- Trang Chủ
- Vật lý
- Giáo trình phân tích khả năng ứng dụng nguyên lý giao thoa các chấn động trong bước sóng p5
Xem mẫu
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
I Max − I min
to
to
2r
k
k
lic
lic
γ= = .
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
I Max + I min 1+ r2
c .c
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
c u -tr
Hệ số tương phản sẽ lớn nhất, gần bằng 1, khi hệ số phản xạ r≈1. Đường cong phân bố
cường độ của các vân ứng với một vài trị số của r được vẽ trên hình 28.
Hình 28
So sánh các đường phân bố cường độ cho thấy, khi hệ số phản xạ tăng các vân sáng hẹp
lại. Với r = 0,9, nửa độ rộng của vân giao thoa chỉ xấp xỉ bằng 1/30 khoảng cách giữa hai
vân liên tiếp. Do đó, trong các phép đo, có thể xác định vị trí của các vânsáng tới mức chính
xác đến 1/100 vân.
Lưu ý:
Ta có thể viết lại các công thức (8.12) như sau:
a2
I MAX
(1 − r ) 2
I= =
(1 − 2 r + r ) + 2r (1 − cos ϕ )
1 − 2r cos ϕ + r 2
2
(1 − r ) 2
(1 − r ) 2
I =Ġ. Đặt m =Ġ
I MAX
I=
1 + m sin 2 ϕ
2
Nhận xét:
Vì r khá lớn, thí dụ r = 0,9 ( m =Ġ = 360
Như vậy chỉ cầnĠ biến thiên một giá trị nhỏ, nghĩa là chỉ cần rời khỏi vị trí cực đại một
chút thì cường độ vân sẽ sụt xuống rất nhanh, nghĩa là các vân giao thoa cho bởi giao thoa
kế Perot– Fabry rất mảnh.
Như vậy, ta có thể xác định bán kính các vân một cách khá chính xác.
c. Mẫu Fabry – Perot và lọc sắc giao thoa:
Mẫu Fabry – Perot gồm hai bản bán mạ, ngăn cách nhau bằng hai cái chèn cố định, độ
dày thích hợp. Độ dày chính xác của mẫu được xác định bằng phương pháp quang học. Mẫu
Fabry – perot được ứng dụng trong máy phát điện tử (sẽ trình bày trong phần sau của giáo
trình).
Nếu ta chiếu vuông góc vào mẫu Fabry – Perot có độ dày chừng vài bước sóng bằng một
chùm sáng trắng song song, thì mẫu chỉ để truyền qua những bức xạ có bước sóngĠ thỏa
mãn điều kiện.
2e = k λ (k = 1, 2, 3….)
Với e nhỏ, k chỉ chừng vài đơn vị vàĠ chỉ có thể nhận vài trị số xác định: mẫu tác dụng
như một lọc sắc và gọi là lọc sắc giao thoa truyền xạ. Ưu điểm của lọc sắc giao thoa là cho
những giải truyền qua hẹp (độ đơn sắc cao) thường không quá 200 A0 với hệ số truyền xa
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
cao. Bước sóng của cực đại truyền qua có thể thay đổi bằng cách thay đổi góc tới i của
to
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
chùm tia sáng.
w w
w
w
o
o
c .c
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
c u -tr
SS. 9. CÁC MÁY GIAO THOA.
Các máy giao thoa là các máy đo dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng. Quan sát một
hệ vân giao thoa, có thể phát hiện những độ dịch chuyển đến một vài trăm vân, tức là phát
hiện được độ biến thiên một vài phần trăm bước sóng trong hiệu quang lộ của hai chùm giao
thoa. Vì vậy phép đo giao thoa là một trong những phép đo vật lý chính xác nhất.
Nguyên tắc của các máy giao thoa, một chùm đơn sắc được phân thành hai chùm kết
hợp, tách biệt nhau, một chùm cố định, còn một chùm có lộ trình thay đổi được.
1. Giao thoa kế Rayleigh (Rơ-lây).
Giao thoa kế Rơlây, còn gọi là khúc xạ kế giao thoa, có cấu tạo đơn giản, dùng cách bố
trí khe young (H.29). S là nguồn sáng, thấu kính L1 tập trung ánh sáng chiếu vào khe hẹp F.
Khe này được đặt tại mặt phẳng tiêu của L2. Chùm tia song song sau khi qua đi qua hai
bình, có độ dài L, giống hệt nhau. Sau đó hai chùm tia nhiễu xạ qua hai khe young F1 và F2.
Các chùm tia nhiễu xạ được hội tụtrên mặt phẳng tiêu của thấu kính L3, thấu kính này được
đặt sát ngay sau hai khe hẹp F1 và F2. Dùng thị kính O để quan sát vân giao thoa.
Thông thường trong máy giao thoa người ta bố trí sao cho hai bình đựng chất cần đo
chiết suất chỉ choán nửa tiết diện của chùm tia sáng song song. Vậy trong quang trường của
thị kính sẽ có hai hệ vân giao thoa. Hệ vân ứng với các chùm tia chỉ đi qua không khí là hệ
vân chuẩn, giả sử là hệ vân trên.(H.30).
Nếu trong hai bình T đựng cùng một chất khí (hoặc lỏng) thì hai hệ vân hoàn toàn trùng
nhau, hai vân trung tâm đều ở tại O. Bây giờ, nếu một bình là chân không (n =1) và bình kia
đựng chất khí chiết suất n, thì hiệu quang lộ của hai chùm tia tới O bằng :
∆ = L(n-1) = pλ
p là một số bất kỳ (bậc giao thoa).
Như vậy tại O có vân thứ p, nghĩa là vân trung tâm của hệ vân động (hệ vân dưới) đã
dịch chuyển đếnĠ cách O là p vân. Xác định được p ta tính được chiết suất n:
λ
n=1+p
L
2. Giao thoa kế Michenlson (Mai-ken-sơn).
a. Cấu tạo:
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
to
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
.c .c
.d o .d o
c u -tr a c k c u -tr a c k
Hình 31 trình bày sơ đồ nguyên tắc giao thoa kế mai-ken-sơn.
S là nguồn sáng rộng.
L1 là thấu kính tạo các chùm tia song song. O và C là vật kính và thị kính của kính
ngắm.
T1 và T2 là 2 tấm thủy tinh, bán T1 có lớp bán mạ.
G1 và G2 là hai gương phẳng. Tia tới SI bị tách ra làm hai phần. Một phần phản xạ trên
lớp bán mạ đến gương G1, rồi phản xạ trở lại, đi qua T2 và T1 để tới mắt. Một phần của tia
SI, đi qua lớp bán ma tới G2, phản xạ trở lại tới T1, rồi phản xạ trên lớp bán mạ rồi tới mắt.
Hai tia IS1và IS2 là hai tia kết hợp, cho giao thoa ở vô cực. Trong điều kiện: G1, G2 cách
đều I và vuông góc với nhau; các bản T1 và T2 song song với nhau, có cùng bề dày và cùng
chiết suất, bản T1 nằm theo phân giác của góc vuông hợp bởi hai gương G1, G2, thì đường
đi hình học của các cặp tia kết hợp là như nhau (mỗi tia đều đi qua ba lần bề dày của tấm
thủy tinh). Ngoài ra, hai quang lộ khác nhau một trị sốĠ. Vì quang lộ (một) chịu một lần
phản xạ trên môi trường chiết quang hơn, còn quang lộ (hai) thì ngược lại. So sánh với giao
thoa kế Raylaigh, hai chùm tia kết hợp được tách biệt hẳn nhau (IG1 và IG2), do đó ta dễ
dàng tác động lên một trong hai chùm tia.
b. Cách quan sát hệ vân giao thoa:
Giả sử gương G2, được tịnh tiến ra xa T1 một khoảng nhỏ e. Ảnh của gương G2 qua lớp
bán mạ là G2, có thể xem IS2 được phản xạ từ gươngĠ- G1 vàĠ tạo thành bàn không khí bề
dày e không đổi. Đây chính là trường hợp giao thoa định xứ ở vô cực (vân đồng độ
nghiêng). Điều chỉnh ống ngắm ở vô cực, ta sẽ quan sát thấy hệ vân tròn đồng tâm. Tăng từ
từ bề dày e (bằng cách tịnh tiến G2) các tâm giao thoa bậc cao sẽ tuần tự xuất hiện thêm ở
tâm.
Bây giờ, nếu giữ nguyên vị trí của G2, nhưng quay G2 nghiêng một góc nhỏ đối với
pháp tuyến của gương, ta thấy ảnhĠ của nó tạo với G1 một nêm không khí, có cạnh nằm
giữa quang trường.
Điều chỉnh kính nhằm nhìn lên mặt nêm, ta sẽ quan sát thấy hệ vân giao thoa đồng bộ
dày song song với cạnh nêm. Quan sát trong ánh sáng trắng, dễ dàng đánh dấu vân tối trung
tâm ở tại cạnh nêm.
c. Công dụng của giao thoa kế maikensơn:
Có thể dùng giao thoa kế Maikensơn để đo chiết suất hay bề dày của một bản mỏng theo
nguyên tắc tương tự như trong giao thoa kế Rơlây. Ta thường dùng trường hợp vân định xứ
trên nêm.
Giả sử ta đặt bản vẽ dày t, chiết suất n trên đường đi của tia IG2, quang lộ đến G2 tăng
một lượng t (n – 1), vị trí cạnh nêm thay đổi, dịch chuyển đi p vân, tuân theo hệ thức:
2 t (n - 1) = p λ
Xác định được p ta có thể tính t hoặc n.
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
Còn có thể xác định hiệu số bước sóng (( giữa hai bước sóng gần nhau (ví dụ như 2
to
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
vạch vàng natri). Ta thực hiện vân do bản mỏng song song.
w w
w
w
o
o
c .c
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
c u -tr
Điều chỉnh G2 sao cho ảnh G’2 trùng G1, trong quang trường sẽ tối. Tăng dần bề dày e,
vân giao thoa thứ 1, 2, 3… tuần tự xuất hiện ở tâm và chạy ra xa tâm. Khi số vân còn nhỏ,
hai hệ vân giao thoa ứng với 2 bước sóng ( và (’ chưa tách xa nhau (bán kính các vân thoa
phụ thuộc vào ( theo (8.5), nên vẫn còn quan sát được hệ vân. Đến khi bề dày e đủ lớn, thỏa
mãn hệ thức:
1
2e1 = m1λ = (m- )λ’ (9.2)
2
thì cực đại của hệ vân này trùng nhau với cực tiểu của hệ vân kia. Với điều kiện cường độ
sáng ứng với ( và (’ gần bằng nhau, thì thị trường sáng đều. Trước khi hệ vân biến mất, đếm
được m1 vân giao thoa xuất hiện từ tâm.
Từ (9.2) ta tính được.
λ' λ
λ= ≈ (9.3)
2m 1 2m1
e1
∆λ = (9.4)
1
m1 (m1 − )
2
e1
≈2
m1
Dựa theo nguyên tắc trên còn có thể xác định độ đơn sắc của chùm ánh sáng gần đơn
sắc.
Giả sử bước sóng ánh sáng nhận các giá trị từ ( đến ( + ((. Tuần tự làm như trên. Hệ vân
giao thoa sẽ biến mất khi bề dày e thỏa mãn điều kiện.
∆λ
1
2e = kλ = (k − ) (λ + (9.5)
)
2 2
(để hiểu điều kiện trên, cần xem lại hình 18).
λ
kλ = (k-1) (λ+∆λ) ⇒ ∆λ =
k
k chính làbậc giao thoa của vân ở tâm hay số vân giao thoa đếm được, trước khi hệ vân
hoàn toàn nhòe đều.
Từ (9.5), ta có:
λ ∆λ
1
= (k ∆λ - )
2 2 4
Thông thường k rất lớn nên có thể bỏ quaĠ so với ū, ta đi đến:
λ
∆λ = (9.6)
k
Công thức (9.6) chính là công thức (7.2) trước đây.
Bằng cách vừa trình bày, Maikensơn để xác định được k=400.000 với bức xạ đỏĠ =
6438 A0 của Cadmium nhờ đó đã đo được bước sóngĠ của bức xạ với mức chính xác tới
10-7.
ĉ = 6438,472 A0 (ở 150c dưới áp suất chuẩn)
Ông Maikensơn còn dùng giao thoa kế để khảo sát vận tốc ánh sáng và thấy rằng vận tốc
truyền của ánh sáng trong chân không là một hằng số vũ trụ không phụ thuộc vào cường độ,
phương truyền, hoặc sự chuyển động của nguồn hay của máy thu.
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
to
SS. 10. VÀI ỨNG DỤNG KHÁC CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA.
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
c .c
Như ta đã thấy, hiện tượng giao thoa được ứng dụng để chế tạo lọc sắt giao thoa và thực
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
c u -tr
hiện các phép đo với độ chính xác cao trong các giao thoa kế. Sau đây là vài ứng dụng khác.
1. Khử tia phản xạ trên các mặt quang học.
Khi chùm tia sáng truyền qua mặt giới hạn các môi trường, một phần năng lượng của
chùm tia bị phản xạ trở lại. Trong các quan hệ phức tạp số mặt giới hạn lớn, năng lượng mất
mát do phản xạ trở nên quan trọng. Vì vậy, để phẩm chất của ảnh qua quang hệ được tốt,
cần triệt tiêu phần ánh sáng phản xạ.
Giả sử cần khử phản xạ trên mặt giới hạn giữa không khí và thủy tinh chiết suất n. người
ta phủ một lớp vật chất rất mỏng bề dày e, chiết suấtĠ, sao cho 1
nguon tai.lieu . vn
