大学物理§14-4薄膜干涉.ppt

太原理工大学物理系 14-4薄膜干涉 本节讨论等倾干涉和等厚干涉，以等厚干涉为主。 一、分振幅干涉装置-薄膜干涉 由薄膜上下表面分别反射的两束反射光为相干 光，薄膜干涉就是要讨论这两束反射光的干涉。 经薄膜上下表面分别反射在薄膜的背面形成两 束透射光，这两束透射光也是相干光，还可以讨 论这两束透射光的干涉。 太原理工大学物理系 薄膜干涉花样 太原理工大学物理系 D E 5 B 2 1 两束反射光的光程差 光程差由两部部分组成：一部分是由于走过不 同的媒质与几何路径而引起，另一部分是由半波损 失而引起。 L P C 3 4 A 1 太原理工大学物理系 P 设 折射定律 两束反射光的光程差 由几何关系知 D E 5 B 2 C 3 4 A 1 太原理工大学物理系 反射光的光程差 2 两束透射光的光程差 P L D C 3 4 E 5 A 1 B 2 F 由几何关系可以推出 两束透射光的光程差 太原理工大学物理系 明纹 暗纹 当反射光的光程差满足以下条件时，出现反射 光干涉明纹或暗纹 明纹 暗纹 当透射光的光程差满足以下条件时，出现透射 光干涉的明纹或暗纹 太原理工大学物理系 3 半波损失 半波损失由光疏媒质向光密媒质入射时，表面的 反射光所引起。 （1）如两个表面反射都有半波损失 在光程差中不加/2 （2）如两个表面反射都没有半波损失 在光程差中不加/2 （3）如一个表面反射有半波损失 在光程差中加/2 注意：透射光和反射光干涉具有互补性 ，符合能 量守恒定律. 太原理工大学物理系 两束相干光的光程差决定于 反射光的光程差 一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂，通常只研 究3个极端情形 膜的厚度e 入射角i （1）光垂直入射到均匀厚度的膜上 入射角i=0 反射光的光程差 4.几种特殊情况 太原理工大学物理系 加强 减弱 满足加强条件则反射光干涉加强 满足减弱条件则反射光干涉减弱 膜表面亮度均匀，不出现明暗相间的条纹。 例1 一油轮漏出的油(折射率 =1.2)污染了某海 域,在海水( =1.3)表面形成一层薄薄的油污. (1)如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾 驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm, 则他将观察到油层呈什么颜色? 太原理工大学物理系 解 (1) 绿色 (2)如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油 层呈什么颜色? 油膜 海水 太原理工大学物理系 (2)透射光的光程差 红光 紫光 紫红色 当 时，透射光干涉极大 太原理工大学物理系 玻璃 MgFMgF 2 2 例2 增透膜 一些光学元件需要减少反射，增加透射，通常 在玻璃的表面镀一层折射率比较小的氟化镁，使反 射光干涉相消。 反射光的光程差 为使波长的单色光完 全透过薄膜，则要求反射光 干涉相消 膜的最小厚度为 太原理工大学物理系 照相机镜头表面镀有增透膜 太原理工大学物理系 例如 在玻璃表面镀上一层MgF2薄膜，使波长为 =550 nm的绿光全部通过。求：膜的厚度。 解：使反射绿光干涉相消，由反射光干涉相消条件 取k = 0 MgF2 玻璃 n2= 1.38 n1 =1.50 n0 = 1 = 99.6(nm) 太原理工大学物理系 ZnS MgF2 ZnS MgF2 在玻璃上交替镀上多层介质膜，增强反射光，称 为高反射膜。 例3 高反膜 激光谐振腔中的反射镜 要求对波长632.8nm的 单色光有99%以上的 反射率。在玻璃表面交替镀上ZnS和MgF2 （2）只有入射角i变化的情况等倾干涉 当薄膜的厚度均匀时，光程差只取决于入射光 的角度，相同倾角的光线光程差相同。 太原理工大学物理系 薄 膜 反 射 板 透 镜 屏 幕 太原理工大学物理系 等倾干涉条纹 太原理工大学物理系 我们只研究等厚干涉条纹,在本节讨论两个重要的 等厚干涉：劈尖的干涉和牛顿环。 当入射角固定时，对于波长一定的入射光，光 程差只取决于薄膜的厚度，相同厚度的地方对应 相同的光程差，出现同一级条纹。 （3）只有厚度e变化的情况等厚干涉 太原理工大学物理系 两块玻璃之间形 成一劈尖型的空气膜 ，简称劈尖。两个表 面的夹角 很小。 1 劈尖 S M 二、等厚干涉 入射光垂直入射于膜表面，在膜表面附近出 现明暗相间的条纹。 实验装置 太原理工大学物理系 白光入射单色光入射 肥皂膜的等厚干涉条纹 太原理工大学物理系 明纹 在入射点膜厚为e，该点的两束 反射光引起的光程差 1）光程差 在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。 2）条纹位置 由 得 在厚度e为 /4n2、3/4n2、5/4n2 处出现亮纹。 太原理工大学物理系 暗纹 同一条纹对应的膜厚e相同等厚条纹。是在厚度 不等的膜上形成的。 在厚度e为 0、/2n2、/n2处出现暗纹。 思考： (1)对明纹、暗纹k取值范围相同吗？ (2)明暗条纹中的 号还在吗? 由得 太原理工大学物理系 (1)形状：平行于棱边明暗相间均匀分布的直 条纹。 3）条纹特点 (2)在棱边处e =0，由于半波损失而形成暗纹 4）相邻条纹的厚度差 由明、暗条纹对应的厚度 明条纹 暗条纹 太原理工大学物理系 得相邻明条纹（暗条纹）对应的厚度差 5)条纹间距l 为了条纹分得更开,当 波长一定时，可以减 小角。 太原理工大学物理系 6）干涉条纹的移动 太原理工大学物理系 7)劈尖干涉的应用 用于精密测量(以波长为尺子) 待测待测 样品样品 干涉膨胀仪 太原理工大学物理系 检验光学元件表面的平整度 太原理工大学物理系 表面规则 表面不规则 太原理工大学物理系 测细丝的直径(或微小厚度） 太原理工大学物理系 ,用波长 的单色光垂直 入射时,测得干涉条纹的宽度 ,求这 玻璃的折射率. 例4 有一玻璃劈尖, 放在空气中, 劈尖夹角 解 太原理工大学物理系 例5 用波长为 600nm的光垂直照射由两块平玻 璃板构成的空气劈尖膜，劈尖角210-4rad，改变 劈尖的倾角，测得相邻明条纹间距缩小了1.00mm， 求劈尖角的改变量 解:原相邻明纹间距 改变后的条纹间距 太原理工大学物理系 改变后的劈尖角 劈尖角的改变量 太原理工大学物理系 例6 用波长500nm的光垂直照射由两块平玻璃 板构成的空气劈尖上。从棱边算起第四条暗纹的中 心A点，距劈尖棱边的距离为1.56cm 求（1）此劈尖的劈尖角 解:A点为第三级暗纹中心，空气膜的厚度满足 太原理工大学物理系 （2）若改用600nm的单色光垂直照射到此劈尖上再 观察A点，出现明纹还是暗纹？ 解:此时A点的光程差 因 A点应为第三级明纹的中心 因棱边为0级暗纹，从棱边到A点，共出现3条暗纹 ，3条明纹。 太原理工大学物理系 2.牛顿环 牛顿环由一块平板玻璃 和一平凸透镜组成，中间形 成空气薄膜。 显微镜 S L r e 太原理工大学物理系 单色光入射的牛顿环 太原理工大学物理系 白光入射的牛顿环照片 太原理工大学物理系 暗纹 1)光程差 明纹 2) 条纹特点 中心处e=0，对应k=0级的暗斑，以0级暗斑 为中心，形成同心圆环。 R r e 3) 条纹半径 太原理工大学物理系 暗纹 明纹 代入以下公式 暗环半径 明环半径 得到明环半径和暗环半径 太