1. TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí
Chuyên đề Quang học
Advanced Optics
2. 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 hhhhọcccc
T. P. Ngô
3. [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 hhhhọcccc
T. P. Ngô
4. Đánh gía kết quả môn học
Đánh giá quá trình Thi kết thúc
học phần
Chuyên cần Bài tập nhóm hoặc Tiểu
luận
Thi giữa học
phần
5% 15% 20% 60%
4ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
5% 15% 20% 60%
Thi giữa học phần: seminar (+ tiểu luận)
Bài tập nhóm
Thi cuối kì : trắc nghiệm hoặc tự luận
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
5ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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:
10ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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
11. Giới thiệu về hiện tượng tán sắc
Nhắc lại: hệ số khúc xạ (refractive index, index of refraction)
Hệ số khúc xạ: môi trường không
hấp thụ
Pháp tuyến
Góc
tới
Không khí
11ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. 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
12. 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 hhhhọcccc
T. 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*
13. Giới thiệu về hiện tượng tán sắc
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
Nhắc lại: hệ số khúc xạ (refractive index, index of refraction)
13ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
http://refractiveindex.info
http://www.pvlighthouse.com.au
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=
14ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Số Abbe (Abbe number)
Cho biết mức độ tán sắc của vật liệu
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
15ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
luôn dương
Số Abbe càng lớn, môi trường càng ít bị tán sắc – sự thay đổi hệ số
khúc xạ nhỏ theo bước sóng
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)
16ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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
17ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
+ 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
18. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Mẫu dao động Lorentz (Lorentz model)
lò xo, k
hạt nhân
18ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Định luật Hooke:
Tần số góc cộng hưởng riêng của “lò xo”
Áp dụng định luật II Newton:
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)
19ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Khối lượng e-Khối lượng e- Lực hồi phục
(liên kết giữa e- và hạt nhân)
lực
điện
tắt dần
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
20ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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
21ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. 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 lệch
pha 900 với Ey
Độ dịch chuyển y
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
Xét sự phân cực tuyến tính theo hướng y
Viết lại phương trình cho sự phân cực
P
22ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Viết lại phương trình cho sự phân cực
Tần số plasma
23. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Hằng số điện môi tổng quát
23ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
0 r Eε ε=
24. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Hằng số điện môi tương đối
2
' ''
2 2
0
1
( )
p
r r rj
j
ω
ε ε ε
ω ω γω
= + = −
− +
hay
24ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
hay
'
rε
''
rε
Phần thực
Phần ảo
25. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Từ mối liên hệ giữa chiết suất và hằng số điện môi
25ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
hay
26. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Hệ số khúc xạ phức
26ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
+ ω < ω0 : tán sắc thường: n giảm, λ tăng
+ ω > ω0 : tán sắc khác thường: n giảm, λ giảm
K
27. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Mô hình dao động tử Lorentz
xạ(%)
K
27ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Energie (eV) (năng lượng)
Phảnxạ
NvàK
28. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Giải thích toán học từ mô hình hàm điện môi
+ ωωωω << ωωωω0000 : vùng tần số thấp
28ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Khi - Hấp thụ không đáng kể
- vật liệu trở thành “trong suốt”
tán sắc thường
29. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
+ ωωωω >> ωωωω0000 : vùng tần số cao
29ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
tán sắc thường
30. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
+ ωωωω = ωωωω0000 : xung quanh vị trí cộng hưởng
30ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Lúc đó
Sự hấp thụ là đáng kể
Tán sắc khác thường
31. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Vài hệ thức tán sắc khác:
Công thức Sellmeier :
31ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. 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
32. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
32ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
33. 1.3 Lí thuyết về hiện tượng tán sắc
Công thức Cauchy:
Phạm vi áp dụng:
33ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. 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
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
34ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
Quang phổ
tập hợp dải màu tương ứng của
các ánh sáng đơn sắc
35. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
• Tán sắc qua 1 giọt nước
Cách tạo cầu vồng
35ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
36. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu vồng
36ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
37. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu vồng đôi
37ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
38. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu
vồng đôi
38ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
vồng đôi
Màu sắc đảo ngược ?
39. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
Cầu
vồng đôi
39ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
vồng đôi
40. Ví dụ về hiện tượng tán sắc thường
• Kim cương lấp lánh
40ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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
41ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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
42ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
43. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng lăng kính
43ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
44. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng lăng kính
44ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
45. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng cách tử
45ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
46. 1.4 Máy quang phổ
Kính quang phổ dùng cách tử
46ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
47. 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 hhhhọcccc
T. P. Ngô
Mô hình dùng cho đa phần máy quang phổ
ngày nay
+ phổ rộng và chia đều
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
48ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
• 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)
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
49ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
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 …
nguyên tử, phân tử, tinh thể, vật liệu mở rộng
50. Hết chương 1Hết chương 1
50ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọcccc
T. P. Ngô
