O slideshow foi denunciado.
Utilizamos seu perfil e dados de atividades no LinkedIn para personalizar e exibir anúncios mais relevantes. Altere suas preferências de anúncios quando desejar.

Chương 2.2 - Make by Ngo Thi Phuong

1.914 visualizações

Publicada em

Chương 2.2 - Make by Ngo Thi Phuong

  • Entre para ver os comentários

Chương 2.2 - Make by Ngo Thi Phuong

  1. 1. TS. Ngô Thị Phương Khoa Vật lí Chuyên đề Quang học Advanced Optics
  2. 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. 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. 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 3
  4. 4. 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 4
  5. 5. 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 5
  6. 6. Phần 2: Phân cực do môi trường dị hướng Polarization in anisotropic media Phân cực do môi trường dị hướng Bản tinh thể mỏng Các loại bản chuyển pha đặc biệt Ứng dụng của phân cực ánh sáng Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 6
  7. 7. Giới thiệu về Tensor Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 7
  8. 8. Tensor Định nghĩa về Tensor Theo từ điển Oxford: Theo Wikipedia: Tensors are geometric objects that describe linear relationsbetween vectors, scalars, and other tensors • Tensor là một phép toán tương tự nhưng tổng quát hơn 1 vector, được biểu diễn bằng một dãy các thành phần, mà chúng hàm số theo tọa độ của không gian. • Kí hiệu tensor: là dạng viết tắt toán tử, dùng để viết các đại lượng quen thuộc vô hướng, vector, ma trận Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 8
  9. 9. Tensor Các tensor thông dụng • Vô hướng (tensor bậc 0): đại lượng chỉ có độ lớn, không có hướng - (30 = 1 thành phần) vd: khối lượng, nhiệt độ, áp suất • Vector (tensor bậc 1): đại lượng có độ lớn và có hướng; bao gồm cả ma trận cột và dòng - (31 = 3 thành phần) vd: vector vận tốc, vector lực • Ma trận (tensor bậc 2, dyad): độ lớn + 2 hướng – (32 = 9 thành phần) vd: hàm điện môi, độ dẫn điện • Tensor bậc 3 (triad): độ lớn + 3 hướng - (33 = 27 thành phần) • …(các bậc cao hơn) Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 9
  10. 10. Tensor Ví dụ về tensor trong vật lí Trong điện động lực học cổ điển • Dòng mật độ từ trường B, đơn vị là Dòng cảm ứng từ H đơn vị là • Hệ thức liên hệ giữa B và H thông qua độ từ thẩm µ, đơn vị là o Chân không: µ là vô hướng B và H khác về độ lớn, cùng hướng o Môi trường phức tạp: µ biểu diễn dưới dạng 1 tensor B và H khác cả về độ lớn và về hướng Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 10
  11. 11. Tensor Ví dụ về tensor trong vật lí Trong cơ học vật rắn • Sức căng của vật liệu có đơn vị là lực/đơn vị diện tích, hay là N/m2 (Sức căng) x (diện tích) lực vector Phụ thuộc vào lực bên ngoài tác động • Diện tích vi phân: vector dS (độ lớn dS) x vector hướng vuông góc với phần nhỏ diện tích Vô hướng biểu diễn bằng 1 con số • Sức căng của vật liệu có thể là Vector Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 11
  12. 12. Tensor Ví dụ về tensor trong vật lí Hai loại sức căng của vật liệu có thể là • sự giãn nở (lực pháp tuyến) • sự gãy vỡ (lực tiếp tuyến) Sức căng biểu diễn dưới dạng (vector x vector) (dyad) Tensor bậc 2 • Lực dF gây ra sức căng T ở diện tích vi phân dS Tensor đầu tiên trong vật lí Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 12
  13. 13. Tensor 3 qui tắc kí hiệu Enstein 1) Nếu 1 chỉ số xuất hiện trong thuật ngữ, nó thể hiện các thành phần của 1 tensor – hay gọi là bậc của tensor +p +u + σij tensor p bậc 0 ) là 1 vector , ui = ( u1 , u2 ,u3 ) là tensor bậc 2 σ 11σ 12σ 13  σ ij = σ 21σ 22σ 23    σ 31σ 32σ 33    Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 13
  14. 14. Tensor 3 qui tắc kí hiệu Enstein 2) Nếu chỉ số giống nhau được lặp lại trong cùng 1 thuật ngữ thì nghĩa là ta lấy tổng trên mọi hướng nghĩa là vô hướng nghĩa là vô hướng nghĩa là vector Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 14
  15. 15. Tensor 3 qui tắc kí hiệu Enstein 3) Trong 1 phương trình, chỉ số tự do phải là như nhau trong cùng 1 thuật ngữ Đúng Sai Sai Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 15
  16. 16. Tensor Ma trận và tensor (matrix and tensor) • Ma trận A bậc (MxN) là một dãy hình chữ nhật có chứa các số thực hoặc phức xếp theo M dòng và N cột gọi là phần tử hay thành phần của ma trận A Kí hiệu: • Ma trận A (1xN): ma trận hàng Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô • Ma trận A (Mx1): ma trận cột 16
  17. 17. Tensor Vector và tensor Kí hiệu vector u = ux i + u y j + uz k = (u x , u y , u z ) u x    = u y  u   z Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô Kí hiệu tensor ui = u1e1 + u2 e1 + u3e3 = (u1 , u2 , u3 ) u1  = u 2    u3    17
  18. 18. Phân cực trong môi trường dị hướng Polarization in anisotropic media Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 18
  19. 19. Sóng lan truyền trong môi trường Phương trình Maxwell tổng quát o Môi trường đẳng hướng ε là vô hướng o Môi trường dị hướng • Phương trình Maxwell Di = ε 0 ∑ j = x, y, z ε ij E j i=x,y,z εx , εy , εz là hằng số điện môi chính + Mối liên hệ giữa ε và n: • Hệ thức tensor µr ε i = ni2 2 i=x,y,z  nx 0  [ε r ] =  0 ny2 0  Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 0 0  0  nz2  19
  20. 20. Sự lan truyền của sóng điện từ Nhắc lại: môi trường đẳng hướng (isotropic media) • Điều kiện môi trường đẳng hướng: không điện tích, không dòng điện ρ =0 và J =0 • Phương trình Maxwell: • Phân cực: khi lan truyền trong môi trường, sóng điện từ tạo ra một sự phân cực, thêm vào sư phân cực của chân không Giả sử môi trường không có từ tính Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 20
  21. 21. Sóng lan truyền trong môi trường Môi trường đẳng hướng • Nghiệm của PT Maxwell: biểu diễn dưới dạng sóng phẳng (các trường khác có cùng dạng biểu diễn) • Ta thu được: o Vector E và D song song và ngang o Vector D và H trực giao với nhau, ngang o Vector Poynting R song song với vector sóng k Sóng điện từ lan truyền trong môi trường đẳng hướng không phụ thuộc vào sự phân cực riêng Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 21
  22. 22. Câu hỏi: sóng điện từ lan truyền trong môi trường dị hướng thì thế nào? Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 22
  23. 23. Phân cực trong môi trường dị hướng Môi trường dị hướng là gì? Điện tích trong vật chất nguồn gốc của sự phân cực Điện tích trong vật chất liên kết với hạt nhân bên cạnh theo mô hình “vật nặng và lò xo” Trong môi trường dị hướng: độ cứng của các lò xo là khác nhau, phụ thuộc vào sự định hướng (của môi trường) Các hố thế tĩnh điện lưu giữ các hạt điện tích không còn tính đối xứng sự phân cực của môi trường không nhất thiết cùng hướng với trường tác động Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 23
  24. 24. Phân cực do môi trường dị hướng Môi trường dị hướng là gì? Trục quang học Ánh sáng tới không phân cực CaCO3 Tia thường Tia bất thường Tinh thể Môi trường dị hướng (anisotropic media): “an = not”, “iso=same”, tính chất không như nhau theo mỗi hướng “tropic=direction” Ví dụ: tinh thể rắn, chất lỏng… Kết quả: + Hệ số khúc xạ phụ thuộc vào sự phân cực + Vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào sự phân cực Môi trường dị hướng là môi trường trong đó sự lan truyền của sóng điện từ phụ thuộc vào trạng thái phân cực riêng của chúng Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 24
  25. 25. Phân cực do môi trường dị hướng Hằng số điện môi (permittivity) Trong môi trường dị hướng, độ nhạy thẩm (susceptibility) và hằng số điện môi (permittivity) không là vô hướng, chúng là những tensor (ma trận (3x3)) Môi trường không có hấp thụ, tensor ε là đối xứng • Ta vẫn có biểu thức: Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô gọi là hệ số khúc xạ chính 25
  26. 26. Phân cực do môi trường dị hướng Môi trường dị hướng (anisotropic media) Phân loại môi trường dị hướng theo hằng số điện môi Môi trường đẳng hướng chiết suất n Môi trường dị hướng đơn trục (Oz) Môi trường dị hướng lưỡng trục Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 26
  27. 27. Phân cực do môi trường dị hướng Môi trường dị hướng là gì? • Trong môi trường dị hướng ánh sáng chiếu đến một hay hai hướng đặc biệt mà hệ số khúc xạ như nhau, độc lập với sự phân cực của chúng. + hướng đặc biệt này gọi là trục quang học + trục quang học là một hướng trong tinh thể, không phải là 1 hướng khác biệt + tinh thể có 2 trục quang học gọi là tinh thể lưỡng trục + ở đây chỉ xét tinh thể đơn trục (có 1 trục quang học) • Trục quang học rất gần với hướng của tinh thể Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 27
  28. 28. Phân cực do môi trường dị hướng Sự lan truyền trong tinh thể đơn trục • Dọc theo trục quang học, ánh sáng truyền theo 1 chiết suất riêng – chiết suất thường n0. Phân cực thường Phân cực khác thường • Các hướng truyền khác, có 2 loại chỉ số khúc xạ + phân tích ánh sáng theo 2 thành phần phân cực - 1 hướng phân cực vuông góc với trục quang học - 1 hướng nằm ở mặt phẳng chứa trục quang học và phương truyền sóng + phân cực vuông góc với trục quang học: chiết suất thường n0 + phân cực khác lan truyền với chiết suất khác thường ne Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 28
  29. 29. Phân cực do môi trường dị hướng Khúc xạ đôi (double refraction) Trục quang học S Tia thường Tia bất thường Ro Re Ánh sáng tới không phân cực Tinh thể đơn trục • Tia sáng có phân cực vuông góc với trục quang học • Tia sáng có phân cực thẳng khác Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô tia thường tia bất thường 29
  30. 30. Sóng lan truyền trong môi trường dị hướng Cấu trúc sóng phẳng lan truyền trong môi trường dị hướng? D không song song với E D và B luôn trực giao với k D và H trực giao E và B trực giao • D là hình chiếu của E trong mặt phẳng trực giao với u • Vector Poynting R (hướng của tia sáng) không song song với vector sóng k Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 30
  31. 31. Sóng lan truyền trong môi trường dị hướng Môi trường dị hướng Mặt phẳng sóng (B,D) Mặt phẳng dao động (E,B) R • Như vậy: sóng điện từ lan truyền trong môi trường dị hướng phụ thuộc vào trạng thái phân cực của nó. Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 31
  32. 32. Phân cực do môi trường dị hướng Các loại mặt phẳng đặc trưng • Ellip chiết suất (index elliipsoid): là mặt phẳng để biểu diễn những đặc trưng của hàm điện môi trong môi trường • Mặt phẳng vận tốc (velocity surface): là mặt phẳng dùng để xây dựng sự phản xạ và khúc xạ của các tia sáng trong môi trường dị hướng • Mặt phẳng chiết suất (index surface): là mặt phẳng dùng để xác định hiệu quang lộ của một môi trường dị hướng Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 32
  33. 33. Phân cực do môi trường dị hướng Bề mặt sóng thường – bất thường Sóng bất thường Sóng thường ve v0 Hình cầu Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô Hình ellipsoid Trục đối xứng: trục quang học 33
  34. 34. Phân cực do môi trường dị hướng Tinh thể đơn trục Tinh thể đơn trục dương Tinh thể đơn trục âm Trục quang học Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 34
  35. 35. Cách vẽ Huygens (Huygens construction) Tia tới SI Trục quang học AA’ • Vẽ bề mặt sóng tương ứng: + môi trường tới ωt , + môi trường khúc xạ: sóng thường ω0 , bất thường ωe • Kéo dài tia tới, cắt bề mặt sóng tới tại Tt • Vẽ mặt tiếp xúc, cắt theo đường ∆ • Qua ∆ vẽ mặt tiếp xúc với bề mặt sóng thường, điểm T0. Nối IT0 • Qua ∆ vẽ mặt tiếp xúc với bề mặt sóng bất thường, điểm Te. Nối ITe Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô tia R0 tia Re 35
  36. 36. Bản tinh thể mỏng Bản tinh thể mỏng (wave retarder/wave plate) là thiết bị phân tích ánh sáng thành hai thành phần phân cực thẳng trực giao và tạo ra một độ lệch pha giữa chúng. Bên trong bản tinh thể mỏng • Phân cực của ánh sáng được phân ra thành phân cực o và e + hướng dọc theo trục o: trục nhanh + hướng dọc theo trục e: trục chậm • Có 2 tia sáng truyền độc lập với nhau: mỗi tia có 1 chiết suất riêng và 1 hướng truyền riêng • Độ lệch pha ϕ = • Hiệu quang lộ Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 2πδ λ = 2π e( nen − no ) λ Hướng của trục quang học Bản lưỡng chiết δ = e(nen − no ) 36
  37. 37. Bản tinh thể mỏng Bài toán: sóng truyền vào bản mỏng theo phương Oz + Có 2 hướng phân cực thẳng trực giao với nhau, ứng với 2 chiết suất nx và ny + nếu nx < ny : Ox gọi là trục nhanh và Oy gọi là trục chậm •Trường điện ở đầu vào của bản tinh thể mỏng là: • Sau khi truyền qua bản mỏng có độ dày e Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 37
  38. 38. Bản tinh thể mỏng Đổi về cùng gốc thời gian Độ lệch pha Trong đó: luôn dương vì Bản chuyển pha đặc biệt • Gọi là bản sóng (λ): không tạo ra hiệu ứng • Gọi là bản nửa sóng (λ/2): chuyển đổi 1 phân cực thành 2 phân cực đối xứng nhau qua 2 trục trung hòa (trục nhanh và trục chậm) Gọi là bản ¼ sóng (λ/4): + chuyển đổi 1 phân cực thẳng phân cực ellip,với 2 trục là 2 trục trung hòa của bản mỏng + chuyển đổi phân cực tròn phân cực thẳng • Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 38
  39. 39. Ứng dụng của phân cực ánh sáng Công nghệ tivi 3D Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 39
  40. 40. Ứng dụng của phân cực ánh sáng Kính mát Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 40
  41. 41. Ứng dụng của phân cực ánh sáng Nhiếp ảnh Kính phân cực lọc ánh sáng xanh của bầu trời và tăng độ tương phản với đám mây Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 41
  42. 42. Ứng dụng của phân cực ánh sáng Nhiếp ảnh Không phân cực Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô Phân cực 42
  43. 43. Ứng dụng của phân cực ánh sáng Màn hình LCD Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 43
  44. 44. Bài tập nhóm 1. Giải thích hiện tượng 2. Vẽ tia khúc xạ, phản xạ theo cách vẽ Huygens 3. Bài toán Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 44
  45. 45. Hết chương 2 Chuyên đề Quang học c T. P. Ngô 45

×