Chương 17: Sự giao thoa ánh sáng

CHƯƠNG 17 : SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG

I. SỰ GIAO THOA - NGUỒN SÁNG KẾT HỢP.
1. Nguyên lý chồng chất .
2. Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phương
3. Hiện tượng giao thoa. Dao động kết hợp và không kết hợp.
II. GIAO THOA CỦA NGUỒN ÐIỂM. VÂN KHÔNG ÐỊNH XỨ
1. Sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát .
2. Hình dạng vân giao thoa.
3. Vị trí của vân giao thoa. Khoảng vân .
4. Các phương pháp quan sát vân giao thoa không định xứ
III. GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG TRONG SUỐT HAI MẶT SONG SONG, VÂN CÙNG
ÐỘ NGHIÊNG.
1. Sự định xứ của vân .
2. Tính hiệu quang trình .
3. Hình dạng của vân giao thoa .
IV. GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG TRONG SUỐT CÓ ÐỘ DÀY THAY ÐỔI. VÂN CÙNG
ÐỘ DÀY.
1. Sự định xứ của vân .
2. Tính hiệu quang trình.
3. Hình dạng vân giao thoa và cách bố trí thực nghiệm để quan sát
4. Vân giao thoa cùng độ dày cho bởi các bản mỏng không khí.
5. Giao thoa của ánh sáng trắng.
V. GIAO THOA KẾ HAI CHÙM TIA
1. Giao thoa kế Rayleigh.
2. Giao thoa kế Michelson .
VI. NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA HAI CHÙM TIA.
1. Kiểm tra phẩm chất các mặt quang học.
2. Ðo độ biến thiên nhỏ của chiều dày.
3. Những ứng dụng khác.
Trong chương 16 ta đã biết ánh sáng là sóng điện từ. Vì vậy ánh sáng có mọi tính chất của sóng điện từ đã được nêu ở

trên. Trong chương này ta nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến bản chất sóng của ánh sáng.
I. SỰ GIAO THOA - NGUỒN SÁNG KẾT HỢP.
1. Nguyên lý chồng chất.
TOP
Ðó là nội dung của nguyên lí chồng chất. Nguyên lí chồng chất chỉ đúng đối với các sóng ánh sáng
có cường độ yếu (ánh sáng do các nguồn sáng thông thường phát ra). Ðối với sóng Laser, vì cường độ điện
trường của chúng rất lớn do đó có sự tương tác giữa các sóng với nhau và nguyên lí chồng chất không còn
đúng nữa. Nguyên lí chồng chất là nguyên lí cơ bản để nghiên cứu hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ.
2.Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phương
TOP
Giả sử hai dao động ánh sáng cùng tần số và cùng phương
3. Hiện tượng giao thoa. Dao động kết hợp và không kết hợp.
TOP
Vì rằng cường độ tỉ lệ với bình phương biên độ (xem 16.52) cho nên từ (17.14) có thể viết cho
cường độ như sau:
Các dao động mà: hiệu số pha ban đầu của chúng là một đại lượng không đổi theo thời gian được
gọi là dao động kết hợp. Dĩ nhiên, các dao động xảy ra với tần số khác nhau không thể là dao động kết hợp,
nhưng cũng không phải tất cả các dao động có cùng tần số đều là dao động kết hợp. Các dao động điều hoà
có cùng tần số bao giờ cũng là dao động kết hợp. Nguồn phát ra các dao động kết hợp là nguồn kết hợp.
Khi tổng hợp hai hay nhiều sóng kết hợp sẽ dẫn đến sự phân bố lại năng lượng trong không gian: có
những chỗ năng lượng đạt cực đại, có những chỗ năng lượng đạt cực tiểu. Hiện tượng đó được gọi là sự
giao thoa ánh sáng. Trong biểu thức (17.9) chính số hạng thứ ba gây nên hiện tượng này. Vì vậy số hạng đó
được gọi là số hạng giao thoa.
Như vậy, trong trường hợp này cường độ tổng hợp bằng tổng cường độ cuả các dao động thành
phần, tức là không xảy ra hiện tượng giao thoa. Các dao động trong trường hợp này là dao động không kết
hợp. Các dao động phát ra từ các nguồn sáng thông thường hay từ những điểm khác nhau của cùng một
nguồn sáng đều là những dao động không kết hợp. Các dao động không kết hợp không thể giao thoa với
nhau được. Tóm lại, muốn quan sát được hiện tượng giao thoa ánh sáng thì các sóng giao thoa với nhau phải
là các sóng kết hợp và dao động của chúng phải thực hiện cùng phương.
II. GIAO THOA CỦA NGUỒN ÐIỂM. VÂN KHÔNG ÐỊNH XỨ

TOP
Theo kết luận trên, muốn quan sát được hiện tượng giao thoa với ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng
thông thường, thì các sóng phải xuất phát từ cùng một nguồn điểm hay từ cùng một điểm của nguồn rộng.
Trong trường hợp này sẽ quan sát được hiện tượng giao thoa trong toàn bộ miền không gian hai sóng gặp
nhau. Miền đó được gọi là trường giao thoa. Các vân giao thoa quan sát được trong trường hợp này là vân
không định xứ. Nghiên cứu hiện tượng giao thoa, ta phải tìm sự phân bố cường độ trên màn quan sát.
1. Sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát
TOP


2. Hình dạng vân giao thoa
TOP
Bây giờ ta hãy tìm hình dạng của vân giao thoa. Theo hình học giải tích, quĩ tích của những điểm
trong không gian có hiệu số các khoảng cách tính từ chúng đến hai điểm cố định cho trước bằng một số
không đổi là một mặt hyperboloit tròn xoay, có hai tiêu điểm là hai điểm cố định đó.
3. Vị trí của vân giao thoa. Khoảng vân.
TOP
4. Các phương pháp quan sát vân giao thoa không định xứ
TOP
iện tượng giao thoa ánh sáng được thực hiện với các nguồn sóng kết hợp.
a) Nguyên tắc chung để tạo được các sóng kết hợp
Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng ánh sáng phát ra từ hai nguồn sáng thông thường hoặc từ hai phần khác nhau
của cùng một nguồn sáng (không phải là nguồn Laser) là những sóng không kết hợp cho nên chúng không
thể giao thoa với nhau được. Vì vậy để tạo ra hai sóng kết hợp từ nguồn sáng thông thường, cần phải bằng
cách nào đó (phản xạ, khúc xạ,...) tách ánh sáng phát ra từ cùng một sóng của một nguồn điểm thành hai
sóng, cho truyền theo hai con đường khác nhau. Hai sóng đó được xem như phát ra từ các ảnh ảo hay ảnh
thạt của nguồn điểm của hai khe hẹp. Chẳng hạn, Fresnel đã dùng hai gương phẳng hay hai lăng kính đồng
nhất để tạo ra hai ảnh ảo; Young thì dùng hai khe hẹp.. để tạo ra hai nguồn kết hợp. Các phương pháp này
sẽ được mô tả chi tiết hơn về sau.
Muốn tạo được hình ảnh giao thoa, ta cho hai sóng kết hợp được tách ra đó gặp lại nhau, nhưng với

điều kiện là hiệu quang trình của chúng phải nhỏ hơn một giá trị nào đó. Giá trị này được xác định bởi thời
gian phát xạ ( của nguyên tử, tức là bởi độ đơn sắc của ánh sáng; cụ thể là, ánh sáng càng đơn sắc thì có thể
quan sát được hiện tượng giao thoa với hiệu quang trình càng lớn. Quãng đường L=cT mà sóng truyền đi
trong khi pha và biên độ của nó chưa kịp thay đổi được gọi là độ dài kết hợp. Trong quang học, độ dài L
vào khoãng 3-30 cm và chỉ trong những điều kiện đặc biệt mới có thể đạt đến cở mét. Ðộ dài kết hợp còn
được gọi là độ dài của đoàn sóng. Chẳng hạn, nếu độ dài của đoàn sóng ánh sáng vàng là L=3m, và nếu
đoàn sóng tiếp theo chậm hơn đoàn sóng đầu 3m thì hai đoàn sóng này không thể giao thoa với nhau được.
Nó xác định hiệu quang trình lớn nhất của các sóng kết hợp có thể xảy ra giao thoa.
∆r = | n
2
r
2
- n
1
r
1
| < L
Khi hai đoàn sóng chồng lên nhau hoàn toàn (độ dài kết hợp vô cùng lớn) hình ảnh giao thoa sẽ rõ
nhất (Hình 17. 6a). Khi hai đoàn sóng chồng lên nhau một phần, thì tuỳ theo mức độ chồng lên nhau nhiều
hay ít mà ảnh giao thoa sẽ rõ nhiều hay rõ ít (Hình 17. 6b). Cuối cùng khi hai đoàn sóng hoàn toàn không
chồng lên nhau, thậm chí nối đuôi nhau, sẽ không quan sát được giao thoa (Hình 17.6c)

Trên đây chúng ta nói về cách tạo ra các sóng kết hợp từ nguồn sáng thông thường. Nhưng từ khi
chế tạo được các nguồn sáng Laser người ta có thể dùng hai nguồn Laser độc lập làm hai nguồn kết hợp để
tạo ra giao thoa ánh sáng, điều mà không thể làm được đối với các nguồn sáng thông thường.
Sau đây chúng ta sẽ khảo sát một số sơ đồ quan sát sự giao thoa ánh sáng.
b) Những cách bố trí thí nghiệm để quan sát giao thoa ánh sáng.
@. Khe Young
Young là người đầu tiên thực hiện sự giao thoa ánh sáng (1802). Tuy nhiên việc giải thích hiện tượng giao
thoa quan sát được ở đây có khó khăn vì có sự nhiễu xạ (xem phần V Chương 18).

@. Gương Fresnel