1. TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí
Chuyên đề Quang học
Advanced Optics
2. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
2
3. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
3
4. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
4
5. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
5
6. Cầu vồng bảy sắc,
mây ngũ sắc
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
6
10. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
10
11. Giới thiệu về hiện tượng tán sắc
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Định luật Snell:
11
12. Giới thiệu về hiện tượng tán sắc
Nhắc lại: hệ số khúc xạ (refractive index, index of refraction)
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
12
13. Giới thiệu về hiện tượng tán sắc
Nhắc lại: hệ số khúc xạ (refractive index, index of refraction)
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
13
14. 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 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
14
15. 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 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
15
16. 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)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
16
17. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
17
18. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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”
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
18
19. 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 của
điện trường E (bỏ qua từ trường quá nhỏ)
tắt dần
Khối lượng e- eKhối lượng
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Lực hồi phục
(liên kết giữa e- và hạt nhân)
lực
điện
19
20. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
20
21. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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
22. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
22
23. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Hằng số điện môi tổng quát
= ε 0ε r E
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
23
24. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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''
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
24
25. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Từ mối liên hệ giữa chiết suất và hằng số điện môi
hay
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
25
26. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
26
27. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
N và K
Phản xạ (%)
Mô hình dao động tử Lorentz
Energie (eV) (năng lượng)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
27
28. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
28
29. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
+ ω >> ω0 : vùng tần số cao
tán sắc thường
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
29
30. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
+ ω = ω0 : xung quanh vị trí cộng hưởng
Lúc đó
Sự hấp thụ là đáng kể
Tán sắc khác thường
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
30
31. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
31
32. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
32
33. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
33
34. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
34
35. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
• Tán sắc qua 1 giọt nước
Cách tạo cầu vồng
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
35
36. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu vồng
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
36
37. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu vồng đôi
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
37
38. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu
vồng đôi
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Màu sắc đảo ngược ?
38
39. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu
vồng đôi
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
39
40. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
• Kim cương lấp lánh
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
40
41. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
41
42. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ
dụng cụ quang học dùng để phân tích một ánh sáng tạp
thành các đơn sắc
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
42
43. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng lăng kính
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
43
44. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng lăng kính
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
44
45. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng cách tử
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
45
46. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng cách tử
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
46
47. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng cách tử
Ưu điểm:
+ độ phân giải cao
+ phổ rộng và chia đều
Mô hình dùng cho đa phần máy quang phổ
ngày nay
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
47
48. 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
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)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
48
49. 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 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…
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
49