advanced optics chap 1

TS. Ngô Thị Phương

Khoa Vật lí

Chuyên đề Quang họcAdvanced Optics

Nội dung môn học

Chương 1: Hiện tượng tán sắc ánh sáng

Chương 2: Phân cực ánh sáng

� 4 chương lí thuyết + bài tập

Chương 2: Phân cực ánh sáng

Chương 3: Mở đầu về quang học phi tuyến

Chương 4: Những khái niệm cơ bản về QHPT

2ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

[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

Tài liệu tham khảo

[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

3ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Đánh gía kết quả môn học

Đánh giá quá trình Thi k ết thúc

học phầnChuyên cần Bài tập nhóm hoặc Tiểu

luận

Thi giữa học

phần

5% 15% 20% 60%

4ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

5% 15% 20% 60%

� Thi giữa học phần: seminar (+ tiểu luận)

� Bài tập nhóm

� Thi cuối kì : trắc nghiệm hoặc tự luận

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

5ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

6ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Cầu vồng bảy sắc, mây ngũ sắc

7ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Halos, sundog, sun pillars

8ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Kim cương lấp lánh

Dispersion of light

9ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

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 riêngtương ứng.

� 2 cơ chế vật lí chính:

10ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

� 2 cơ chế vật lí chính:

� Tán sắc vật liệu: hệ số khúc xạ của vật liệu phụ thuộc vào bướcsóng

� Tán sắc nhiễu xạ: ánh sáng bị nhiễu xạ qua những cấu trúc khe, góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng

Giới thiệu về hiện tượng tán sắc

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

� Hệ số khúc xạ: môi trường khônghấp thụ

Pháp tuyếnGóctới

Không khí

11ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

� Định luật Snell:

• 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

Giới thiệu về hiện tượng tán sắc

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

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

Môi trường không từ tính

12ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

� Công thức tổng quát: trong môi trường có mất mát năng lượng

Hệ số khúc xạ Hệ số tắt dần

hệ số khúc xạ biểu diễn dưới dạng 1 số phức n*

Giới thiệu về hiện tượng tán sắc

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

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

13ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

http://refractiveindex.infohttp://www.pvlighthouse.com.au

Giới thiệu về hiện tượng tán sắc

Hiện tượng tán sắc ánh sáng (dispersion of light)

+ hiện tượng hệ số khúc xạ của môi trường thay đổi theobước sóng

� Chiết suất môi trường và bước sóng ( )n f λ=

14ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

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

Giới thiệu về hiện tượng tán sắc

� Số Abbe (Abbe number)

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

15ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

luôn dương

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

1.1 Hiện tượng tán sắc thường

� Tán sắc thường: trong quang phổ, vùng mà ánh sáng đi qua môitrường không bị hấp thụ, chiết suất giảm khi bước sóng tăng dần (tần sốtăng dần)

16ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

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

17ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

+ vùng sóng điện từ quan sát

Ví dụ: Thủy tinh là vật liệu trong suốtTần số thấp: tán sắc thườngTần số cao: tán sắc bất thường

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc� Mẫu dao động Lorentz (Lorentz model)

lò xo, k

hạt nhân

18ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

� Định luật Hooke:

Tần số góc cộng hưởng riêng của “lò xo”

� Áp dụng định luật II Newton:

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

� Mẫu dao động Lorentz cho hàm điện môi

• Phương trình dao động của electron dưới tác động củađiện trường E (bỏ qua từ trường quá nhỏ)

19ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

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

lựcđiện

tắt dần

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc� Mẫu dao động Lorentz cho hàm điện môi

� Giải phương trình biến số phức

Cộng hưởng tự nhiên

20ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắcCộng hưởng dao động

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

21ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Tần số thấp Vị trí cộng hưởng Tần số cao

Biên độ trung bình Biên độ lớn Biên độ biến mất

Độ dịch chuyển y cùng pha với Ey

Độ dịch chuyển y lệchpha 900 với Ey

Độ dịch chuyển y ngược pha với Ey

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

Sự dịch chuyển của điện tích liên quan trực tiếp đến sự phâncực của vật liệu

Xét sự phân cực tuyến tính theo hướng y

Viết lại phương trình cho sự phân cực

P�

22ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Viết lại phương trình cho sự phân cực

Tần số plasma

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

� Hằng số điện môi tổng quát

23ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

0 r Eε ε=�

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

� Hằng số điện môi tương đối

2' ''

2 20

1( )

pr r rj

j

ωε ε ε

ω ω γω= + = −

− +

hay

24ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

hay

'rε

''rε

Phần thực �

Phần ảo �

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

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

25ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

hay

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

Hệ số khúc xạ phức

26ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

+ ω < ω0 : tán sắc thường: n giảm, λ tăng+ ω > ω0 : tán sắc khác thường: n giảm, λ giảm

K

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

Mô hình dao động tử Lorentz

xạ(%

)

K

27ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Energie (eV) (năng lượng)

Phả

nxạ

N v

àK

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắcGiải thích toán học từ mô hình hàm điện môi

+ ω ω ω ω << ωωωω0000 : vùng tần số thấp

28ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

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

tán sắc thường

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

+ ω ω ω ω >> ωωωω0000 : vùng tần số cao

29ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

tán sắc thường

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

+ ω ω ω ω = ωωωω0000 : xung quanh vị trí cộng hưởng

30ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Lúc đó

Sự hấp thụ là đáng kể

Tán sắc khác thường

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

� Vài hệ thức tán sắc khác:

� Công thức Sellmeier :

31ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Đối với các loại thủy tinh:

Dùng để phân loại thủy tinh của các nhà sản xuất

Đúng cho hầu hết các vật liệu quang học trong suốt

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

32ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc

� Công thức Cauchy:

Phạm vi áp dụng:

33ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

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

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

• Tán sắc qua 1 lăng kínhánh sáng trắng bị phân tích thành những ánh sáng đơn sắc

34ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Quang phổtập hợp dải màu tương ứng của

các ánh sáng đơn sắc

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

• Tán sắc qua 1 giọt nước

Cách tạo cầu vồng

35ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

Cầu vồng

36ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

Cầu vồng đôi

37ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

Cầuvồng đôi

38ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

vồng đôi

Màu sắc đảo ngược ?

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

Cầuvồng đôi

39ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

vồng đôi

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

• Kim cương lấp lánh

40ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường

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

41ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.4 Máy quang phổ

Kính quang phổ

dụng cụ quang học dùng để phân tích một ánh sáng tạpthành các đơn sắc

42ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.4 Máy quang phổ

� Kính quang phổ dùng lăng kính

43ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.4 Máy quang phổ

� Kính quang phổ dùng lăng kính

44ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.4 Máy quang phổ

� Kính quang phổ dùng cách tử

45ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.4 Máy quang phổ

� Kính quang phổ dùng cách tử

46ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

1.4 Máy quang phổ� Kính quang phổ dùng cách tử

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

47ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Mô hình dùng cho đa phần máy quang phổngày nay

+ phổ rộng và chia đều

1.4 Máy quang phổ

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

48ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

• Dựa trên sự tương tác giữa sóng điện từ với vật chấtthông qua việc quan sát phổ của chúng

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

1.4 Máy quang phổ

� Nguyên tắc phân loại:o Loại năng lượng phát xạ

bức xạ điện từ, hạt – sóng DeBroglie, sóng âm, sóng cơo 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

49ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

� Một số loại máy quang phổ:o Quang phổ Ramano Quang phổ hồng ngoạio Quang phổ UVo Quang phổ tia Xo …

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

Hết chương 1Hết chương 1

50ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô