Advanced optics chap 1

TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí

Chuyên đề Quang học
Advanced Optics

Nội dung môn học
4 chương lí thuyết + bài tập
Chương 1: Hiện tượng tán sắc ánh sáng
Chương 2: Phân cực ánh sáng
Chương 3: Mở đầu về quang học phi tuyến
Chương 4: Những khái niệm cơ bản về QHPT

c
T. P. Ngô

2

Tài liệu tham khảo
[1] Giáo trình quang học, Nguyễn Trần Trác – Diệp Ngọc Anh
[2] Bài tập quang học tập 2
– Tổ Vật lí đại cương – k. Lý - ĐHSP Tp.HCM
[3] Hiệu ứng quang học phi tuyến, Trần Tuấn – Lê Văn Hiếu
[4] Quang phi tuyến, Trần Tuấn
[5,6,7…] Tài liệu khác cung cấp cho SV

c
T. P. Ngô

3

Đánh gía kết quả môn học
Đánh giá quá trình
Chuyên cần

Thi kết thúc

Bài tập nhóm hoặc Tiểu

Thi giữa học

luận

phần

15%

20%

học phần

5%

60%

Thi giữa học phần: seminar (+ tiểu luận)
Bài tập nhóm
Thi cuối kì : trắc nghiệm hoặc tự luận
c
T. P. Ngô

4

Nội dung môn học
Chương 1: Hiện tượng tán sắc ánh sáng
1.1 Tán sắc thường
1.2 Tán sắc khác thường
1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
1.4 Máy quang phổ

Chương 2: Phân cực ánh sáng
Chương 3: Mở đầu về quang học phi tuyến
Chương 4: Những khái niệm cơ bản về QHPT
c
T. P. Ngô

5

Cầu vồng bảy sắc,
mây ngũ sắc
c
T. P. Ngô

6

Halos, sundog, sun pillars
c
T. P. Ngô

7

Kim cương lấp lánh
c
T. P. Ngô

8

Dispersion of light

c
T. P. Ngô

9

Giới thiệu về hiện tượng tán sắc
Tán sắc (dispersion):
+ bước sóng khác nhau của ánh sáng bị tách riêng lẻ thông qua 1
hệ quang học
+ kết quả: ánh sáng đa sắc bị tách ra theo những màu sắc riêng
tương ứng.

2 cơ chế vật lí chính:
Tán sắc vật liệu: hệ số khúc xạ của vật liệu phụ thuộc vào bước
sóng
Tán sắc nhiễu xạ: ánh sáng bị nhiễu xạ qua những cấu trúc khe,
góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng

c
T. P. Ngô

10

Nhắc lại: hệ số khúc xạ (refractive index, index of refraction)
Góc
tới

Pháp tuyến

Hệ số khúc xạ: môi trường không
hấp thụ

Không khí

• n là một con số
+ n=1 chân không
+ n=1.33 nước
+ n=2.42 kim cương
+ n=1.5-1.9: các loại thủy tinh khác nhau

Thủy tinh

Góc khúc xạ

c
T. P. Ngô

Định luật Snell:
11

Mối liên hệ giữa hệ số khúc xạ n và hằng số điện môi εr

Môi trường không từ tính

Công thức tổng quát: trong môi trường có mất mát năng lượng
hệ số khúc xạ biểu diễn dưới dạng 1 số phức n*

Hệ số khúc xạ Hệ số tắt dần
c
T. P. Ngô

12

Vài vật liệu khác:
o Kim loại: n phức, epsilon âm…vd: Au, epsilon = -7.9 +i2.35
o Metamaterial: n âm
ứng dụng trong quang điện tử

http://refractiveindex.info
http://www.pvlighthouse.com.au
c
T. P. Ngô

13

Hiện tượng tán sắc ánh sáng (dispersion of light)
+ hiện tượng hệ số khúc xạ của môi trường thay đổi theo
bước sóng
Chiết suất môi trường và bước sóng

n = f (λ )

Số Abbe (Abbe number)
Cho biết mức độ tán sắc của vật liệu

c
T. P. Ngô

14

Số Abbe (Abbe number)

Với các vật liệu quang học thực nghiệm và các loại thủy tinh, số Abbe
luôn dương

Số Abbe càng lớn, môi trường càng ít bị tán sắc – sự thay đổi hệ số
khúc xạ nhỏ theo bước sóng

c
T. P. Ngô

15

1.1 Hiện tượng tán sắc thường
Tán sắc thường: trong quang phổ, vùng mà ánh sáng đi qua môi
trường không bị hấp thụ, chiết suất giảm khi bước sóng tăng dần (tần số
tăng dần)

c
T. P. Ngô

16

1.2 Hiện tượng tán sắc khác thường
Hiện tượng tán sắc khác thường:
+ trong môi trường mà ở vùng phổ ánh sáng bị hấp thụ
mạnh, chiết suất tăng khi bước sóng tăng.

Tán sắc khác thường phù thuộc vào:
+ bản chất vật liệu
+ vùng sóng điện từ quan sát
Ví dụ: Thủy tinh là vật liệu trong suốt
Tần số thấp: tán sắc thường
Tần số cao: tán sắc bất thường

c
T. P. Ngô

17

Mẫu dao động Lorentz (Lorentz model)
hạt nhân

lò xo, k

Định luật Hooke:
Áp dụng định luật II Newton:

Tần số góc cộng hưởng riêng của “lò xo”
c
T. P. Ngô

18

Mẫu dao động Lorentz cho hàm điện môi
• Phương trình dao động của electron dưới tác động của
điện trường E (bỏ qua từ trường quá nhỏ)

tắt dần
Khối lượng e- eKhối lượng

c
T. P. Ngô

Lực hồi phục
(liên kết giữa e- và hạt nhân)

lực
điện

19

Mẫu dao động Lorentz cho hàm điện môi
Giải phương trình biến số phức
Cộng hưởng tự nhiên

c
T. P. Ngô

20

Cộng hưởng dao động

Dao động tử điều hòa cưỡng bức: Biên độ và Pha phụ thuộc vào tần số

Tần số thấp
Biên độ trung bình

Độ dịch chuyển y
Chuyên đề Quang học với E
c
cùngT.pha
y
P. Ngô

Vị trí cộng hưởng
Biên độ lớn

Độ dịch chuyển y lệch
pha 900 với Ey

Tần số cao
Biên độ biến mất

Độ dịch chuyển y
21
ngược pha với Ey

Sự dịch chuyển của điện tích liên quan trực tiếp đến sự phân
cực của vật liệu P

Xét sự phân cực tuyến tính theo hướng y

Viết lại phương trình cho sự phân cực

Tần số plasma
c
T. P. Ngô

22

Hằng số điện môi tổng quát

= ε 0ε r E

c
T. P. Ngô

23

Hằng số điện môi tương đối
2
ωp
εr = 1+ 2
= ε r' − jε r''
(ω0 − ω 2 ) + jγω

hay
Phần thực

ε r'

Phần ảo

ε r''

c
T. P. Ngô

24

Từ mối liên hệ giữa chiết suất và hằng số điện môi

hay

c
T. P. Ngô

25


Hệ số khúc xạ phức

K

+ ω < ω0 : tán sắc thường: n giảm, λ tăng
+ ω > ω0 : tán sắc khác thường: n giảm, λ giảm
c
T. P. Ngô

26


N và K

Phản xạ (%)

Mô hình dao động tử Lorentz

Energie (eV) (năng lượng)
c
T. P. Ngô

27

Giải thích toán học từ mô hình hàm điện môi
+ ω << ω0 : vùng tần số thấp

Khi

- Hấp thụ không đáng kể
- vật liệu trở thành “trong suốt”

tán sắc thường
c
T. P. Ngô

28

+ ω >> ω0 : vùng tần số cao

tán sắc thường

c
T. P. Ngô

29

+ ω = ω0 : xung quanh vị trí cộng hưởng

Lúc đó
Sự hấp thụ là đáng kể

Tán sắc khác thường
c
T. P. Ngô

30

Vài hệ thức tán sắc khác:
Công thức Sellmeier :

Đúng cho hầu hết các vật liệu quang học trong suốt
Đối với các loại thủy tinh:

Dùng để phân loại thủy tinh của các nhà sản xuất
c
T. P. Ngô

31


c
T. P. Ngô

32

Công thức Cauchy:

Phạm vi áp dụng:
+ vùng phổ khả kiến, vật liệu trong suốt (thủy tinh…)
+ giải thích hiện tượng tán sắc thường: n giảm khi λ tăng

c
T. P. Ngô

33

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
• Tán sắc qua 1 lăng kính
ánh sáng trắng bị phân tích thành những ánh sáng đơn sắc

Quang phổ
tập hợp dải màu tương ứng của
các ánh sáng đơn sắc
c
T. P. Ngô

34

• Tán sắc qua 1 giọt nước
Cách tạo cầu vồng

c
T. P. Ngô

35

Cầu vồng

c
T. P. Ngô

36

Cầu vồng đôi

c
T. P. Ngô

37


Cầu
vồng đôi

c
T. P. Ngô

Màu sắc đảo ngược ?
38


Cầu
vồng đôi

c
T. P. Ngô

39

• Kim cương lấp lánh

c
T. P. Ngô

40

• Kim cương lấp lánh
+ góc tiêu chuẩn nhỏ
phản xạ toàn phần
+ chiết suất lớn
tán sắc rộng
phân chia màu sắc rõ nét

c
T. P. Ngô

41

Kính quang phổ
dụng cụ quang học dùng để phân tích một ánh sáng tạp
thành các đơn sắc

c
T. P. Ngô

42

Kính quang phổ dùng lăng kính

c
T. P. Ngô

43

Kính quang phổ dùng lăng kính

c
T. P. Ngô

44

Kính quang phổ dùng cách tử

c
T. P. Ngô

45


c
T. P. Ngô

46


Ưu điểm:
+ độ phân giải cao
+ phổ rộng và chia đều

Mô hình dùng cho đa phần máy quang phổ
ngày nay
c
T. P. Ngô

47

Máy quang phổ

ngành quang phổ học (spectroscopy)

• Cho biết thông tin về thành phần cấu tạo vật chất
• Dựa trên sự tương tác giữa sóng điện từ với vật chất
thông qua việc quan sát phổ của chúng

• Dải bước sóng của phổ điện từ: từ tia X (0.1 nm) đến
sóng radio (1000 m)

c
T. P. Ngô

48

Nguyên tắc phân loại:
o Loại năng lượng phát xạ
bức xạ điện từ, hạt – sóng DeBroglie, sóng âm, sóng cơ

o Bản chất tương tác
hấp thụ, phản xạ, phát xạ, tán xạ đàn hồi/không đàn hồi, liên kết…

o Loại vật liệu
nguyên tử, phân tử, tinh thể, vật liệu mở rộng

Một số loại máy quang phổ:
o Quang phổ Raman
o Quang phổ hồng ngoại
o Quang phổ UV
o Quang phổ tia X
o…
c
T. P. Ngô

49

Hết chương 1

c
T. P. Ngô

50

Advanced optics chap 1

More Related Content

What's hot (20)

Viewers also liked (11)

Similar to Advanced optics chap 1 (20)

More from Hajunior9x (18)

Advanced optics chap 1