GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM

BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM GIAO THOA ÁNH SÁNG
VỚI KHE YOUNG

CBHD: Th.s LÊ VĂN NHẠN

SVTH: TRẦN HOÀNG ĐỈNH
MSSV: 1090306
LỚP: SP.VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ K35

Cần Thơ, tháng 05/2013

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

1


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Họ và tên CBHD: Th.S Lê Văn Nhạn
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh


......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

4


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Họ và tên CBPB: T.s Trần Thanh Hải
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

4. Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………….....2
5. Các bƣớc thực hiện…………………………………………………......2
PHẦN II.NỘI DUNG………………………………………………………..3
CHƢƠNG I.GIAO THOA ÁNH SÁNG……………………………………3
1.1.Cơ sở của quang học sóng.....................................................................3
1.1.1.Hàm sóng của ánh…………………………………………….........3
1.1.2 Cƣờng độ sáng………………………………………………..........3
1.1.3 Nguyên lý Huyghen…………………………………………..........3
1.1.4. Nguyên lý chồng chất………………………………………..........4
1.2 Sự giao thoa – nguồn kết hợp……………………………………........5
1.2.1 Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phƣơng…………….......5
1.2.2 Hiện tƣợng giao thoa. Dao động kết hợp và không kết hợp……....5
1.3 Giao thoa của nguồn điểm.Vân không định xứ……………………....7
1.3.1 Sự phân bố cƣờng độ sáng trên màn quan sát………………….....8
1.3.2 Hình dạng vân giao thoa..................................................................10
1.3.3 Vị trí của vân giao thoa.Khoảng vân………………………….......11
1.3.4 Điều kiện về bề rộng của nguồn......................................................13
1. 4 Các phƣơng pháp quan sát vân giao thoa không định xứ…………...14
1.4.1 Nguyên tắc chung để tạo đƣợc các sóng kết hợp………………....14
1.4.2 Những cách bố trí thí nghiệm để quan sát giao thoa ánh sáng........15

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

6


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young


SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

7


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

2.1.3 Giới thiệu các loại laser………………………………………......33
2.1.3.1 Laser khí……………………………………………………....34
2.1.3.2 Laser rắn……………………………………………………....34
2.1.3.3 Laser màu……………………………………………………..34
2.1.3.4 Laser bán dẫn……………………………………………….....34
2.1.4 Các ứng dụng của laser…………………………………………...35
2.2 Cơ sở vật lý laser……………………………………………………..35
2.2.1 Cơ sở hình thành ánh sáng laser ……………………………….....35
2.2.2 Dịch chuyển quang học…………………………………………...36
2.2.3 Độ rộng và đƣờng bao vạch phổ……………………………….....36
2.2.4 Nguyên lý hoạt động máy phát laser………………………….......38
2.2.5 Cấu tạo của một laser……………………………………………..40
2.2.5.1 Môi trƣờng hoạt chất…………………………………………..40
2.2.5.2 Buồng cộng hƣởng quang học....................................................42
2.2.5.2.1. Cấu tạo..................................................................................42
2.2.5.2.2 Chức năng BCH.....................................................................42
2.2.6 Tính chất của laser………………………………………………...43
2.2.6.1 Tính cƣờng độ lớn......................................................................44
2.2.6.2 Tính định hƣớng của laser..........................................................44
2.2.6.3 Tính đơn sắc…………………………………………………....45
2.2.6.4 Tính kết hợp của laser……………………………………….....45

2.3.7.2 Laser bán dẫn dung bơm quang học…………………………...70
2.4 Các ứng dụng của laser bán dẫn………………………………….......71
2.4.1 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong đời sống………......72
2.4.1.1 Dùng trong máy in laser…………………………………….....72
2.4.1.2 Máy đọc mã vạch trong các siêu thị…………………………...75
2.4.1.3 Đọc và ghi đĩa DVD, CD……………………………………...76
2.4.2 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong y học.......................79
CHƢƠNG III. THỰC HÀNH……………………………………………..81
3.1 Thiết kế nguồn laser……………………………………………..........81
3.2 Thiết kế giá quang học…………………………………………..........81
3.3. Thiết kế khe Young……………………………………………..........82
3.4 Thiết kế hệ đo cơ, đo điện để xác định khoảng vân………………......83
3.5 Các cách đo bƣớc sóng  ……………………………………….........84
3.5.1 Đo  với 1 nguồn laser……………………………………….......84
3.5.2 Đo  với 2 nguồn laser (1 nguồn laser có 1 biết trƣớc)………....85
3.5.3 Đo  dựa trên phim đã chụp………………………………….......85
3.6 Kết quả thí nghiệm……………………………………………….......86

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

9


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………92
1. Kết luận…………………………………………………………………92
1.1 Ƣu của đề tài…………………………………………………………92

DANH SÁCH HÌNH

Hình1.1Mặt đầu sóng của mặt cầu..............................................................................4
Hình1.2 Mặt đầu sóng của sóng khúc xạ....................................................................4
Hình 1.3 Hai nguồn kết hợp.......................................................................................8
Hình 1.4 Biểu diễn sự biến thiên của I theo  ..........................................................10
Hình 1.5 Mặt hyperboloit...........................................................................................11
Hình 1.6 Đường hypecbôn.........................................................................................11
Hình 1.7. Các nguồn kết hợp.....................................................................................12
Hình 1.8 Điều kiện bề rộng của nguồn......................................................................13
Hình 1.9 Các sóng kết hợp........................................................................................15
Hình 1.10 Khe Young................................................................................................16
Hình 1.11 Gương Fresnel.........................................................................................17
Hình 1.12 Lưỡng lăng kính Fresnel..........................................................................18
Hình 1.13 Gương Lloyd............................................................................................18
Hình 1.14 Thí nghiệm giao thoa bản mỏng trong suốt hai mặt song song, vân cùng độ
nghiêng......................................................................................................................19
Hình 1.15 Vân giao thoa...........................................................................................21
Hình 1.16 Vân giao thoa có dạng tròn.....................................................................22
Hình 1.17 Vòng tròn đồng tâm sáng........................................................................22
Hình 1.18 Thí nghiệm giao thoa bản mỏng trong suốt có độ dày thay đổi vân cùng độ
dày............................................................................................................................23
Hình 1.19 cách bố trí thực nghiệm để quan sát.......................................................25
Hình 1.20 Vân giao thoa cho bởi một nêm không khí.............................................26
Hình 1.21a. Thí nghiệm về vân tròn Newton...........................................................27
Hình 1.21b Vân tròn Newton là những đường tròn đồng tâm................................27
Hình 1.22 Sơ đồ giao thoa kế Rayliegh..................................................................29
Hình 1.23 Sơ đồ bố trí đơn giản của giao thoa kế Michelson................................30
Hình 1.24 Giao thoa...............................................................................................32
Hình 1.25 Nêm không khí.......................................................................................32

Hình 2.15: a. lớp tiếp xúc p – n duy biến khi không có trường ngoài...................67
b. lớp tiếp xúc p – n duy biến khi có trường ngoài theo hướng thuận....67
Hình 2.16 Laser trên lớp tiếp xúc p – n.................................................................67
Hình 2.17 Sơ đồ kích thích laser bán dẫn bằng chùm điện tử...............................69
Hình 2.18 Kích thích laser bán dẫn bằng bơm quang học....................................70
Hình 2.19 Máy in laser..........................................................................................73
Hình 2.20 Sơ đồ khối máy in laser.......................................................................74
Hình 2.21 Sơ đồ khối quang.................................................................................74
Hình 2.22 Máy đọc mã vạch.................................................................................77
Hình 2.23 Pit đĩa DCD.........................................................................................78
Hình 2.24 Dung lượng DVD.................................................................................79
Hình 2.25 Cấu tạo đĩa DVD.................................................................................79
Hình 3.1 Nguồn laser............................................................................................83
Hình 3.2 Giá quang học........................................................................................83
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

13


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

Hình 3.3. Khe Young...............................................................................................84
Hình 3.4 Hệ đo cơ,hệ đo điện.................................................................................85
Hình 3.5 Khe Young được chế bằng lưỡi lam........................................................92

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

14

thiết kế giá quang học,…sau đó làm thí nghiệm.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Tìm tài liệu tham khảo, đúc kết, phân tích, tổng hợp lại.
Đặt làm giá quang học.
Thiết kế khe Young, cách tử.
Thiết kế bộ phận đo cơ, đo điện.
Tiến hành thí nghiệm.

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

15


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

5. Các bƣớc thực hiện.
Bƣớc 1: Nghiên cứu lý thuyết có liên quan đến đề tài.
Bƣớc 2: Nghiên cứu cách sử dụng và thiết lập dụng cụ thí nghiệm.
Bƣớc 3: Đo đạt lấy số liệu.
Bƣớc 4: Phân tích kết quả thí nghiệm.
Bƣớc 5: Tiến hành viết bài và trao đổi với giáo viên.
Bƣớc 6: Hoàn chỉnh đề tài và báo cáo.

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

16



 

trong đó:  là thời gian ánh sáng truyền từ điểm O đến M.
L=c  là quang lộ trên đoạn đƣờng OM.
 =cT là bƣớc sóng ánh sáng trong chân không.

phƣơng trình (1.1) gọi là hàm sóng của ánh sáng.
1.1.2 Cƣờng độ sáng
Cƣờng độ sáng tại một điểm là một đại lƣợng có trị số bằng năng lƣợng
truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phƣơng truyền sáng trong một
đơn vị thời gian.
Cƣờng độ sáng tại một điểm tỉ lệ với bình phƣơng biên độ dao động sáng tại
điểm đó:
I=k a 2
trong đó k là hệ số tỉ lệ.

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

17


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

1.1.3 Nguyên lý Huyghen
Nguyên lý Huyghen cho phép tìm vị trí của mặt đầu sóng ở thời điểm sau,
khi biết vị trí của mặt đầu sóng ở thời điểm trƣớc. Nội dung của nguyên lý này là:
“Mỗi điểm của môi trƣờng mà mặt đầu sóng đạt đến có thể xem nhƣ những tâm
phát sóng bán cầu thứ cấp và bao hình của các sóng bán cầu này là mặt đầu sóng

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

1.1.4 Nguyên lý chồng chất
Nguyên lý chồng chất là nguyên lý cơ bản để nghiên cứu hiện tƣợng giao
thoa và nhiễu xạ. Có nội dung nhƣ sau:
“Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì sóng này không làm nhiễu
loạn sóng kia và sau khi gặp nhau các sóng ánh sáng vẫn truyền đi nhƣ cũ”. Tại
những điểm trong miền các sóng gặp nhau, dao động sáng tại điểm đó bằng tổng
các dao động sáng thành phần, tức là:
n 
  


E  E1  E 2  E3  .........  En   Ei

(1.2)

i 1

Nguyên lý chồng chất chỉ đúng đối với sóng ánh sáng có cƣờng độ yếu (ánh
sáng do nguồn thông thƣờng phát ra). Nguyên lý chồng chất là nguyên lý cơ bản để
nghiên cứu hiện tƣợng giao thoa và nhiễu xạ.
1.2 Sự giao thoa – nguồn kết hợp.
1.2.1 Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phƣơng.
Giả sử hai dao động ánh sáng cùng tần số và cùng phƣơng:
E1  E01 sin(t  1 )
E2  E02 sin(t   2 )

(1.3)



và tan 

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

E01 sin 1  E02 sin  2
E01 cos 1  E02 cos  2

(1.6)

Nói chung chỉ cần chú ý tới biểu thức (1.5) vì nó xác định cƣờng độ tổng hợp
mà ta cần khảo sát.
1.2.2 Hiện tƣợng giao thoa. Dao động kết hợp và không kết hợp.
Vì rằng cƣờng độ tỉ lệ với bình phƣơng biên độ cho nên có thể viết (1.5) theo
cƣờng độ nhƣ sau:
I  I1  I 2  2 I1I 2 cos(1   2 ) (1.7)
2
2
trong đó I  E02 ; I1  E01
;I 2 E02

Ta biết rằng không có một nguồn sáng thông thƣờng nào có thể phát ra sóng
ánh sáng hoàn toàn đơn sắc, nghĩa là sóng có biên độ và pha luôn luôn không đổi.
Sở dĩ nhƣ vậy là nguyên tử chỉ phát xạ trong một khoảng thời gian ngắn chừng 108
s. Do đó mỗi lần phát xạ mỗi nguyên tử phát ra một xung sáng ngắn lan truyền có
dạng một đoạn sin. Mỗi đoạn sin nhƣ thế đƣợc gọi là một đoàn sóng. Độ dài của
đoàn sóng đƣợc xác định bởi thời gian phát xạ  của nguyên tử.
Biên độ và pha của các đoàn sóng do một nguyên tử phát ra từ lần phát xạ
này sang lần phát xạ khác, cũng nhƣ do các nguyên tử khác nhau phát ra trong một
lần phát xạ có thể rất khác nhau không có liên hệ gì với nhau, nghĩa là các pha ban

GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

Nhƣ vậy I phụ thuộc vào hiệu số pha ban đầu của các dao động thành phần.
Ta xét hai trƣờng hợp đặc biệt sau đây:
a) Giả sử (1   2 ) = hằng số.
Khi đó theo (1.8) ta có:
t

1
cos 1   2    cos(1   2 )dt  cos(1   2 )  const . Do đó:
t0

I  I1  I 2  2 I1I 2 cos(1   2 ) (1.10)

tức là I  I1  I 2 .
Nhƣ vậy, cƣờng độ tổng hợp không bằng tổng cƣờng độ của các dao động
thành phần mà có thể lớn hơn hay bé hơn, hay tổng đó tùy thuộc vào hiệu số pha
ban đầu 1   2  của chúng.
Các dao động thỏa mãn điều kiện: hiệu số pha ban đầu của chúng là một đại
lƣợng không đổi theo thời gian đƣợc 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, nhƣng cũng không
phải tất cả dao động có cùng tần số đều là dao động kết hợp. Các dao động điều hòa
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 dao động ánh sáng kết hợp sẽ dẫn đến sự phân bố
lại năng lƣợng trong không gian: có những chỗ năng lƣợng tại đó có giá trị cực đại,
có những chỗ năng lƣợng tại đó có giá trị cực tiểu. Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng
giao thoa ánh sáng. Trong biểu thức (1.10) chính số hạng thứ ba gây nên hiện tƣợng

phân bố cƣờng độ trên màn quan sát.
1.3.1 Sự phân bố cƣờng độ sáng trên màn quan sát.
Giả sử ta có 2 nguồn sóng kết hợp S1 và S 2 (hình 1.3) đều sinh ra từ một
nguồn sáng S, phát ra hai sóng kết hợp có cùng tần số và véctơ điện trƣờng của
chúng vuông góc với mặt phẳng hình vẽ (dao động cùng phƣơng) và ta khảo sát
hiện tƣợng giao thoa xảy ra tại điểm M trên màn, cách các nguồn kết hợp S1 và S 2
những khoảng r1 và r2 .

Hình 1.3 Hai nguồn kết hợp

Để đơn giản tính toán giả thuyết cả hai sóng có biên độ nhƣ nhau
( E01  E02  E0 ).
Nếu dao động tại S1 và S 2 có dạng: E1  E0 sin(t  1 )
và E2  E0 sin(t   2 ) thì phƣơng trình của hai dao động đó tại điểm M là:
E1m  E0 sin(t 
E2 m  E0 sin(t 

2 r1



2 r2



 1 )
 2 )

Dao động tổng hợp tại M sẽ là:




Nhƣ đã biết cƣờng độ sáng I tỉ lệ với bình phƣơng biên độ tức là:
  (r  r ) (   2 ) 
I  E02m  4 E02 cos 2  2 1  1


2


(1.11)

Đối với các sóng kết hợp hiệu số pha ban đầu ( 2  1 ) không đổi, do đó
cƣờng độ sáng tại những điểm M khác nhau chỉ phụ thuộc vào hiệu các khoảng
đƣờng truyền r1 và r2 của hai sóng đến điểm M. Nếu pha ban đầu 1   2  0 thì
cƣờng độ sáng tại điểm M sẽ đƣợc xác định bởi công thức:
  (r  r ) 
I  4 E02 cos 2  2 1  (1.12)




Ta ký hiệu r  (r2  r1 ) là hiệu đƣờng truyền của hai sóng, biểu thức (1.12)
viết lại là:
 r 
 
I  4 E02 cos2 
 4E02 cos2   (1.13)

  


GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young

Thì cƣờng độ sáng I theo (1.13) sẽ có giá trị cực tiểu bằng 0, tức là:
I min  0

Vậy cƣờng độ sáng I sẽ đạt cực tiểu tại những điểm mà hiệu số pha của hai
sóng tại đó bằng một số lẻ lần  , hay hiệu đƣờng truyền của chúng là một số lẻ lần
bƣớc sóng.
Các biểu thức (1.16) và (1.17) tƣơng ứng là các điều kiện về cực đại và cực
tiểu giao thoa, k là số nguyên có thể lấy các giá trị 0, 1, 2...
Rõ ràng rằng, trong trƣờng hợp 1, hai sóng giao thoa có cùng pha nên chúng
tăng cƣờng lẫn nhau, còn ở trƣờng hợp 2, chúng ngƣợc pha với nhau nên làm tắt lẫn
nhau.
Trong trƣờng hợp biên độ của các sóng thành phần không bằng nhau
( E01  E02 ) thì cƣờng độ tại M đƣợc biểu diễn theo công thức:
E02  E012  E022  2E01E02 cos

2r



 ( E01  E02 )2  4E01E02 cos 2

Nếu r  k  thì: I max  ( E01  E02 )2 , còn nếu r  (2k  1)


2


2



r1

1

)

Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
2



(r2 n2  r1n1 ) (1.19), trong đó (r2 n2  r1n1 ) là hiệu quang

trình.
Nếu hiệu quang trình bằng không tức là r2 n2  r1n1 thì  = 0 vì tại đó sẽ quan
sát đƣợc cực đại giao thoa.
1.3.2 Hình dạng vân giao thoa.
Bây giờ ta tìm hiểu 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 trƣớc bằng một số không đổi là một mặt hyperboloit tròn
xoay, có hai tiêu điểm là hai điểm cố định đó.
Nhƣ vậy, quĩ tích của những điểm trong không gian có cùng một cƣờng độ
sáng cực đại thỏa mãn điều kiện  r2  r1   k   const là một họ mặt hyperboloit

 , ,


O

Hình 1.5 Mặt hyperboloit

Hình 1.6 Đường hypecbôn

Nếu ta đặt một màn ảnh E để quan sát hiện tƣợng giao thoa, song song với
mặt phẳng (P) chứa 2 điểm S1 và S2 thì giao tuyến của các mặt hyperboloit với màn
E là những đƣờng hypecbôn (Hình1.6). Đó là những đƣờng sáng và tối xen kẽ nhau
và đƣợc gọi là những vân giao thoa: đƣờng liền nét là vân sáng, còn đƣờng đứt nét
là vân tối.
Vì khoảng cách S1 và S2 rất bé, bƣớc sóng  cũng rất bé cho nên các mặt
hyperboloit rất dẹt, do đó các đƣờng hypecbôn ít cong. Mặt khác, trong thực tế ta

SVTH: Trần Hoàng Đỉnh

25