Bài giảng Vật lý đại cương và vật lý hiện đại: Quang học sóng - Lê Công Hảo

QUANG HỌC SÓNG
TS. Lê Công Hảo
SPX đổi pha 1800K
h
ô
n
g
đ
ổ
i
p
h
a
GIỚI THIỆU
Quang học: Là ngành vật lý học nghiên cứu về
bản chất, sự lan truyền và tương tác của ánh
sáng với môi trường vật chất.
Các thuyết về bản chất của ánh sáng :
•Thuyết hạt của Newton (cuối thế kỉ 17)
•Thuyết sóng của Huygens (cuối thế kỉ 17)
•Thuyết điện từ của Maxwell (1865)
•Thuyết photon của Einstein (1905)
Quang học sóng: nghiên cứu về bản chất, sự lan
truyền và tương tác của ánh sáng với môi trường
vật chất dựa trên cơ sở tính chất sóng của á/s.
§1- CÔ SÔÛ CUÛA QUANG HÌNH VAØ QUANG SOÙNG
I- Nhöõng cô sôû cuûa quanq hình hoïc
1. Ñònh luaät veà söï truyeàn thaúng aùnh saùng
2. Ñònh luaät veà taùc duïng ñoäc laäp cuûa caùc tia saùng
3. Caùc ñònh luaät Descartes
* Ñònh luaät phaûn xaï ii '
* Ñònh luaät khuùc xaï
2211 sinsin inin 
n4. Nhöõng phaùt bieåu töông ñöông cuûa ñònh luaät Descartes
a. Khaùi nieäm veà quang loä (quang trình)
+ Tröôøng hôïp aùnh saùng truyeàn trong moâi tröôøng ñoàng
nhaát
Quang loä khi aùnh saùng truyeàn töø A ñeán B laø:
  nd
v
d
c
v
AB
cABLAB 
A
B
d
+ Tröôøng hôïp aùnh saùng truyeàn qua nhieàu moâi tröôøng 
ñoàng nhaát khaùc nhau:
n2
n3
n1
A
d1 B
C
d2
D
d3
Quang loä khi aùnh saùng
truyeàn töø A ñeán D laø:
332211ABCD dndndnL 
 ABCDLABCD 
i iL n s 
II- Nhöõng cô sôû cuûa quanq hoïc soùng
1. Thuyeát ñieän töø veà aùnh saùng cuûa Maxwell
* Aùnh saùng laø soùng ñieän töø
Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø coù nhieàu tính chaát gioáng nhau:
Vaän toác aùnh saùng = vaän toác soùng ñieän töø
,
n
c
vas 
n
c1
v
oo
s 

ñt
Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø ñeàu laø caùc soùng ngang:
 Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø ñeàu tuaân theo caùc ñònh luaät phaûn
xaï, khuùc xaï nhö nhau
 Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø coù theå gaây ra caùc hieän töông giao
thoa, nhieãu xaï tuaân theo caùc qui luaät nhö nhau
* Aùnh saùng thaáy ñöôïc laø soùng ñieän töø coù böôùc soùng (trong chaân 
khoâng):
m76,0m41,0   
* Aùnh saùng ñôn saéc laø soùng ñieän töø ñôn saéc
Trong soùng aùnh saùng ñôn saéc cuõng coù ñieän tröôøng , töø tröôøngE
B
B
E
v
E
B
,E
,B
v
(theo thöù töï treân) taïo thaønh tam dieän thuaän
E Bvaø tyû leä: B.vE 
Do raát lôùn neân: BE v E
 ñöôïc goïi laø vectô soùng saùng
Soùng aùnh saùng ñöôïc bieåu dieãn baèng vectô ñieän tröôøng E
* Haøm soùng aùnh saùng ñôn saéc
Moät soùng aùnh saùng ñôn saéc 
ñöôïc bieåu dieãn bôûi haøm soùng:
 r.kti
oeEE
  
r
: vectô vò trí cuûa ñieåm khaûo saùt
   2 Vôùi laø taàn soá soùng aùnh saùng
n
: vectô ñôn vò treân phöông truyeàn soùng
E
v
Phöông 
dao 
ñoäng Phöông truyeàn soùng
O
x
z
y
M
r
n
k
 

L2
.n
L2
r.k
n
Soùng aùnh saùng ñôn saéc thöïc:
n
2
k
n

 vôùi laø vectô soùngk
r
2
r.kr.k
n
Neáu thì:nr

n
n

 
n : laø böôùc soùng aùnh saùng trong 
moâi tröôøng chieát suaát n
O
x
z
y
M
r
n
k
 r.ktcosEE o
  

  
L2
tcosEE o
hay:
2 L 

Nhận Xét: Sóng tại M luôn trễ
pha hơn sóng tại nguồn một
lượng:

  
n
1
01M1
d2
tcosEE
* Lieân heä giöõa hieäu pha cuûa hai soùng vaø hieäu quang loä:
1S
2S
1d M
2d
tEE SS cos101
tEE SS cos202
Dao ñoäng saùng taïi M do 2 nguoàn S
1
vaø S
2
gôûi tôùi:

  
n
2
02M2
d2
tcosEE
 12
n
ndnd
n
2

 12 LL
2

 12
n
21 dd
2

,
n
n

  ,ndL 22 :ndL 11 Thay:
L
2

Hieäu pha cuûa hai soùng taïi M:
* Cöôøng ñoä saùng (đơn vị W/m2)
Cöôøng ñoä saùng taïi moät ñieåm chính laø cöôøng ñoä soùng 
ñieän töø taïi ñoù:
22
2
1
EEI
o
o
o
o




 I HEP
 vôùi:
Trong chân không
2~ EI
2EI
 hay
2
..
2
11
EcIc o
oo


Cöôøng ñoä saùng taïi M phuï thuoäc hieäu pha cuûa hai
soùng tôùi taïi M:
 12 LL
2

=> I phuï thuoäc hieäu quang loä L = L
2
- L
1
cuûa
hai soùng tôùi taïi M
 122121
2
cos2 LLIIIII 

Vậy cöôøng ñoä saùng taïi ñieåm M laø:
Ví dụ 1: cho các dữ kiện như hình vẽ
Chứng minh rằng tại điểm
P
Ñieàu kieän ñeå coù cöïc ñaïi vaø cöïc tieåu giao thoa
 1LL
2
cos khi II 12max 

a) Cöïc ñaïi giao thoa:
 kLL 12  

2.kLL
2
12
... 2, 1, 0,k Vôùi:
 1
2
cos khi
12min
 LLII

b) Cöïc tieåu giao thoa:

2.kLL
2
12 
2
1
kLL 12  
... 2, 1, 0,k Vôùi:
c Hình daïng vaø vò trí vaân giao thoa
* Hình daïng vaân giao thoa trong khoâng gian
Ñoái vôùi cöïc ñaïi giao thoa: kLL 12  
 kdd n12  
Hieäu khoaûng caùch töø hai nguoàn keát hôïp ñeán caùc
ñieåm naøy laø:
Hieäu khoaûng caùch töø hai nguoàn keát hôïp ñeán caùc
ñieåm naøy laø:
2
1
kdd n12  
Ñoái vôùi cöïc tieåu giao thoa: 
2
1
kLL 12  
,
n
n

 
Cực đại
Cực tiểu
Taäp hôïp caùc ñieåm coù cöôøng ñoä saùng cöïc ñaïi laø
moät hoï hyperboloid troøn xoay (coù tieâu ñieåm laø
hai nguoàn keát hôïp S
1
vaø S
2
) öùng vôùi caùc trò soá cuûa
k
... 2, 1, 0,k 
Taäp hôïp caùc ñieåm coù cöôøng ñoä saùng cöïc tieåu cuõng
laø moät hoï hyperboloid troøn xoay xen keû vôùi hoï
maët treân
k
s
= 1
k
s
= 0
k
s
= -1
k 
s
= -2
k
s
= 2
k
t
= 0
k
t
= -1
k
t
= 1
k
t
= 2
k
t
= -2
k
t
= -3
S
1
S
2
* Hình daïng vaân giao thoa trong maët phaúng
AÛnh giao thoa thöôøng ñöôïc höùng treân moät maøn
phaúng (E) ñeå quan saùt
Do heä vaân giao thoa khoâng ñònh xöù ôû moät vò trí
ñaëc bieät naøo neân coù nhieàu caùch ñaët maøn (E)
Giao thoa aùnh saùng gaây bôûi 2 nguoàn ñieåm keát
hôïp laø giao thoa khoâng ñònh xöù
S
1
S
2
Maøn (E) song song vôùi S
1
S
2
, vaân giao thoa coù daïng hình hyperbol
(E)
S
1
S
2
Maøn (E
1
) vuoâng goùc vôùi S
1
S
2
, vaân giao thoa coù daïng hình troøn
(E
1
)
S
1
S
2
Maøn (E
2
) caét S
1
S
2
nhö hình veõ, vaân giao thoa coù hình ellip
(E
2
)
S
1
S
2
Maøn (E
3
) caét S
1
S
2
nhö hình veõ, vaân giao thoa coù hình parabol
(E
3
)
Không có giao thoa
Giao thoa
2. Thí nghiệm khe Young
Thực tếthí nghiệm khe Young
* Vò trí vaân giao thoa treân maøn song song vôùi S
1
S
2
1S
2S
a
D
H

O

a: khoaûng caùch giöõa hai nguoàn keát hôïp S
1
S
2
D: khoaûng caùch töø hai nguoàn keát hôïp S
1
S
2
ñeán maøn
quan saùt
Do a << D neân vaân giao thoa coù daïng caùc ñoaïn 
thaúng song song
x
x
x 
M
J
2d
1d
x’O x laø giao tuyeán cuûa maøn (E) vaø maët phaúng qua S
1
S
2
ñoàng thôøi
vuoâng goùc vôùi maøn (E)
x’O x song song vôùi S
1
S
2
vaø vuoâng goùc vôùi vaân giao thoa
J laø trung ñieåm cuûa S
1
S
2
, JO vuoâng goùc vôùi maøn (E) taïi O
Vò trí vaân giao thoa treân maøn ñöôïc xaùc ñònh bôûi
hoaønh ñoä OMx 
Keû cung troøn taâm M baùn kính MS
1
, caét MS
2
taïi H
Hieäu khoaûng caùch töø hai nguoàn keát hôïp ñeán ñieåm
M:
 sin.asinSSHSdd 21212 
Goùc: MJOHSS 12
 
Dx
tgsin 
Do a << D neân goùc  raát nhoû, ta coù:
D
x
add 12 
 Vò trí vaân saùng:
n
s k
D
x
a  
 Vò trí vaân toái:
 kdd n12  
a
D
kx ns

2
1
kdd n12  
n
t
2
1
k
D
x
a  
a
D
2
1
kx nt

 Khoaûng caùch vaân i: laø khoaûng caùch giöõa hai vaân
saùng hay hai vaân toái keá tieáp:
a
D
i n

a
D
i n

k (m) vân
sáng
k + ½
vân tối
Vd2: Tính bước sóng?
Tín hiệu mạnh
VD3: Hai ăn ten phát cách nhau 400m, phát song với
tần số 1500 kHz
Hỏi hướng nào thu được cường độ sóng hai ăn ten cực
đại và cực tiểu nhất?
Sự đổi pha – Gương Lloyd 
• “Khi ánh sáng truyền từ
môi trường có chiết suất
nhỏ hơn sang môi trường có
chiết suất lớn hơn thì:
+ Hiệu pha giữa sóng tới và
sóng phản xạ trên mặt phân
cách bằng =>
+ Hiệu quang lộ giữa sóng
phản xạ và sóng tới bằng /2
 pt
22
L


2
LLL tp

 Vaäy taïi maët phaân caùch:
: laø böôùc soùng aùnh saùng trong chaân khoâng
3 Giao thoa gaây bôûi baûn moûng
1. Baûn moûng coù beà daøy khoâng ñoåi
a. Hieäu quang loä 2 tia phaûn xaï treân 2 maët baûn moûng:
 2IHIJ.n2LL 12  
f
O
n
i
i
r
i
r
H
J
K
e
M
R
2
R
1
S
I
isin.rtg.e2IH 
rcoseIJ Thay:
isin.IKIH vaø:
Baûn moûng coù beà daøy e (hoặc d, t) vaø chieát suaát n
Chuøm tia song song từ k. khí (n
kk
) tôùi baûn moûng (n) döôùi
goùc tôùi i, phaûn xaï taïi I vaø J, cho chuøm phaûn xaï song song
2
11
 MSIRLL
MSIJKRLL 22 
n
kk
2
isin.tgr.e2
rcos
e
.n2LL 12

2rcos
rsin.ne2
rcos
ne2
LL
2
12

2
rsin1
rcos
ne2
LL 212

2
rsin1ne2LL 212

2n
isin
1ne2LL
2
2
12

2
isinne2LL 2212



kine 
2
sin2
22
* Vaân toái:
kLL 12 


2
1
2
sin2
22
kine
* Vaân saùng:
b. Ñieàu kieän ñeå coù vaân saùng, vaân toái (n
kk
<n):
 
2
1
12
kLL
)
2
1
(.2 ken
Thực tế: i~ 0
ken .2Giao thoa cực tiểu
Giao thoa cực đại
c. Hình daïng vaân giao thoa:
Vaân giao thoa coù daïng caùc vaân troøn saùng toái ñoàng
taâm coù taâm laø tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï L vaø
coù baùn kính f.tgi
f
n
i
i
J
K
e
M
R
2
R
1
S
I
O
M’
i’
i’
Hieäu quang loä L
2
- L
1
phuï thuoäc goùc tôùi i
Neáu 2 soùng aù.s phaûn xaï truyeàn theo caùc tia IR
1
vaø IJKR
2 
ñoàng pha
vôùi nhau taïi maét ngöôøi quan saùt thì ngöôøi quan saùt thaáy vuøng IK 
treân baûn moûng saùng (maøu ñoû, neáu soùng aù.s tôùi truyeàn theo tia SI laø 
aù.s ñoû)
Neáu 2 soùng aù.s phaûn xaï truyeàn theo caùc tia IR
1
vaø IJKR
2 
ñoái pha
vôùi nhau taïi maét ngöôøi quan saùt thì ngöôøi quan saùt thaáy vuøng IK 
treân baûn moûng toái.
n
K
e
R
2
R
1
S
I
J
Maét ngöôøi 
quan saùt
Môi trường b (truyền nhanh)Môi trường a (truyền chậm)
Truyền quaSóng tới
Sóng phản xạ
Sóng phản xạ không thay đổi pha
Sóng tới
Sóng phản xạ Truyền qua
Trước
Sau
Môi trường a Môi trường b 
Giống như a 
Truyền qua
Sóng tới
Không có sóng phản xạ
Sóng tới
Truyền qua
Môi trường b (truyền chậm)Môi trường a (truyền nhanh)
Truyền qua
Sóng tới
Sóng phản xạ
Sóng phản xạ thay đổi pha 1800
Sóng tới
Sóng phản xạ Truyền qua
SPX đổi pha 1800 Không đổi pha
SPX đổi pha 1800
Nếu ánh sáng truyền từ tới ở điều kiện bình thường
và có bước sóng 𝜆𝑛 trong phim mỏng
a. Nếu không có hoặc tất cả các sóng phản xạ ở
mặt phân cách cùng đổi pha 1800 thì
+ Giao thoa cực đại
+ Giao thoa cực tiểu
b. Nếu một trong các sóng có sự đổi pha 1800 thì
+ Giao thoa cực đại
+ Giao thoa cực tiểu
nke  2
nke )
2
1
(2 
k = 0, 1, 2, 3,
nke )
2
1
(2 
nke  2
k = 0, 1, 2, 3,
+ Ñieàu kieän cho chieát suaát baûn moûng:
Nn 
N
ne
d. ÖÙng duïng: Khöû phaûn xaï treân caùc maët kính
Traùng leân maët kính moät lôùp maøng moûng daøy e, chieát
suaát n sao cho 2 tia phaûn xaï treân 2 maët baûn moûng giao
thoa cöïc tieåu
22
1 nke

4
min
ne

+ Ñieàu kieän cho beà daøy baûn moûng:
ne2LL 12 
Hieäu quang loä cuûa 2 tia phaûn xaï treân 2 maët baûn moûng:
 
2
1
kLL 12
Ñeå khöû aùnh saùng phaûn xaï thì 2 tia phaûn xaï giao thoa cöïc 
tieåu
2. Baûn moûng coù beà daøy thay ñoåi:
2
e2LL 12

a- Neâm khoâng khí:
Ñoù laø lôùp khoâng khí giôùi haïn giöõa hai baûn thuûy tinh hôïp
vôùi nhau moät goùc raát nhoû
Chieáu chuøm tia saùng ñôn saéc song song vuoâng goùc vôùi baûn thuûy
tinh döôùi
S
I
J
* Hieäu quang loä cuûa 2 tia phaûn
xaï treân 2 maët neâm kh. khí:
2
2

 SIJISLL
R
,1 SIRLL 
e
Hai tia phaûn xaï ôû maët treân vaø döôùi cuûa neâm giao nhau taïi maët
treân cuûa neâm
Vaân giao thoa naèm ôû maët treân cuûa neâm khoâng khí
* Hình daïng vaân giao thoa:
Vaân giao thoa coù daïng caùc ñoaïn thaúng song song vôùi
caïnh neâm
1ke 
i
x
k
* Ñieàu kieän ñeå coù vaân saùng, vaân toái:


k
2
e2 sk + Vaân saùng: 22
1
kesk

ke
Hieäu quang loä phuï thuoäc beà daøy lôùp khoâng khí
+ Vaân toái: 

2
1
k
2
e2 tk
2
ketk

Vaân toái baäc k = 0, öùng vôùi e = 0
kk
k
e
sin
e
x * Vò trí vaân giao thoa:
Vaäy taïi caïnh neâm coù vaân toái
+ Vò trí vaân saùng:

22
1
kxsk 
+ Vò trí vaân toái:

2
kx tk 
+ Khoaûng caùch vaân:

2
)()1(
 ktkt xxi
Caùc vaân giao thoa caùch ñeàu nhau
c- Baûn cho vaân troøn Newton
* Hieäu quang loä caùc tia saùng
phaûn xaï treân maët cong cuûa thaáu
kính vaø treân baûn thuûy tinh:
O
M
H
Goàm moät baûn thuûy tinh phaúng vaø moät thaáu kính phaúng loài
ñaët sao cho maët loài tieáp xuùc vôùi baûn thuûy tinh
Chieáu chuøm tia saùng ñôn saéc song
song vuoâng goùc vôùi baûn thuûy tinh
2
e2LL 12

OHMHOM
222 OMH 
e
R
S
K
N I
r
* Hình daïng vaân giao thoa:
 2222 eRe2RrR 
R
r
e2
2
Vaân giao thoa coù daïng caùc ñöôøng troøn ñoàng taâm, coù taâm
laø ñieåm tieáp xuùc giöõa baûn thuûy tinh phaúng vaø moät thaáu
kính phaúng loài , coù baùn kính r.
Baùn kính vaân toái
(Giao thoa cực tiểu)
k
R
r
e tk 
2
2
kRrtk 
SPX không đổi pha
SPX đổi pha
a. Ño chieát suaát cuûa chaát loûng hay chaát khí baèng giao thoa 
keá Rayleigh
O1
O2
O
L1 L2
d
F L
n
0
n
0
n
0 
laø chieát suaát khoâng khí
n
n laø chieát suaát chaát khí hay chaát loûng caàn ño
  mdnn o on
d
m
n 

Neáu heä vaân giao thoa treân maøn dòch chuyeån m khoaûng vaân thì:
G2
S
P 
G1
P
b. Ño böôùc soùng aù.s baèng giao thoa keá Michelson (1881)
Neáu heä vaân giao thoa treân maøn 
dòch chuyeån m khoaûng vaân thì:
 md2
m
d2
  
Dòch (G
2
) moät khoaûng d
Hieäu quang loä giöõa 2 tia saùng (töø S 
ñeán maøn quan saùt trong kính ngaém) 
thay ñoåi laø 2d
d
o
o
G2
S
P 
G1
P
c. Ño chieàu daøi baèng giao thoa keá Michelson (1881)
* Ño chieàu daøi d cuûa moät vaät
Neáu heä vaân giao thoa treân maøn 
dòch chuyeån m khoaûng vaân thì:
 md2
2
m
d

Ñaët vaät coù chieàu daøi d caàn ño saùt 
vaøo göông (G
2
) sao cho tia saùng 
khoâng truyeàn qua vaät
Dòch (G
2
) doïc theo chieàu daøi d 
cuûa vaät
Hieäu quang loä giöõa 2 tia saùng (töø S 
ñeán maøn quan saùt trong kính ngaém) 
thay ñoåi laø 2d
d
o
o
* Ño beà daøy e cuûa moät baûn moûng trong suoát, chieát suaát n
Neáu heä vaân giao thoa treân maøn 
dòch chuyeån m khoaûng vaân thì:
  m1ne2
Ñaët baûn moûng coù beà daøy caàn ño
saùt vaøo göông (G
2
) ñeå cho tia 
saùng qua baûn moûng
Hieäu quang loä giöõa 2 tia saùng (töø S 
ñeán maøn quan saùt trong kính 
ngaém) thay ñoåi laø 2e(n-1)
G2
S
P 
G1
P
 1n2
m
e

o
o
Michelson ñöôïc nhaän giaûi
Nobel veà Vaät lyù naêm 1907
LiGO ứng dụng
 sóng hấp dẫn