Chương 2 - Make by Ngo Thi Phuong
-
Upload
hajunior9x -
Category
Documents
-
view
817 -
download
0
description
Transcript of Chương 2 - Make by Ngo Thi Phuong
TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí
Chuyên đề Quang họcAdvanced Optics
[1] Giáo trình quang học, Nguyễn Trần Trác – Diệp Ngọc Anh
[2] Bài tập quang học tập 2
– Tổ Vật lí đại cương – k. Vật Lí - 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
2ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Nội dung môn học
Chương 1: Hiện tượng tán sắc ánh sáng
Chương 2: Phân cực ánh sáng
Phần 1: Mở đầu phân cực ánh sáng
ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực, các loại phân cực, kínhphân cực, định luật Malus, Brewster, các hình thức phân cực, phân cực, định luật Malus, Brewster, các hình thức phân cực, phương trình Fresnel…
Phần 2: Phân cực qua môi trường dị hướng
phân cực qua môi trường dị hướng, bản tinh thể mỏng, các bảnchuyển pha đặc biệt, ứng dụng
Chương 3: Mở đầu về quang học phi tuyến
Chương 4: Những khái niệm cơ bản về QHPT3ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Phần 1: Mở đầu phân cực ánh sáng
� AS tự nhiên và phân cực� Các loại ánh sáng phân cực
4ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
� Các loại ánh sáng phân cực� Kính phân cực cơ bản� Định luật Malus, định luật Brewster� Các hình thức phân cực� Phương trình Fresnel
Chạng vạng
5ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Sao lấplánh
6ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Kính mát
Ánh sáng tự nhiênMô hình sóng phẳng (plane wave model)
7ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
� Ánh sáng là một sóng ngang - một sóng điện từ
Ánh sáng tự nhiên
� bất cứ sóng điện từ nào đều có thể phântích dưới dạng 1 tập hợp sóng phẳng� vector sóng� hướng của vector sóng � hướng truyềnsóng
, 2 /k k π λ=�
Mô hình sóng phẳng (plane wave model)
8ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Mặt phẳng sóng
� , cùng nằm ở mặt phẳng sóng
� tạo thành 1 tam diện thuận
E B⊥� �
( , , )E B k�� �
Mở đầu: Phân cực ánh sángPhân cực (polarization)
9ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
+ mô tả hướng dao động của trường điện trong 1 mặtphẳng trực giao với phương truyền sóng
+ xuất phát từ tiếng Hi Lạp là “polos” – trục quay địa cầu
Ánh sáng tự nhiên – AS phân cực
Ánh sáng tự nhiên
10ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Ánh sáng phân cực
Mở đầu phân cực ánh sáng
Ánh sáng truyền theo phương z
11ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
hoặc
y)t-kzcos(E)tz,(E
xt)-kzcos(E)tz,(E
0yy
0xx�
�
�
�
εωω
+=
=φ
Mở đầu phân cực ánh sáng
12ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
: phân cực thẳng
: phân cực tròn
: phân cực elip
�
�
�
Các loại phân cực ánh sáng
1) Phân cực thẳng (linear polarization)
Hướng dao động của trường điện E là không đổitheo thời gian
13ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phân cực ngang Phân cực dọc (đứng)
Các loại phân cực ánh sáng
Ở một thời điểm, vector E có thể phân tích thành tổng 2 vector theo phương x, y vuông góc với nhau
1) Phân cực thẳng (linear polarization)
14ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
, E0x = 0, E0y khác 0
phân cực thẳng đứng dọc theo trục yVí dụ: AS phát ra từ màn hình LCD, từ màn hình máy tính
Các loại phân cực ánh sáng
1) Phân cực thẳng (linear polarization)
, E0x = E0y
Phân cực thẳng lệch góc 450
15ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phân cực thẳng lệch góc 450
Phân cực thẳng: trường E bị “giam hãm” theo 1 hướng, dao độngsau, trước mà không có sự quay
Các loại phân cực ánh sáng
2) Phân cực tròn (circular polarization)
16ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
θ= 90º và E0x = E0y
Phân cực tròn: trường E có biên độkhông đổi và “quay” theo thời gian
Các loại phân cực ánh sáng
2) Phân cực tròn (circular polarization)
Theo thời gian, điểm cuối M của vectorE tạo thành 1 vòng tròn
17ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
θ= +90º : quay cùng chiều kim đồng hồ
θ= -90º: quay ngược chiều kim đồng hồ
Các loại phân cực ánh sáng
2) Phân cực tròn (circular polarization)
18ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phân cực tròn trái Phân cực tròn phải
Các loại phân cực ánh sáng
3) Phân cực ellip (elliptical polarization)
19ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phân cực ellip = Phân cực thẳng + phân cực tròn(trường E vừa quay vừa có biên độ thay đổi theo thời gian)
Kính phân cực cơ bản
� Kính phân cực (Polarizer)
20ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Thiết bị cho phép chọn 1 hướng truyền song song củaánh sáng tới làm một phương ưu tiên
• Ngăn chặn tất cả các hướng dao động vuông góc vớiphương ưu tiên• Kết quả thu được là một ánh sáng phân cực thẳng
Kính phân cực cơ bản
� Kính phân tích (Analyzer)
21ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Thiết bị dùng để xác định hướng phân cực của ánh sáng
• Là một dạng của kính phân cực trong đó ta cho ánh sángtruyền qua để phân tích
Định luật Malus (Malus’s law)
AS không phân cực
22ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Etienne-Louis Malus(1775 - 1812)
AS phân cực thẳng theotrục truyền qua củapolarizer 1
AS phân cực theotrục truyền qua củapolarizer 2
θ
Sau khi qua polarizer 2, trường E2 là:
Định luật Malus (Malus’s law)
23ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Định luật Brewster (Brewster’s law)
n1
n2
1812: thí nghiệm Brewster
Sir Brewster (1781 - 1868)
24ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
+ Ánh sáng phản xạ là phân cực100% khi tia phản xạ vuông góctia khúc xạ
+ góc tới lúc này gọi là gócBrewster
2
1
tan B
n
nθ =
Định luật Brewster (Brewster’s law)
� Cửa sổ Brewster
25ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Tách chùm tia laser khí
Độ phân cực (degree of polarization)
� Ánh sáng phân cực toàn phần
Cường độ ánh sáng thấp nhấtCường độ ánh sáng lớn nhất
26ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
� Ánh sáng phân cực một phần
Độ phân cực V còn được gọi là “tính khả kiến của vân” (fringe visibility)
Cường độ ánh sáng lớn nhất
Cường độ ánh sáng phần phân cựcCường độ ánh sáng không phân cực
Các hình thức phân cực
� Phân cực do hấp thụ (polarization by absorption)
� Phân cực do phản xạ (polarization by reflection)
27ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
� Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
� Phân cực do môi trường dị hướng (polarization in anisotropic media)
Các hình thức phân cực� Phân cực do hấp thụ (polarization by absorption)
Ánh sáng phân cực truyền qua 1 kính phân cực 1 lệch góc θ
thành phần song songtruyền qua
28ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Cường độ ánh sáng truyền qua:Ta có
Định luật Malus
Các hình thức phân cực� Phân cực do phản xạ (polarization by reflection)
Định luật Brewster
Phân cực hoàn toànKhông phân cực
29ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Định luật Brewster
Ứng dụng: nhiều laser sử dụng thànhphần “góc Brewster” để tránh nhữngmất mát phản xạ:
Các hình thức phân cực� Phân cực do phản xạ
30ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
KHÔNG lọc Lọc phân cực
Ánh sáng phản xạ bị phân cực
Các hình thức phân cực� Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
Một sóng ngang không có trường E dọc theo phương truyềnsóngTán xạ hạt có các dao động phân cực một phần trong mặtphẳng vuông góc với phương truyền sóng
31ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
phẳng vuông góc với phương truyền sóng
Quan sát
Ánh sáng tán xạ bị phân cực mộtphần, với trường E vuông góc vớiphương truyền sóng của sóng tới
Các hình thức phân cực� Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
32ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Tại sao bầu trời màuxanh?
Hoàng hôn màu đỏ?
Các hình thức phân cực� Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
ESun
Khí quyển
Màu xanh dương: tán xạ nhiều nhất
Ánh sáng tán xạ bởi các hạt trong không khí tỉ lệ 1/λ4
33ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Màu xanh dương: tán xạ nhiều nhấtMàu đỏ: tán xạ ítMàu xanh lá cây: trung bình giữa 2 màu
Lúc hoàng hôn
ESun
Khí quyển
Phương trình FresnelFresnel equation
� Sóng điện từ ở vùng biên
34ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
� Sóng điện từ ở vùng biên� Hệ số phản xạ r, hệ số truyền qua t � Sự phản xạ R, sự truyền qua T� Phản xạ vuông góc tia tới
Phương trình Fresnel
Điều gì xảy ra?Điều gì xảy ra?khi ánh sáng truyền đến mặt phân cách giữa hai môi
trường có chiết xuất khác nhau
35ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Vùng biên
vector k củaánh sáng tớiChiết suất môi
trường tới
Chiết suất môitrường truyềnqua
Công thức Fresnel� Nhắc lại: vài thuật ngữ
Pháp tuyến với mặtphẳng phản xạ
Mặt phẳng tới là mặt phẳng cóchứa vector sóng tới và sóngphản xạ
36ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
phản xạ
ở đây: mặt phẳng tới là (yz)
Mặt phẳng phân cách là mặt phẳng xác định sự phân cáchcủa hai môi trường vật liệuở đây: (y=0, mặt phẳng xz) là mặt phẳng phân cách
Công thức Fresnel� Vài thuật ngữ
Trường E sẽ định hướng theo chiều nào?
1. Phân cực S (s-polarization): phân cực vuông góc và hướng ra khỏimặt phẳng tới
2. Phân cực P (p-polarization): phân cực song song và nằm song song với mặt phẳng tới
37ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Mặt ph ẳng phân cách(y=0) vuông góc với màn hình
Mặt ph ẳng tới (z=0) là mặt phẳng màn hình
Phân cực TE Phân cực TM
Các loại phân cực ánh sáng
Môi trường phản xạ
Ánh sáng tới
Phân cực s
Phân cực p
38ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Lưu lượng ánh sáng phản xạ (truyền qua) là khácnhau đối với hai dạng ánh sáng phân cực tới
Ánh sáng phản xạMặt phẳng tới
Ánh sáng tới
Phương trình Fresnel
Điều kiện biên (boundary conditions):
“thành phần tiếp tuyến của các trườnglà liên tục”
39ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
là liên tục”
Điều kiện biên cho trường E� Phân cực S: trường E vuông góc
Thành phần tiếp tuyến của trường E là liên tục
Thành phần của trường Enằm trong mặt phẳng xz liêntục khi ta di chuyển xuyênqua mặt phân cách
40ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Mặt phân cách
qua mặt phân cách
Tất cả trường E đều nằmtheo hướng z, nằm trong mặtphẳng phân cách
Do vậy:
Điều kiện biên cho trường B� Phân cực S:
Thành phần tiếp tuyến của trường B (B/µ) là liên tục
Trường B tổng trong mặtphẳng phân cách là liên tục
41ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Ở đây, tất cả trường B nằmtrong mặt phẳng xy, vì vậy talấy thành phần x
Do vậy:
Hệ số phản xạ và truyền qua� Phân cực S: phân cực vuông góc
• Phần biên độ của sóng ánh sáng
• Ta có: và
42ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Ta có: và
Thay vào phương trình thứ 2, thu được:
Thay tiếp , suy ra:
Hệ số phản xạ và truyền qua� Phân cực S: phân cực vuông góc
Sắp xếp lại dẫn tới:
Tính tỉ số suy ra hệ số phản xạ:
43ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phương trình Fresnel cho phân cực vuông góc (s)
Tương tự, tính ra hệ số truyền qua từ tỉ số là:
Hệ số phản xạ và truyền qua� Phân cực S: phân cực vuông góc
Sắp xếp lại dẫn tới:
Tính tỉ số suy ra hệ số phản xạ:
44ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phương trình Fresnel cho phân cực vuông góc (s)
Tương tự, tính ra hệ số truyền qua từ tỉ số là:
Hệ số phản xạ và truyền qua� Phân cực P: trường E song song
Đối với phân cực song song,
và:
Tính tỉ số suy ra hệ số phản xạ:
45ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Phương trình Fresnel cho phân cực song song (p)
Tính tỉ số suy ra hệ số phản xạ:
Tương tự, xác định được hệ số truyền qua từ : là:
Tóm tắt…
sóngtới
Vector E màu đỏVector sóng k màu đen
sóngtới
mặt phâncách
mặt phâncách
sóngtới
46ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Trong cả 2 loại phân cực:
• Phân cực S • Phân cực P
sóng truyền qua sóng truyền qua
Ví dụ về hệ số r, t� Mặt tiếp xúc thủy tinh – không khí
• Hai phân cực không thể phânbiệt được tại
• Phản xạ toàn phần tạiđối với cả 2 phân cực
47ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Phản xạ bằng 0 đối với phâncực song song tại 56.3o
“Góc Brewster” (Brewster’s angle)
Ví dụ về hệ số r, t� Mặt tiếp xúc thủy tinh – không khí
• Phản xạ toàn phần khi góc tới
48ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Phản xạ toàn phần khi góc tớilớn hơn “góc tiêu chuẩn” (critical angle)
đối với thủy tinh– không khí
Sự phản xạ (reflectance R)
Năng lượng phản xạ
Năng lượng tớiR = A = diện tích
49ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Góc tới = góc phản xạ�diện tích của tia sáng không thay đổi trong quá trình phản xạ
• Do vậy: hay
Sự truyền qua (transmittance T)
Năng lượng truyền qua
Năng lượng tớiT = A = diện tích
Giả sử chùm tia cóđộ rộng là wi
50ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Chùm tia mở rộng ra (hoặc thu hẹp lại) theo 1D trong quá trình khúc xạ
hay
Ví dụ về R và T của� Mặt phân cách thủy tinh – không khí
51ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
R + T = 1
Ví dụ về R và T của� Mặt phân cách thủy tinh – không khí
52ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
• Góc tiêu chuẩn là như nhau trong cả hai trường hợp phân cực
R + T = 1• Và ta luôn có
Phản xạ vuông góc với tia tới
• Phản xạ vuông góc với tia tới:
• Khi đó phương trình Fresnel rút gọn thành:
53ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
Ví dụ: đối với mặt phân cách không khí – thủy tinh
và
và
Phản xạ vuông góc với tia tới
• Ứng dụng: Radar phát xung để xác định vận tốc của xe hơi
o Xung điên từ (sóng tới) phát ratừ radar đến xe hơi.
o Xe chạy với vận tốc lớn, xung
54ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
được phản xạ lại trở về radar vớitổng thời gian là ∆t – xác địnhđược.
o Thời gian lặp lại xung (thời giangiữa 2 xung liên tiếp) là δt.
Phản xạ vuông góc với tia tới
• Ứng dụng: Radar phát xung để xác định vận tốc của xe hơi
o Trong suốt thời gian δt, xe chạy được một khoảng cách là ∆z; do vậy, vận tốc của xe có thể xác định được
1
2 2 2( - ) 2- - car
i i
V tL L z zt t
δ+
∆ ∆∆ ∆ = = =o Khoảng cách vềthời gian đến của
55ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô
1- -i it tc c c c+∆ ∆ = = =
( ) ( ) 1-
2 i i
car
c t tv
tδ+
∆ ∆ =
thời gian đến củahai xung:
o Vận tốc của xe:
Khoảng cách thực L giữa radar và xe không quan trọng trong việc đo vậntốc xe, dù L có thể xác định được
Hết phần 1, chương 2
56ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô