Chương 2 - Make by Ngo Thi Phuong

1. TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí
Chuyên đề Quang học
Advanced Optics

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. Vật Lí - 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
2

3. 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, kính
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 bản
chuyển pha đặc biệt, ứng dụng
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
3

4. Phần 1: Mở đầu phân cực ánh sáng
AS tự nhiên và phân cực
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
4

5. Chạng vạng
Sao lấp
lánh
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
5

6. Kính mát
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
6

7. Ánh sáng tự nhiên
Mô hình sóng phẳng (plane wave model)
Ánh sáng là một sóng ngang - một sóng điện từ
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
7

8. Ánh sáng tự nhiên
Mô hình sóng phẳng (plane wave model)
bất cứ sóng điện từ nào đều có thể phân
tích dưới dạng 1 tập hợp sóng phẳng
vector sóng k , k = 2π / λ
hướng của vector sóng
hướng truyền
sóng
Mặt phẳng sóng
E ⊥ B,
cùng nằm ở mặt phẳng sóng
( E , B, k )
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
tạo thành 1 tam diện thuận
8

9. Mở đầu: Phân cực ánh sáng
Phân cực (polarization)
+ xuất phát từ tiếng Hi Lạp là “polos” – trục quay địa cầu
+ mô tả hướng dao động của trường điện trong 1 mặt
phẳng trực giao với phương truyền sóng
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
9

10. Ánh sáng tự nhiên – AS phân cực
Ánh sáng tự nhiên
Ánh sáng phân cực
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
10

11. Mở đầu phân cực ánh sáng
Ánh sáng truyền theo phương z
E x (z, t ) = E 0x cos( kz - ω t) x
E y (z, t ) = E 0y cos( kz - ω t + φ ) y
ε
hoặc
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
11

12. Mở đầu phân cực ánh sáng
: phân cực thẳng
: phân cực tròn
: phân cực elip
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
12

13. Các loại phân cực ánh sáng
1) Phân cực thẳng (linear polarization)
Hướng dao động của trường điện E là không đổi
theo thời gian
Phân cực ngang
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Phân cực dọc (đứng)
13

14. Các loại phân cực ánh sáng
1) Phân cực thẳng (linear polarization)
Ở một thời điểm, vector E có thể phân tích thành tổng 2 vector
theo phương x, y vuông góc với nhau
, E0x = 0, E0y khác 0
phân cực thẳng đứng dọc theo trục y
Ví dụ: AS phát ra từ màn hình LCD, từ màn hình máy tính
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
14

15. Các loại phân cực ánh sáng
1) Phân cực thẳng (linear polarization)
, E0x = E0y
Phân cực thẳng lệch góc 450
Phân cực thẳng: trường E bị “giam hãm” theo 1 hướng, dao động
sau, trước mà không có sự quay
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
15

16. Các loại phân cực ánh sáng
2) Phân cực tròn (circular polarization)
θ= 90º và E0x = E0y
Phân cực tròn: trường E có biên độ
không đổi và “quay” theo thời gian
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
16

17. Các loại phân cực ánh sáng
2) Phân cực tròn (circular polarization)
Theo thời gian, điểm cuối M của vector
E tạo thành 1 vòng tròn
θ= +90º : quay cùng chiều kim đồng hồ
θ= -90º: quay ngược chiều kim đồng hồ
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
17

18. Các loại phân cực ánh sáng
2) Phân cực tròn (circular polarization)
Phân cực tròn trái
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Phân cực tròn phải
18

19. Các loại phân cực ánh sáng
3) Phân cực ellip (elliptical polarization)
Phân cực ellip = Phân cực thẳng + phân cực tròn
(trường E vừa quay vừa có biên độ thay đổi theo thời gian)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
19

20. Kính phân cực cơ bản
Kính phân cực (Polarizer)
• Thiết bị cho phép chọn 1 hướng truyền song song của
ánh sáng tới làm một phương ưu tiên
• Ngăn chặn tất cả các hướng dao động vuông góc với
phương ưu tiên
• Kết quả thu được là một ánh sáng phân cực thẳng
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
20

21. Kính phân cực cơ bản
Kính phân tích (Analyzer)
• Thiết bị dùng để xác định hướng phân cực của ánh sáng
• Là một dạng của kính phân cực trong đó ta cho ánh sáng
truyền qua để phân tích
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
21

22. Định luật Malus (Malus’s law)
AS không phân cực
AS phân cực thẳng theo
trục truyền qua của
polarizer 1
AS phân cực theo
trục truyền qua của
polarizer 2
Etienne-Louis Malus
(1775 - 1812)
Sau khi qua polarizer 2, trường E2 là:
θ
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
22

23. Định luật Malus (Malus’s law)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
23

24. Định luật Brewster (Brewster’s law)
1812: thí nghiệm Brewster
n1
n2
Sir Brewster (1781 - 1868)
+ Ánh sáng phản xạ là phân cực
100% khi tia phản xạ vuông góc
tia khúc xạ
+ góc tới lúc này gọi là góc
Brewster
n2
tan θ B =
n1
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
24

25. Định luật Brewster (Brewster’s law)
Cửa sổ Brewster
Tách chùm tia laser khí
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
25

26. Độ phân cực (degree of polarization)
Ánh sáng phân cực toàn phần
Cường độ ánh sáng thấp nhất
Cường độ ánh sáng lớn nhất
Ánh sáng phân cực một phần
Cường độ ánh sáng phần phân cực
Cường độ ánh sáng không phân cực
Độ phân cực V còn được gọi là “tính khả kiến của vân” (fringe visibility)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
26

27. Các hình thức phân cực
Phân cực do hấp thụ (polarization by absorption)
Phân cực do phản xạ (polarization by reflection)
Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
Phân cực do môi trường dị hướng (polarization in
anisotropic media)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
27

28. 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 song
truyền qua
Ta có
Cường độ ánh sáng truyền qua:
Định luật Malus
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
28

29. Các hình thức phân cực
Phân cực do phản xạ (polarization by reflection)
Không phân cực
Phân cực hoàn toàn
Định luật Brewster
Ứng dụng: nhiều laser sử dụng thành
phần “góc Brewster” để tránh những
mất mát phản xạ:
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
29

30. Các hình thức phân cực
Phân cực do phản xạ
KHÔNG lọc
Ánh sáng phản xạ bị phân cực
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Lọc phân cực
30

31. Các hình thức phân cực
Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
Một sóng ngang không có trường E dọc theo phương truyền
sóng
Tán xạ hạt có các dao động phân cực một phần trong mặt
phẳng vuông góc với phương truyền sóng
Quan sát
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Ánh sáng tán xạ bị phân cực một
phần, với trường E vuông góc với
phương truyền sóng của sóng tới
31

32. Các hình thức phân cực
Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
Tại sao bầu trời màu
xanh?
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Hoàng hôn màu đỏ?
32

33. Các hình thức phân cực
Phân cực do tán xạ (polarization by scattering)
Khí quyển
Ánh sáng tán xạ bởi các hạt trong không khí tỉ lệ 1/λ4
Sun
E
Màu xanh dương: tán xạ nhiều nhất
Màu đỏ: tán xạ ít
Màu xanh lá cây: trung bình giữa 2 màu
Lúc hoàng hôn
Sun
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Khí quyển
E
33

34. Phương trình Fresnel
Fresnel equation
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
34

35. Phương trình Fresnel
Điều gì xảy ra?
khi ánh sáng truyền đến mặt phân cách giữa hai môi
trường có chiết xuất khác nhau
Chiết suất môi
trường tới
vector k của
ánh sáng tới
Vùng biên
Chiết suất môi
trường truyền
qua
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
35

36. Công thức Fresnel
Nhắc lại: vài thuật ngữ
Pháp tuyến với mặt
phẳng phản xạ
Mặt phẳng tới là mặt phẳng có
chứa vector sóng tới và sóng
phản xạ
ở đây: mặt phẳng tới là (yz)
Mặt phẳng phân cách là mặt phẳng xác định sự phân cách
của hai môi trường vật liệu
ở đây: (y=0, mặt phẳng xz) là mặt phẳng phân cách
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
36

37. Công thức Fresnel
Vài thuật ngữ
Trường E sẽ định hướng theo chiều nào?
1. Phân cực S (s-polarization):
2. Phân cực P (p-polarization):
phân cực vuông góc và hướng ra khỏi
mặt phẳng tới
phân cực song song và nằm song
song với mặt phẳng tới
Mặt phẳng phân cách
(y=0) vuông góc với màn hình
Mặt phẳng tới (z=0) là mặt phẳng màn hình
Phân cực TE
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Phân cực TM
37

38. Các loại phân cực ánh sáng
Phân cực p
Môi trường phản xạ
Phân cực s
Ánh sáng tới
Mặt phẳng tới
Ánh sáng phản xạ
Lưu lượng ánh sáng phản xạ (truyền qua) là khác
nhau đối với hai dạng ánh sáng phân cực tới
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
38

39. Phương trình Fresnel
Điều kiện biên (boundary conditions):
“thành phần tiếp tuyến của các trường
là liên tục”
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
39

40. 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 E
nằm trong mặt phẳng xz liên
tục khi ta di chuyển xuyên
qua mặt phân cách
Tất cả trường E đều nằm
theo hướng z, nằm trong mặt
phẳng phân cách
Mặt phân cách
Do vậy:
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
40

41. 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 mặt
phẳng phân cách là liên tục
Ở đây, tất cả trường B nằm
trong mặt phẳng xy, vì vậy ta
lấy thành phần x
Do vậy:
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
41

42. Hệ số phản xạ và truyền qua
Phân cực S: phân cực vuông góc
• Phần biên độ của sóng ánh sáng
• Ta có:
và
Thay vào phương trình thứ 2, thu được:
Thay tiếp
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
, suy ra:
42

43. Hệ số phản xạ và truyền qua
Phân cực S: phân cực vuông góc
Sắp xếp lại
Tính tỉ số
dẫn tới:
suy ra hệ số phản xạ:
Tương tự, tính ra hệ số truyền qua từ tỉ số
là:
Phương trình Fresnel cho phân cực vuông góc (s)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
43

44. Hệ số phản xạ và truyền qua
Phân cực S: phân cực vuông góc
Sắp xếp lại
Tính tỉ số
dẫn tới:
suy ra hệ số phản xạ:
Tương tự, tính ra hệ số truyền qua từ tỉ số
là:
Phương trình Fresnel cho phân cực vuông góc (s)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
44

45. 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:
Tương tự, xác định được hệ số truyền qua từ :
là:
Phương trình Fresnel cho phân cực song song (p)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
45

46. Tóm tắt…
sóng
sóng
tới
tới
mặt phân
cách
sóng
tới
mặt phân
cách
Vector E màu đỏ
Vector sóng k màu đen
sóng truyền qua
• Phân cực S
sóng truyền qua
• Phân cực P
Trong cả 2 loại phân cực:
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
46

47. Ví dụ về hệ số r, t
Mặt tiếp xúc thủy tinh – không khí
• Hai phân cực không thể phân
biệt được tại
• Phản xạ toàn phần tại
đối với cả 2 phân cực
• Phản xạ bằng 0 đối với phân
cực song song tại 56.3o
“Góc Brewster”
(Brewster’s angle)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
47

48. Ví dụ về hệ số r, t
Mặt tiếp xúc thủy tinh – không khí
• Phản xạ toàn phần khi góc tới
lớn hơn “góc tiêu chuẩn” (critical
angle)
đối với thủy tinh
– không khí
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
48

49. Sự phản xạ (reflectance R)
R=
Năng lượng phản xạ
A = diện tích
Năng lượng tới
• Góc tới = góc phản xạ
diện tích của tia sáng không thay đổi trong quá trình phản xạ
• Do vậy:
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
hay
49

50. Sự truyền qua (transmittance T)
T=
Năng lượng truyền qua
Năng lượng tới
A = diện tích
Giả sử chùm tia có
độ rộng là wi
Chùm tia mở rộng ra (hoặc thu hẹp lại) theo 1D trong quá trình khúc xạ
hay
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
50

51. Ví dụ về R và T của
Mặt phân cách thủy tinh – không khí
R+T=1
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
51

52. Ví dụ về R và T của
Mặt phân cách thủy tinh – không khí
• Góc tiêu chuẩn là như nhau trong cả hai trường hợp phân cực
• Và ta luôn có
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
R+T=1
52

53. Phản xạ vuông góc với tia tới
• Phản xạ vuông góc với tia tới:
• Khi đó phương trình Fresnel rút gọn thành:
Ví dụ: đối với mặt phân cách không khí – thủy tinh
và
và
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
53

54. 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 ra
từ radar đến xe hơi.
o Xe chạy với vận tốc lớn, xung
được phản xạ lại trở về radar với
tổng thời gian là ∆t – xác định
được.
o Thời gian lặp lại xung (thời gian
giữa 2 xung liên tiếp) là δt.
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
54

55. 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
o Khoảng cách về
thời gian đến của
hai xung:
o Vận tốc của xe:
2 L 2( L - ∆z ) 2∆z 2Vcarδ t
∆ti - ∆ti +1 =
=
=
c
c
c
c
vcar =
c ( ∆t )i - ( ∆t )i +1 


2 δt
Khoảng cách thực L giữa radar và xe không quan trọng trong việc đo vận
tốc xe, dù L có thể xác định được
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
55

56. Hết phần 1, chương 2
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
56