dùng khi tạo ảnh nổi động và chiều sâu toàn cảnh lớn

Trang 28

Xét hai nguồn sáng kết hợp S và S’ Giả sử S, S’ được đặt trong môi trường nhủ tương ảnh trong suốt Trong môi trường đó ánh sáng phát ra từ S và S’ sẽ giao thoa với nhau Kết quả là sau khi hiện hình nhủ tương ảnh ta sẽ được các mặt đen và trong suốt xen kẽ (hình 1-28a), chúng có dạng các hypebôlôit tròn xoay Khối nhủ tương trên sau khi hiện hình chính là toàn đồ khối của một trong hai nguồn sáng trên

Quả vậy giả sử chiếu toàn đồ bằng nguồn sáng S Do tính chất của gương hypecbôlôit tròn xoay các tia sáng phát từ nguồn sáng đặt tại một tiêu điểm sẽ phản xạ trên gương và tạo thành ảnh ảo S’ của nguồn ở tiêu điểm kia (hình 1-28b) Như vậy rọi toàn đồ bằng nguồn sáng S người quan sát sẽ thấy ảnh của nguồn S’ Trong trường hợp này ảnh thật không xuất hiện

Chúng ta xét toàn đồ khối của một nguồn điểm trong trường hợp chùm sáng nền là chùm

song song Trên hình 1-29 biểu diễn cảnh tượng

giao thoa trong mặt cắt chứa điểm A Các tia tán xạ

từ A đi vào khối nhủ tương dưới các góc khác nhau

so với các tia của chùm sáng

Để hồi phục, rọi toàn đồ bằng chùm sáng nền (hình 1-30a) Lúc đó các tia phản

xạ trên gương sẽ tạo thành một chùm phân kỳ có đường kéo dài gặp nhau tại A’ Như vậy, đặt mắt quan sát như hình vẽ sẽ quan sát được ảnh ảo A’ Ngoài ra từ hình 1-30b chúng ta thấy nếu đổi chiều chùm sáng nền rọi vào toàn đồ sẽ có thể quan sát được ảnh thật A’’

Hình 1-28: Toàn đồ khối của hai nguồn điểm

a) Ghi toàn đồ b) Hồi phục sóng

Hình 1-29: Toàn đồ khối của một nguồn điểm

lúc chùm sáng nền là chùm song song

A

Trang 29

* Cần phân biệt toàn đồ động và toàn đồ tĩnh: Toàn đồ tĩnh tạo hình ảnh hệ vân

một lần Sau khi “rửa, tráng phim” ta được toàn đồ cố định, lưu giữ để khảo sát đo đạc đánh giá nhiều lần sau này Toàn đồ động tạo ảnh nổi tức thời, các phần tử toàn đồ hoạtđộng nhiều hay ít, có hay không phụ thuộc vào thời gian Toàn đồ này được sử dụng tạo ảnh nổi di động

1.2.8.2 Ứng dụng của phương pháp toàn ký

a) Tạo ảnh nổi của vật

Hình 1-31 mô phỏng kết cấu một loại thiết bị tạo ảnh nổi Chùm laser được gương bán thấu G1 tách thành hai chùm (1) và (2) Chùm (1) qua bán thấu, phản xạ tại gương G2, đi vào vật kính VK1 Chùm sáng hội tụ tại tiêu diện thứ hai của vật kính VK1 Chùm sáng tiếp tục phản xạ tại gương G3 để rọi lên vật Các vật điểm bức xạ các chùm sáng lên toàn đồ Chùm (2) phản xạ trên gương bán thấu, hội tụ tại tiêu diện thứ hai của vật kính VK2 sau khi phản xạ tại gương G4 Tại đây được đặt một phin lọc F chắn ánh sáng nhiễu Chùm (2) lại được vật kính VK3 tạo chùm sáng song song làm chùm nền, để

Hình 1-31: Mô phỏng kết cấu một hệ tạo ảnh nổi

Hình 1-30: Quá trình hồi phục sóng

a) Tạo ảnh ảo b) Tạo ảnh thực

Trang 30

rọi lên toàn đồ Hai chùm sáng (1) và (2) gặp nhau và giao thoa tạo toàn đồ T Sau toàn

đồ, chúng ta thấy được ảnh toàn cảnh

Chụp ảnh nổi là phương pháp chụp ảnh ưu việt vì nó cho ảnh rất sinh động và cho nhiều thông tin về vật (hình 1-32) Tạo ảnh nổi bằng phương pháp toàn ký có thể được dùng trong quảng cáo, trong các thí nghiệm chứng minh, khi làm bản sao các tác phẩm nghệ thuật giá trị…

b) Một số ứng dụng khác của giao thoa ảnh nổi

Kỹ thuật tạo ảnh ảo ba chiều bằng phương pháp giao thoa sử dụng tia laser (còn gọi là kỹ thuật hologram) tìm thấy ngày càng nhiều ứng dụng trên các lĩnh vực khác nhau:

- Hologram phản xạ là dụng cụ bảo mật có giá trị cao Kỹ thuật hologram phản

xạ được ứng dụng làm vật nhận dạng bằng lái xe, thẻ tín dụng, dấu hiệu nhận dạng, và chống giả mạo Thường thì chúng hiển thị hình màu của logo, số nhận dạng, hoặc hình ảnh nhất định tạo ra bằng ánh sáng laser có ba màu sơ cấp Mỗi laser tạo ra một hình ảnh giao thoa độc nhất vô nhị, và các ảnh sẽ chồng gộp lên nhau tạo nên ảnh cuối cùng Do

đó chúng hầu như không thể nào sao chép được

- Kỹ thuật hologram truyền qua có một số ứng dụng, nhưng một trong những thú vị nhất là bản hiển thị trước mắt người phi công Trong buồng lái máy bay thông thường, người phi công phải liên tục thay đổi sự chú ý của anh ta giữa cửa sổ và bản điều khiển Với kỹ thuật hiển thị hologram, một hình ảnh nổi ba chiều của bản điều khiển máy bay phản xạ trên một cái đĩa đặt gần mắt của phi công, nên người phi công có thể đồng thời quan sát bản điều khiển và chân trời

Chụp ảnh nổi bằng phương pháp toàn ký được ứng dụng trong các nghiên cứu khoa học như nghiên cứu sự phân bố các hạt theo độ cao; nghiên cứu các hạt chuyển

Hình 1-32: Đường đi của tia sáng trong kỹ thuật tạo ảnh ảo ba chiều

Trang 31

động như các giọt mưa, các giọt mây mù…; nghiên cứu vết của các hạt trong vật lý hạt nhân

Giao thoa ảnh nổi còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học khác, đặc biệt trong đo lường chính xác Thông qua toàn đồ động hoặc qua các toàn đồ tĩnh tạo được ở nhiều thời điểm khác nhau, mà đánh giá được độ biến dạng bề mặt vật liệu liên tục hoặc từng thời điểm một cách thuận tiện Một ưu điểm khác của phương pháp này là tiến hành đo kiểm cùng một lúc ở một diện rộng bề mặt theo không gian ba chiều

b) Ghi và hồi phục các sóng âm

Nhờ phương pháp toàn ký người ta đã giải quyết được vấn đề nhìn thấy trường sóng âm Điều đó có nhiều ứng dụng quan trọng trong thăm dò khuyết tật bằng siêu âm; nghiên cứu đáy biển, thăm dò tài nguyên, nghiên cứu cấu trúc vỏ Trái Đất bằng sóng

âm Phương pháp toàn ký dùng ghi và hồi phục các sóng siêu âm cũng được ứng dụng trong y học để chẩn đoán bệnh

Để nhìn thấy được trường sóng âm thì quá trình ghi toàn đồ sóng âm phải được thực hiện sao cho có thể hồi phục bằng phương pháp quang học Để đạt mục đích đó có thể dùng các phương pháp sau đây:

- Di chuyển nguồn thu âm (micro, phần tử áp điện,…) trong trường sóng âm Tín hiệu ra từ nguồn thu âm đó được dùng để biến điệu thông lượng của một chùm sáng

- Chụp ảnh: Trường sóng siêu âm có thể được ghi trực tiếp trên phim ảnh nhờ tính chất của siêu âm làm tăng cường các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình hiện hình và định hình phim ảnh

- Làm biến dạng bề mặt chất lỏng dưới tác dụng của áp suất âm và tiến hành hồi phục quang học nhờ ánh sáng phản xạ trên bề mặt đó

Phương pháp toàn ký còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như trong rađa để xác định hình dáng và kích thước của đối tượng quan sát, trong các hệ chỉ dẫn laser được thiết kế cho việc điều khiển đường bay của máy bay có người láy và không

có người láy, của tên lửa và bom,

Trang 32

CHƯƠNG 2: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG

2.1 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

2.1.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

Trong quang hình học ở môi trường đồng tính, ánh sáng sẽ truyền thẳng Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng điều đó không phải bao giờ cũng đúng Xét hai thí nghiệm sau đây:

Thí nghiệm 1: Dùng kim khâu đâm thủng một lỗ O trên một tấm bìa và rọi vào đó một chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn S qua thấu kính L (hình 2-1) Theo định luật truyền thẳng của ánh sáng thì ta chỉ quan sát được ánh sáng trong hình nón OAB do các tia sáng đi qua mép thấu kính tạo nên Tuy nhiên nếu ta đặt mắt tại điểm M ở ngoài và ngay cả khá xa hình nón này vẫn nhận được ánh sáng từ lỗ O

Điều đó chứng tỏ ánh sáng đã truyền cả vào miền bóng tối hình học, tức là không tuân theo định luật truyền thẳng

Thí nghiệm 2: Đặt một đoạn dây kim loại mảnh song

song với một khe sáng Sau đoạn

dây ta đặt một màn quan sát E

(Hình 2-2) Theo định luật truyền

thẳng thì miền AB bị che khuất

bởi sợi dây phải là miền bóng tối

hình học và ngoài miền đó phải

được rọi sáng đều Tuy nhiên tại

điểm M nằm trên trục đối xứng

của AB ở trong miền bóng tối hình học, ta vẫn thấy có ánh sáng và ở lân cận các điểm A

và B ta lại thấy các vân tối và sáng Điều đó cho thấy rằng, trong trường hợp này ánh sáng cũng không tuân theo định luật truyền thẳng

Trong cả hai thí nghiệm nói trên, màn chắn có lỗ O và đoạn dây mảnh là các vật cản đóng vai trò phân bố lại cường độ sáng trên màn quan sát

S

BTiết diện sợi dây A

M

Trang 33

Hiện tượng quan sát được ở hai thí nghiệm đó là những thí dụ về hiện tượng

nhiễu xạ ánh sáng Vậy sự nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng lệch khỏi phương

truyền thẳng trong môi trường đồng tính khi gặp vật cản.

2.1.2 Nguyên lý Huygens – Fresnel

Theo Huygens: “Mỗi điểm của môi

trường mà mặt đầu sóng đạt tới có thể xem

như một sóng cầu thứ cấp, mặt đầu sóng mới

là bao hình của các sóng cầu thứ cấp”.

Nguyên lý Huygens cho phép ta giải thích

được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng một cách

định tính (hình 2-3)

Muốn tính dao động sóng tại một điểm M bất kỳ, ta cần tính các dao động sáng gây ra tại M Do đó ta phải biết biên độ và pha của nguồn thứ cấp

Fresnel đã bổ sung nguyên lý trên với nội dung: “Biên độ và pha của nguồn thứ

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

Hợp nhất hai nội dung trên ta được nguyên lý Huygens – Fresnel

Ta tính biểu thức dao động sáng tại M:

Giả sử phương trình dao động sáng tại nguồn O là:

x=acostLấy mặt kín S bao quanh O, dS là một diện tích nhỏ trên mặt kín (Hình 2-4) Gọi

với a(dS) là biên độ dao động sáng do O gây ra tại dS

Dao động sáng do dS gây ra tại M là:

Trang 34

+ Giá trị a(M) còn phụ thuộc vào góc nghiêng 0, là góc hợp bởi pháp tuyến tại dS với phương sóng tới từ O,  là góc hợp bởi pháp tuyến tại dS với phương sóng nhiễu xạ từ dS đến M.Ta đặt:

a(M)=  0 

1 2

;

Fresnel thay nguồn S0 bằng mặt đầu sóng  phát

ra từ điểm S0 (mặt cầu tâm S0) (Hình 2-5)

Giả sử S0M cắt mặt  tại điểm M0 Fresnel chia đới như sau:

Lấy M làm tâm vẽ những hình cầu có bán kính lần lượt là:

Rb S

Rb

r k



  với k = 1, 2, 3,

2.1.3.2 Tính biên độ dao động tổng hợp do các đới gây ra tại M

Vì mọi đới cầu đều có diện tích bằng nhau nên biên độ dao động từ các đới cầu gửi tới M không phụ thuộc diện tích các đới mà chỉ phụ thuộc vị trí của mỗi đới cầu đối với M Đới càng xa M0 (k càng lớn) thì góc nghiêng  càng lớn, biên độ dao động của sóng phát ra từ đới gửi tới M càng nhỏ, nghĩa là ta có:

Trang 35

Vì khoảng cách giữa hai đới liên tiếp đến M cách nhau

Dấu (+) khi số đới n lẻ, dấu (-) khi đới n chẵn

Vì ak giảm dần theo k, nhưng giảm chậm nên ta có thể coi biên độ ak bằng trung bình cộng của ak-1 và ak+1, nghĩa là:

2.1.4 Nhiễu xạ của sóng cầu (Nhiễu xạ Fresnel)

Hiện tượng nhiễu xạ của sóng cầu quan sát được ở gần vật cản và lần đầu tiên được Fresnel nghiên cứu, nên còn được gọi là nhiễu xạ Fresnel

2.1.4.1 Nhiễu xạ do một lỗ tròn

Giả sử mặt sóng  lan truyền từ nguồn sáng điểm S0, bị chắn bởi một màn không trong suốt PQ có lỗ tròn BC (hình 2-6) Ta hãy nghiên cứu hiện tượng xảy ra tại

M phía sau màn chắn, trên đường thẳng đi qua S0 và tâm O của lỗ tròn BC

Lấy M làm tâm vẽ các đới cầu Fresnel trên mặt cầu .a) Khi không có màn chắn PQ hoặc khi lỗ có kích thước lớn thì an = 0, cường

MO

Q

r0

Trang 36

Vậy: Khi lỗ tròn chứa một số lẻ đới thì cường độ sáng I tại M sẽ lớn hơn cường

độ sáng I0 khi giữa nguồn S o và điểm M không có màn chắn

Đặc biệt, khi lỗ chỉ chứa một đới ta có: 2

1 1 4 o

Ia  I I , nghĩa là cường độ sáng tại M sẽ lớn gấp 4 lần cường độ sáng I okhi giữa S o và M không có màn chắn

c) Nếu lỗ tròn chứa một số chẵn đới, ta có:

Vậy: khi lỗ tròn chứa một số chẵn đới thì cường độ sáng I tại M sẽ nhỏ hơn

cường độ sáng I o khi giữa nguồn S o và điểm M không có màn chắn.

Đặc biệt khi lỗ tròn chỉ chứa 2 đới, ta có:

  0, tức là cường độ sáng tại M gần bằng không, điểm M tối nhất.

Việc tính cường độ sáng tại những điểm nằm trong mặt phẳng vuông góc với đường thẳng S0M và ở ngoài đường thẳng này khá phức tạp vì rằng các đới Fresnel ứng với các điểm đó bị che một phần bởi màn chắn

Do tính chất đối xứng xung quanh đường thẳng S0M, nên sự phân bố cường độ sáng trong mặt phẳng này cũng có tính đối xứng Do đó trong miền đáng lẽ được rọi sáng đều ta lại quan sát được tại M là điểm sáng (nếu n lẻ) hay điểm tối (nếu n chẵn) và bao quanh nó là những vòng tròn nhiễu xạ tối và sáng xen kẽ nhau

2.1.4.2 Nhiễu xạ do một màn tròn không trong suốt

Giả sử mặt sóng  lan truyền từ nguồn sáng điểm S0 bị chắn bởi một màn tròn không trong suốt PQ (hình 2-7) Ta khảo sát hiện tượng xảy ra tại M phía sau màn tròn, trên đường thẳng đi qua S0 và tâm O của màn

Trang 37

Giả sử màn PQ che mất k đới Fresnel đầu tiên, theo (3.2) biên độ dao động tổng hợp tại M:

Nếu màn tròn có kích thước bé thì biên độ ak+1 không khác mấy với biên độ a1

của đới đầu tiên, nên cường độ sáng tại M giống như cường độ sáng tại đó khi không có màn tròn:

Trường hợp màn che chắn nhiều đới thì a k1 0, cường độ sáng tại M thực tế bằng không

2.1.5 Nhiễu xạ của sóng phẳng (Nhiễu xạ Fraunhofer)

Hiện tượng nhiễu xạ của sóng phẳng đầu tiên do Fraunhofer nghiên cứu nên gọi là nhiễu xạ Fraunhofer

2.1.5.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp

k+2

Trang 38

Một khe hẹp có bề rộng AB = b (Hình 2-8) Chùm sáng đơn sắc  rọi qua khe nhờ một thấu kính hội tụ Lo Qua khe các tia sáng song song bị nhiễu xạ theo nhiều phương khác nhau

Sóng tới khe là sóng phẳng nên mặt phẳng của khe là một mặt sóng và các điểm trên mặt khe có cùng pha dao động

+ Xét tia sáng nhiễu xạ qua khe có góc lệch  = 0:

Theo định lý Malus, quang lộ giữa hai mặt trực giao (mặt phẳng khe và tiêu điểm F) bằng nhau, do đó các tia gởi đến F đều có cùng pha dao động, chúng tăng cường lẫn nhau, nên tại F rất sáng được gọi là cực đại giữa (ứng với = 0)

+ Xét các tia nhiễu xạ theo phương  bất kỳ:

Vẽ các mặt phẳng 0, 1, 2,…cách nhau

2

 và vuông góc với chùm tia nhiễu

xạ Các mặt này chia mặt phẳng khe thành các dãy có bề rộng:



sin 2

b



sin

2b

Theo nguyên lý Huyghen, mỗi dãy là một nguồn thứ cấp gởi ánh sáng tới M Vì hiệu quang lộ giữa hai dãy kế tiếp đến M là

2

 nên dao động do hai dãy kế tiếp gởi đến

M ngược pha nhau và chúng khử nhau

 Nếu khe chứa một số chẵn dãy (n = 2K) thì dao động sáng do từng cặp dãy kế

tiếp gây ra tại M triệt tiêu và điểm M sẽ tối Điều kiện M là tối:



sin

Hình 2-8: Nhiễu xạ qua khe hẹp

0





F M

Màn quan sát Màn chắn 12



Trang 39

 Nếu khe chứa một số lẻ dãy (n = 2K + 1) thì dao động sáng do từng cặp dãy

kế nhau gây ra tại M triệt tiêu, còn dao động sáng do dãy lẻ thứ 2K + 1 không bị khử, tại

điểm M sẽ sáng Điều kiện M là điểm sáng:

n =



sin

Vân tối thứ nhất và thứ hai ứng với các góc φ cho bởi:

sinφ1 = 0,61

R



Trang 40

2.1.5.3 Nhiễu xạ ánh sáng do nhiều khe Cách tử nhiễu xạ

a) Nhiễu xạ ánh sáng do nhiều khe

Ta thấy rằng hình ảnh nhiễu xạ qua một khe không phụ thuộc vị trí của khe

nên nếu ta thay một khe bằng N khe hẹp giống nhau, mỗi khe có bề dày b đặt cách nhau một khoảng d, thì ảnh nhiễu xạ của từng khe riêng lẻ sẽ hoàn toàn trùng nhau (hình 2-

10) Nhưng do sự giao thoa của các tia nhiễu xạ nên hình ảnh nhiễu xạ thu được trên màn sẽ phức tạp hơn Ta xét sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát

Mỗi khe cho cực tiểu nhiễu xạ thỏa mãn:

2 1

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	13,99 MB