Lời mở đầu
1. Chương 1: Tia sáng
1.1. Trải nghiệm của con người về tia sáng
1.2. Định luật khúc xạ
1.3. Phản xạ toàn phần
1.4. Nguyên lý Fermat: Quang trình
1.5. Chiết suất không đồng nhất
1.6. Tia sáng trong ống dẫn sóng
1.6.1. Quang hình học trong ống dẫn sóng
1.6.2. Sợi quang chiết suất bậc
1.6.2.1. Khẩu độ số của sợi quang
1.6.3. Sợi quang chiết suất biến đổi (Gradient-Index)
1.7. Thấu kính và gương cong
1.7.1. Thấu kính trong không khí
1.7.2. Hệ thấu kính tuần hoàn
1.7.3. Ma trận ABCD cho ống dẫn sóng
1.8. Quang hình học và quang học hạt
1.9. Bài tập
2. Chương 2: Quang sóng
2.1. Trường bức xạ điện từ
2.2. Môi trường phân cực và từ hóa
2.3. Các phương trình Maxwell trong quang học
2.4. Phương trình liên tục và nguyên lý chồng chập
2.5. Phương trình sóng
2.6. Mật độ năng lượng, cường độ và vector Poynting của sóng điện từ
2.7. Mode chính Gauss hay Mode TEM00
2.7.1. Vùng Rayleigh, thông số đồng tiêu b
2.7.2. Bán kính mặt sóng R(z)
2.7.3. Pha Gouy η(z)
2.7.4. Quy tắc ABCD cho các mode Gauss
2.7.5. Phương trình sóng cận trục
2.7.6. Các mode Gauss bậc cao
2.7.7. Sự tạo thành các mode Gauss
2.7.8. Các chùm tia cận trục Gauss khác
2.8. Bản chất vector của ánh sáng: Phân cực
2.8.1. Trạng thái phân cực và mặt cầu Poincaré
2.8.2. Ma trận Jones, điều khiển và đo phân cực
2.8.3. Phân cực và phép chiếu
2.8.4. Sự phân cực của chùm sáng có kích thước hữu hạn
2.9. Cơ quang học: Tác dụng cơ học của chùm sáng
2.9.1. Momen động lượng của chùm sáng
2.9.2. Momen động lượng quang học (OAM)
2.9.3. Các mode Laguerre-Gauss
2.9.4. Chuyển đổi chùm Hermite-Gauss thành Laguerre-Gauss
2.10. Lý thuyết nhiễu xạ vô hướng
2.11. Biến đổi Fourier quang học, Quang học Fourier
2.12. Vùng Fresnel và thấu kính Fresnel
2.13. Mở rộng ngoài chùm Gauss: Tích phân nhiễu xạ và hình thức luận ABCD
2.14. Bài tập
3. Chương 3: Sự truyền ánh sáng trong vật chất: Mặt phân cách, tán sắc và lưỡng chiết
3.1. Khúc xạ và phản xạ tại bề mặt thủy tinh
3.2. Phản xạ toàn phần (TIR)
3.3. Chiết suất phức
3.4. Mặt phân cách của vật liệu dẫn điện
3.4.1. Sự truyền sóng trong vật liệu dẫn điện
3.4.2. Tần số cao: ωpτ >> 1
3.4.3. Tần số thấp: ωτ << 1 << ωpτ
3.5. Polariton và Plasmon
3.5.1. Polariton plasmon bề mặt (SPP)
3.5.2. Tính chất của Polariton plasmon bề mặt (SPP)
3.6. Xung ánh sáng trong môi trường tán sắc
3.6.1. Biến dạng xung do tán sắc
3.7. Vật liệu quang học bất đẳng hướng
3.7.1. Tia sáng thường và tia sáng bất thường
3.7.2. Chế tạo các bản làm chậm pha
3.7.3. Tế bào Pockels và bộ điều chế quang điện
3.7.4. Bộ điều chế tinh thể lỏng
3.7.5. Bộ điều chế ánh sáng không gian
3.7.6. Bộ điều chế quang âm
3.7.7. Bộ cách ly quang học và diode quang
3.8. Bài tập
4. Chương 4: Sự truyền ánh sáng trong vật chất có cấu trúc
4.1. Ống dẫn sóng và sợi quang học
4.1.1. Sợi quang chiết suất bậc
4.1.1.1. Sợi dẫn sóng yếu chiết suất bậc
4.1.1.2. f → 0: Các mode TE và TM
4.1.1.3. f > 1: Các mode HE và EH
4.1.2. Sợi quang chiết suất gradient
4.1.3. Các loại chức năng và ứng dụng của sợi quang
4.1.3.1. Sợi đơn mode
4.1.3.2. Sợi duy trì phân cực (PM)
4.1.3.3. Sợi tinh thể quang tử (PCF)
4.2. Vật liệu quang tử điện môi
4.2.1. Sự truyền ánh sáng trong điện môi có cấu trúc tuần hoàn 1D
4.2.2. Vùng cấm quang tử 1D
4.2.3. Vùng cấm trong 2D và 3D
4.2.4. Khuyết tật và các mode khuyết tật
4.2.5. Sợi tinh thể quang tử (PCF)
4.3. Siêu vật liệu từ tính và chiết suất âm
4.3.1. Chế tạo siêu vật liệu từ tính
4.3.2. Ứng dụng của siêu vật liệu: Thấu kính hoàn hảo
4.4. Bài tập
5. Chương 5: Ảnh quang học
5.1. Mắt người
5.2. Kính lúp và thị kính
5.3. Năng suất phân ly của kính hiển vi
5.3.1. Tiêu chuẩn Rayleigh và khẩu độ số
5.3.2. Lý thuyết độ phân giải của Abbe
5.3.3. Khai thác giới hạn phân giải Abbe-Rayleigh
5.4. Phân tích và cải thiện độ tương phản
5.4.1. Hàm truyền điều chế (MTF)
5.4.2. Nâng cao độ tương phản
5.5. Các phương pháp hiển vi quét
5.5.1. Độ sâu tiêu cự và kính hiển vi đồng tiêu
5.5.2. Kính hiển vi quang học quét trường gần (SNOM)
5.5.3. Vượt qua giới hạn độ phân giải Rayleigh-Abbe bằng ánh sáng
5.5.4. Phát hiện đơn phân tử
5.6. Năng suất phân ly lý thuyết của kính thiên văn
5.6.1. Độ phóng đại của kính thiên văn
5.6.2. Độ méo ảnh của kính thiên văn
5.6.3. Kính thiên văn khúc xạ và kính thiên văn phản xạ
5.7. Thấu kính: Thiết kế và quang sai
5.7.1. Các loại thấu kính
5.7.1.1. Thấu kính phẳng - lồi
5.7.1.2. Thấu kính hai mặt lồi và hệ thấu kính ghép đôi (Doublets)
5.7.2. Quang sai: Các quang sai Seidel
5.7.2.1. Sự truyền tia trong phép xấp xỉ bậc nhất
5.7.2.2. Sự truyền tia trong phép xấp xỉ bậc ba
5.7.2.3. Quang sai khẩu độ hay cầu sai
5.7.2.4. Hôn mê sai (Coma) và độ méo hình (Distortion)
5.7.2.5. Sắc sai
5.8. Bài tập
6. Chương 6: Độ kết hợp và giao thoa học
6.1. Khe kép Young
6.2. Độ kết hợp và tương quan
6.3. Thí nghiệm hai khe
6.4. Cách tử quang học hay cách tử nhiễu xạ
6.5. Giao thoa kế Michelson: Độ kết hợp dọc
6.5.1. Độ kết hợp dọc hay kết hợp thời gian
6.6. Giao thoa kế Mach-Zehnder và Sagnac
6.6.1. Giao thoa kế Mach-Zehnder
6.7. Giao thoa kế Fabry-Perot
6.7.1. Miền phổ tự do, hệ số phẩm chất Finesse và độ phân giải
6.7.2. Sự tắt dần của hốc cộng hưởng quang học
6.7.3. Các mode và phối hợp mode
6.7.4. Tần số cộng hưởng của hốc quang học
6.7.5. Hốc quang học đối xứng
6.7.6. Hốc quang học: Các trường hợp đặc biệt quan trọng
6.7.6.1. Hốc phẳng song song: f /R = 0
6.8. Màng mỏng quang học
6.8.1. Màng đơn lớp
6.8.1.1. Phản xạ tối thiểu: Lớp phủ AR, lớp AR và màng λ/4
6.8.1.2. Phản xạ: Màng phản xạ cao
6.8.2. Màng đa lớp
6.9. Sóng tín hiệu tái tạo
6.9.1. Tái tạo ba chiều
6.9.2. Vân đốm (Speckle) thực và ảo
6.9.3. Kích thước hạt đốm
6.10. Bài tập
7. Chương 7: Ánh sáng và vật chất
7.1. Tương tác bức xạ cổ điển
7.1.1. Phân cực tuyến tính và chiết suất vĩ mô
7.1.2. Hấp thụ và tán sắc trong môi trường mỏng quang học
7.1.3. Môi trường điện môi đặc và trường gần
7.2. Nguyên tử hai mức
7.2.1. Có nguyên tử nào chỉ có hai mức không?
7.2.2. Các phương trình Bloch quang học
7.2.3. Giả spin, tiến động và dao động nutation Rabi
7.2.4. Lưỡng cực vi mô và tập hợp thống kê
7.2.5. Phương trình Bloch quang học có tắt dần
7.2.6. Độ đảo lộn mật độ cư trú và độ phân cực ở trạng thái dừng
7.2.6.1. Độ đảo lộn mật độ cư trú trạng thái dừng và cường độ bão hòa
7.2.6.2. Độ phân cực trạng thái dừng
7.3. Các quá trình bức xạ phát xạ kích thích và tự phát
7.3.1. Phát xạ kích thích và hấp thụ
7.4. Độ đảo lộn mật độ cư trú và sự khuếch đại
7.4.1. Các hệ thống laser bốn mức, ba mức và hai mức
7.4.2. Tạo độ đảo lộn mật độ cư trú
7.4.3. Con đường lịch sử dẫn đến laser
7.5. Bài tập
8. Chương 8: Laser
8.1. Hệ laser kinh điển: Laser He-Ne
8.1.1. Bộ khuếch đại
8.1.2. Buồng cộng hưởng laser
8.1.3. Chọn lọc mode trong laser He-Ne
8.1.3.1. Chọn lọc vạch laser
8.1.3.2. Cấu hình độ lợi, tần số laser và các lỗ phổ
8.1.3.3. Laser đơn tần số
8.1.4. Tính chất phổ của laser He-Ne
8.1.5. Phân tích quang phổ
8.1.5.1. Máy phân tích phổ Fabry-Perot
8.1.5.2. Phương pháp Heterodyne
8.1.6. Các ứng dụng của laser He-Ne
8.2. Các loại laser khí khác
8.2.1. Laser Argon
8.2.2. Đặc điểm và ứng dụng
8.2.3. Laser hơi kim loại
8.2.4. Laser khí phân tử
8.2.5. Laser Excimer
8.3. Trụ cột chính: Laser chất rắn
8.3.1. Tính chất quang học của tinh thể laser
8.3.2. Các ion đất hiếm
8.3.3. Các laser chất rắn tiêu biểu
8.3.3.1. Laser Neodymium
8.3.3.2. Ứng dụng của laser Neodymium
8.3.3.3. Laser Erbium, Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA)
8.3.3.4. Cách tử sợi Bragg
8.3.3.5. Laser Ytterbium: Công suất cao hơn với laser đĩa mỏng và laser sợi
8.4. Laser điều chỉnh bước sóng với các trạng thái dao động - điện tử (Vibronic)
8.4.1. Các ion kim loại chuyển tiếp
8.4.2. Laser vòng có thể điều chỉnh
8.5. Bài tập
9. Chương 9: Động lực học Laser
9.1. Lý thuyết laser cơ bản
9.1.1. Trường trong buồng cộng hưởng
9.1.2. Sự tắt dần của trường buồng cộng hưởng
9.1.3. Hoạt động laser ở chế độ dừng
9.1.4. Cường độ trường và số lượng photon trong buồng cộng hưởng
9.1.5. Công suất laser và xuất chùm tia ra ngoài
9.2. Phương trình tốc độ laser
9.2.1. Gai xung laser và dao động hồi phục
9.2.2. Laser không ngưỡng và micro-laser
9.3. Nhiễu biên độ và nhiễu pha
9.3.1. Nguồn gốc vi mô của nhiễu laser
9.3.2. Nhiễu cường độ laser
9.3.2.1. Giới hạn lượng tử của biên độ laser
9.3.2.2. Nhiễu cường độ tương đối (RIN)
9.3.3. Độ rộng vạch phổ Schawlow-Townes
9.4. Các phương pháp khóa mode
9.5. Đo lường các xung ngắn
9.6. Laser Terawatt và Petawatt
9.7. Ánh sáng trắng kết hợp
9.8. Lược tần số quang học
9.9. Bài tập
10. Chương 10: Laser bán dẫn
10.1. Điện tử và lỗ trống
10.2. Tính chất quang của chất bán dẫn
10.2.1. Chất bán dẫn dùng cho quang điện tử
10.2.2. Hấp thụ và phát xạ ánh sáng
10.2.3. Độ đảo lộn mật độ cư trú trong diode laser
10.2.4. Độ lợi tín hiệu nhỏ
10.2.5. Cấu trúc đồng nhất và dị thể
10.3. Laser cấu trúc dị thể
10.3.1. Cấu tạo và hoạt động
10.3.2. Bước sóng phát xạ và biên dạng mode
10.3.3. Điều khiển bước sóng bằng điện tử
10.3.4. Màng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử
10.3.4.1. Độ đảo lộn mật độ cư trú trong màng lượng tử
10.3.4.2. Laser nhiều giếng lượng tử (MQW)
10.3.4.3. Dây lượng tử và chấm lượng tử
10.3.5. Laser tầng lượng tử (QCL)
10.4. Đặc tính động học của laser bán dẫn
10.4.1. Độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn
10.5. Diode laser và các hệ thống laser
10.5.1. Diode laser điều chỉnh bước sóng (Laser điều chỉnh bằng cách tử)
10.5.2. Laser DFB, DBR và VCSEL
10.6. Diode laser công suất cao
10.7. Bài tập
11. Chương 11: Cảm biến ánh sáng
11.1. Đặc tính của các đầu dò quang học
11.1.1. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)
11.1.2. Công suất tương đương nhiễu (NEP)
11.1.3. Độ tuyến tính và dải động
11.2. Các đại lượng quang điện tử dao động thăng trầm
11.2.1. Nhiễu dòng tối
11.2.2. Nhiễu nội tại của bộ khuếch đại
11.2.3. Đo lường nhiễu bộ khuếch đại
11.3. Nhiễu photon và giới hạn độ phát hiện
11.3.1. Thống kê photon của trường ánh sáng kết hợp
11.3.2. Thống kê photon trong trường ánh sáng nhiệt
11.3.3. Giới hạn nhiễu phát xạ (Shot Noise) và đầu dò theo luật bình phương
11.4. Tế bào Golay
11.5. Cảm biến lượng tử I: Ống nhân quang điện (PMT)
11.5.1. Hiệu ứng quang điện
11.5.2. Quang catot
11.5.3. Chế độ đếm photon và chế độ dòng điện
11.5.4. Đặc tính nhiễu của PMT
11.5.5. Tấm vi kênh (MCP) và Channeltron
11.6. Cảm biến lượng tử II: Cảm biến bán dẫn
11.6.1. Photodiode hay đầu dò quang điện thế
11.6.2. Diode pn và pin
11.7. Cảm biến vị trí và cảm biến hình ảnh
11.7.1. Bộ tăng cường độ sáng hình ảnh
11.8. Bài tập
12. Chương 12: Quang phổ Laser và làm lạnh bằng Laser
12.1. Huỳnh quang kích thích bằng laser (LIF)
12.2. Hấp thụ và tán sắc
12.3. Độ rộng của các vạch phổ
12.3.1. Độ rộng tự nhiên và độ rộng vạch đồng nhất
12.3.2. Sự mở rộng Doppler và độ rộng vạch không đồng nhất
12.3.3. Sự mở rộng do thời gian bay (TOF)
12.4. Quang phổ không Doppler
12.4.1. Quang phổ với chùm phân tử
12.4.2. Quang phổ hai photon
12.5. Áp suất bức xạ trong sóng truyền
12.6. Lực gia nhiệt, giới hạn Doppler
12.7. Lực lưỡng cực trong sóng đứng
12.8. Nhíp quang học
12.9. Bài tập
13. Chương 13: Tương tác ánh sáng - vật chất kết hợp
13.1. Ghép cặp yếu và ghép cặp mạnh
13.2. Hiệu ứng Stark xoay chiều và mô hình nguyên tử mặc áo (Dressed-Atom)
13.3. Suy giảm cảm ứng tự do (FID)
13.4. Bó sóng (Wave Packets)
14. Chương 14: Photon: Nhập môn Quang học Lượng tử
14.1. Ánh sáng có thể hiện đặc tính lượng tử không?
14.2. Lượng tử hóa trường điện từ
14.2.1. Thăng trầm chân không gây nhiễu loạn các nguyên tử kích thích
14.2.2. Lý thuyết Weisskopf - Wigner về phát xạ tự phát
14.2.3. Sự ức chế phát xạ tự phát
14.2.4. Diễn giải về phát xạ tự phát
14.2.5. Hệ lượng tử mở và bình chứa nhiệt (Reservoirs)
14.3. Phổ huỳnh quang cộng hưởng
14.3.1. Quang phổ và các hàm tương quan
14.3.2. Quang phổ và thăng trầm lượng tử
14.3.3. Đóng góp kết hợp và không kết hợp của huỳnh quang cộng hưởng
14.3.4. Bộ ba Mollow
14.4. Các trường ánh sáng trong quang học lượng tử
14.4.1. Các trường ánh sáng thăng trầm
14.4.1.1. Độ kết hợp bậc một
14.4.1.2. Độ kết hợp bậc hai
14.4.1.3. Thí nghiệm Hanbury Brown và Twiss
14.4.2. Tính chất lượng tử của các trường ánh sáng quan trọng
14.4.2.1. Trạng thái Fock hay trạng thái số hạt
14.4.2.2. Trường ánh sáng kết hợp và ánh sáng laser
14.4.2.3. Trường ánh sáng nhiệt
14.4.3. Phân bố số lượng photon
14.4.4. Hiện tượng tụ cụm (Bunching) và phản tụ cụm (Anti-bunching)
14.5. Quang học hai photon
14.5.1. Huỳnh quang tham số tự phát, các nguồn SPDC
14.5.2. Giao thoa kế Hong-Ou-Mandel
14.6. Các trạng thái vướng víu theo Einstein-Podolsky-Rosen
14.6.1. Nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)
14.6.2. Bất đẳng thức Bell và quang học lượng tử
14.6.3. Cặp photon vướng víu phân cực
14.6.4. Thí nghiệm Bell đơn giản
14.7. Bài tập
15. Chương 15: Quang học phi tuyến I: Các quá trình trộn quang
15.1. Dao động tử phi điều hòa mang điện
15.2. Độ cảm phi tuyến bậc hai
15.2.1. Trộn các trường quang học: Trộn ba sóng
15.2.2. Tính chất đối xứng của độ cảm
15.2.2.1. Tính đối xứng hoán vị nội tại
15.2.2.2. Các trường điện từ thực
15.2.2.3. Môi trường không suy hao
15.2.3. Độ phân cực hai sóng
15.2.4. Giá trị hiệu dụng của hệ số phi tuyến d
15.3. Sự truyền sóng trong môi trường phi tuyến
15.3.1. Phương trình biên độ liên kết
15.3.2. Biên độ liên kết trong quá trình trộn ba sóng
15.3.3. Phối hợp pha trong tinh thể phi tuyến và lưỡng chiết
15.3.3.1. Phối hợp pha theo góc hay phối hợp pha tới hạn
15.3.3.2. Phối hợp pha không tới hạn hay phối hợp pha 90°
15.3.4. Nhân đôi tần số với chùm tia Gauss
15.3.5. Nhân đôi tần số cộng hưởng
15.3.6. Tựa phối hợp pha (Quasi-phase Matching)
15.4. Tần số tổng và tần số hiệu
15.4.1. Tần số hiệu và độ lợi tham số
15.5. Bộ dao động tham số quang học (OPO)
15.6. Bài tập
16. Chương 16: Quang học phi tuyến II: Trộn bốn sóng
16.1. Nhân ba tần số trong chất khí
16.2. Hệ số khúc xạ phi tuyến (Hiệu ứng Kerr quang học)
16.2.1. Khóa mode bằng thấu kính Kerr
16.3. Các linh kiện quang học phi tuyến
16.4. Tự điều chế pha (SPM)
16.5. Bài tập
Phụ lục A: Toán học dùng cho quang học
A.1. Phân tích phổ của các đại lượng đo lường dao động thăng trầm
A.2. Công thức lấy trung bình theo thời gian
Phụ lục B: Bổ sung về Cơ học lượng tử
B.1. Tiến triển theo thời gian của hệ hai trạng thái
B.1.1. Nguyên tử hai mức
B.1.2. Sự phát triển theo thời gian của các trạng thái thuần túy
B.2. Hình thức luận ma trận mật độ
B.3. Mật độ trạng thái
Tài liệu tham khảo
Chỉ mục (Index)
