Giao thoa là một hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực quang học sóng. Kỹ thuật này đã được sử dụng để phát triển nhiều kỹ thuật phân tích mạnh mẽ khác nhau trong lĩnh vực khoa học. Trong quang học sóng, ánh sáng được coi là sóng điện từ và hành vi giống sóng của nó được nghiên cứu bằng cách giải thích các mẫu giao thoa. Bài viết này đi sâu vào sự phức tạp của các mẫu giao thoa trong quang học sóng và các ứng dụng của chúng trong lĩnh vực quang phổ học.
1. Wave Optics là gì?
Quang học sóng là một nhánh của quang học nghiên cứu các hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ và phân cực. Các hiện tượng này đã giúp phát triển các máy đo giao thoa, ảnh toàn ký, máy phân cực, mạng, tấm một phần tư sóng, giao thoa màng mỏng và các kỹ thuật khác đã đóng góp rất lớn vào nhiều đột phá khoa học khác nhau.
Các hiện tượng quan sát được trong quang học sóng được tóm tắt dưới đây:
Giao thoa: Xảy ra do sự chồng lấn của các sóng có thể cộng hoặc trừ lẫn nhau.
Khúc xạ: Khi sóng ánh sáng gặp vật cản, sóng sẽ uốn cong quanh mép vật cản và bị phân tán.
Phân cực: Điều này xảy ra do bản chất ngang của sóng điện từ. Các vectơ trường điện và trường từ liên quan đến sóng điện từ vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền sóng.
2. Các hình mẫu giao thoa trong quang học sóng
Các hình mẫu giao thoa trong quang học sóng xảy ra do:
- Sự đồng pha của hai trường ánh sáng
- Sự chồng chéo về không gian và thời gian của hai trường ánh sáng
- Các trạng thái phân cực không trực giao (không vuông góc)
Có hai loại giao thoa trong quang học sóng: giao thoa mang tính xây dựng và giao thoa mang tính phá hủy. Trong mô hình giao thoa trước, biên độ của sóng kết quả lớn hơn biên độ của từng sóng riêng lẻ. Trong mô hình giao thoa sau, biên độ của sóng kết quả nhỏ hơn biên độ của từng sóng riêng lẻ.
3. Mẫu giao thoa thu được trong quang học sóng như thế nào?
Hai kỹ thuật chính được sử dụng để thu được các mẫu giao thoa trong quang học sóng như sau:
- Giao thoa phân tách mặt sóng: Trong phương pháp này, sóng ánh sáng từ một nguồn duy nhất được chia thành hai phần truyền theo hai hướng khác nhau và hợp nhất lại để tạo thành các mẫu vân giao thoa. Các kỹ thuật sử dụng các phương pháp này bao gồm khe đôi Young, gương Lloyd, gương đôi Fresnel và lưỡng lăng kính Fresnel.
- Giao thoa phân chia biên độ: Trong phương pháp này, sóng ánh sáng từ một nguồn duy nhất được chia thành hai phần: phản xạ một phần hoặc khúc xạ, tức là ánh sáng phản xạ và truyền đi. Hai phần này di chuyển theo các đường khác nhau và hợp nhất lại để tạo ra các mẫu giao thoa-viền. Các kỹ thuật sử dụng các phương pháp này bao gồm giao thoa trong màng mỏng và giao thoa kế Michelson.
4. Sự liên quan của sự giao thoa trong quang phổ
Phổ học nghiên cứu sự tương tác giữa vật chất và bức xạ điện từ, chẳng hạn như ánh sáng, và đầu ra được ghi lại dưới dạng quang phổ. Trên thực tế, tất cả các phương pháp phổ học đều liên quan đến hiện tượng giao thoa, tức là cách ánh sáng tương tác với vật chất.
Trong lăng kính, sự tán sắc ánh sáng là do các bước sóng ánh sáng khác nhau bị vật liệu lăng kính cản trở khác nhau, dẫn đến một mô hình giao thoa cụ thể. Mạng nhiễu xạ cũng là một phương pháp khác để tách ánh sáng có bước sóng khác nhau.
Giao thoa kế sử dụng sự giao thoa của sóng ánh sáng để trích xuất thông tin liên quan đến vật liệu đang nghiên cứu. Khi có nhiều hơn hai sóng chồng lên nhau, chúng sẽ khuếch đại hoặc triệt tiêu lẫn nhau. Nghiên cứu các mẫu giao thoa này cung cấp thông tin về các vật liệu tương tác với ánh sáng.
Một số phương pháp, chẳng hạn như giao thoa kế Michelson và giao thoa kế Fabry–Perot, sử dụng mức độ giao thoa cao để tách ánh sáng thành các bước sóng khác nhau. Các kỹ thuật này được gọi là quang phổ giao thoa (IS).
Giao thoa kế Michelson: Đây là một công cụ chính xác bao gồm một tấm gương và ánh sáng tới được chia thành hai bộ sóng khác nhau truyền qua các đường khác nhau và sau đó hợp nhất lại. Nếu tổng số dao động của cả hai sóng hợp nhất, chúng sẽ khuếch đại lẫn nhau và hướng về phía máy dò để tạo ra một mẫu hình có thể nhìn thấy dưới dạng quang phổ.
Cường độ ánh sáng thay đổi theo chuyển động của gương. Do đó, quang phổ cũng khác nhau. Hơn nữa, một phép toán được gọi là biến đổi Fourier giúp chuyển đổi các thay đổi về cường độ ánh sáng thành miền tần số thông thường của quang phổ hấp thụ.
Giao thoa kế Fabry-Pérot: Giao thoa kế này là phiên bản tinh vi của giao thoa kế Michelson. Nó bao gồm hai gương, phẳng hoặc cong. Nó thường được sử dụng như một máy quang phổ có độ phân giải cao.
Để máy giao thoa Fabry-Pérot hoạt động bình thường, sóng ánh sáng đầu vào phải gần với tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng. Tần số cộng hưởng có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa hai gương.
Khi tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng và sóng ánh sáng đầu vào trùng khớp, ánh sáng lưu thông tốt trong bộ cộng hưởng mà không bị phản xạ. Tuy nhiên, dưới phản cộng hưởng, ánh sáng không lưu thông tốt trong bộ cộng hưởng và bị phản xạ.
5. Xu hướng gần đây
Trong thí nghiệm khe đôi thông thường, ánh sáng đi qua các khe hở cách nhau rất gần. Thí nghiệm này cho thấy cả bản chất sóng và hạt của ánh sáng. Tuy nhiên, một bài báo đăng trên tạp chí Nature Physics đã đưa tin về việc tái hiện thí nghiệm này trong phạm vi thời gian thay vì không gian. Trong thí nghiệm này, các nhà vật lý từ Imperial College, London, đã chiếu một chùm sáng qua một lớp mỏng oxit thiếc indi.
Vật liệu này (indium tin oxide) thay đổi tính chất của nó trong femto giây, cho phép ánh sáng chỉ đi qua vào những thời điểm cụ thể. Việc tái tạo thí nghiệm này đã mở ra cánh cửa cho quang phổ học mới để nghiên cứu và phân tích cấu trúc thời gian của xung ánh sáng trong một chu kỳ bức xạ duy nhất.
Một bài báo khác được công bố trên Scientific Reports đã trình bày một phiên bản khác của thí nghiệm khe đôi trong lĩnh vực thời gian. Thí nghiệm này sử dụng các electron quang điện tốc độ cao phát ra từ các nguyên tử heli. Họ đã chỉ ra rằng một nhóm các electron tốc độ cao ảnh hưởng đến mô hình giao thoa của các hạt đơn lẻ.
Sự sắp xếp khe đôi sử dụng một vài gói sóng ánh sáng với khoảng cách được kiểm soát bằng atto giây. Mẫu giao thoa quan sát được trên máy dò phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai gói sóng ánh sáng, cho thấy bản chất sóng và hạt của các electron quang điện đơn phát ra từ các nguyên tử heli.
6. Phần kết luận
Nhìn chung, các mẫu giao thoa đóng vai trò quan trọng trong cả quang học sóng và quang phổ học. Kỹ thuật này liên quan chặt chẽ đến các nguyên lý cơ bản của cơ học sóng. Đi sâu vào những hiểu biết kỹ thuật về vân giao thoa có thể giúp chúng ta hiểu và điều khiển ánh sáng, mở ra cánh cửa cho các công nghệ mới để đạt được những đột phá trong khoa học.