《薄膜等厚干涉》PPT课件.ppt

第四节,薄膜等厚干涉,在前面的课程里，我们给大家介绍过光是电磁波，因而它能表现波动特有的干涉，衍射现象。,在日常生活中，光的干涉现象我们常常可以见到。比如，当太阳光照射在肥皂泡或水面上的油膜时，他们的表面上呈现出美丽的彩色条纹，这就是由于天然光在薄膜上产生干涉现象引起的。,然而在历史上，对这种薄膜颜色的成因的解释也经历了曲折的发展。最初是由胡克提出的，他是持光的波动说观点，但由于他的数学知识的欠缺，没有正确的解释这种现象。他的解释虽不正确，但已接触到了薄膜干涉的基本要点。,1675年牛顿对薄膜干涉问题也进行了研究，为了进一步研究，他还亲自制造仪器进行实验，即著名的牛顿环实验，把曲率半径很大的平凸透镜放在平玻璃上，当白光照射它时，则出现一组彩色的同心环状条纹，我们把它叫着“牛顿环”。,牛顿环实验是光具有波动性的最好证明之一。也形象的反映了光的周期性。但是由于牛顿倾向于光的微粒说观点，因而他没有对自己所做的著名实验作出科学的解释，因此也没有对它作进一步的研究，并且由于人们迷信权威牛顿，使微粒说在整个十八,世纪一直占统治地位，波动说整整延误了一个世纪，直到十九世纪初，英国科学家托马斯.杨才用光的波动论解释了牛顿环实验。由此我们可以看到正确的物理思想，有效的研究方法及恰当的数学工具对研究的重要性。,一、薄膜干涉,我们知道，两束光产生干涉的条件（又称相干条件）为：,(1) 频率相同；(2). 相位差恒定；(3). 光矢量振动方向相同,我们讲的薄膜指的是由透明介质形成的厚度很薄的一层介质膜。,过A点向b光线作一垂线AD，自A和D到透镜的焦点的距离相等，所以a光和b光的光程差就产生于自A点起a光在薄膜内所走光程同b光所走的光程之差。,由前面所学知，当光从光疏介质射向光密介质，在分界面反射时有半波损失。即,A、C两点的距离很近，薄膜厚度可近似看着相等，为d,2、对于厚度均匀的平面薄膜来说,光程差是随着光线的倾角(入射角)而变化,这样不同的干涉明条纹和暗条纹相应的具有不同的倾角,而同一干涉条纹上的各点都具有同样倾角,这种干涉条纹叫等倾干涉。,3、对透射光来说,也有干涉现象,无半波损失,当反射光相互加强时,透射光将相互减弱,反之亦然,它们互补,4、上面讨论的是单色光,若所用的是复色光,则由于各种波长的光各自在薄膜表面形成自己的一套干涉条纹，互相错开，因而在薄膜表面形成彩色的花纹。,5、观察薄膜干涉，对膜的厚度有无限制呢？,若膜的厚度太大，会使光程差 大于光源的相干长度。,、如果照射到薄膜上的光都是以相同入射角入射,即两光线相干点的光程差只由薄膜的厚度决定,由此干涉图样中同一条干涉条纹下面所对应的膜厚是一样,这种条纹称为等厚干涉条纹。,讨论:,尖劈状肥皂膜的干涉图样(左图为倒象),1. 劈尖干涉,两块平面玻璃片，一端接触，另一端夹一薄纸片，即在两玻璃片之间形成一劈尖型的空气薄膜，劈尖的夹角 很小（秒数量级）,当平行单色光垂直玻璃表面入射时，在空气劈尖上下表面引起的反射光将形成相干光，,同一明条纹或同一暗条纹都对应相同厚度的空气层,2. 光垂直入射时,两相邻条纹对应的空气层厚度差都等于,相邻条纹之间距,讨论,3. 空气劈尖顶点处是一暗纹,这是半波损失的一个有力证明。,1、干涉特点：在与棱平行的地方空气层厚度处处相等，所以干涉条纹是平行棱的明暗相间的直条纹,设劈尖夹角 ，相邻明条纹(或暗条纹)之间距离 l 则,实际用途；,1. 测量微小角度或细丝直径,例：将细丝放在两块平面玻璃板之间，如图，已知用绿光，,不变，只增减薄膜厚度，则等厚干涉条纹并不改变其条纹 间距，而只发生条纹移动，厚度增加，条纹向棱的方向移动， 即厚度每增加 时，条纹向下移动一级，数出条纹移动的数 目，即可测知厚度改变多少。(测量精度达 以上)。干涉膨 胀仪就是根据这种原理形成的，用它可以测量很小的固体样品的 热膨胀系数。,2 测量长度的微小改变,如图，待测工件表面上放一平板 玻璃，使其之间形成空气劈尖。以单 色光垂直照射玻璃表面，用显微镜观 察干涉条纹。由于工件表面不平，观 察到的条纹如图，根据条纹的弯曲方 向，说明工件表面上的纹路是凹还是 凸？纹路深度或高度可表示为,解:同一条纹所对应的空气膜厚度是相等的 B点的厚度C点的厚度 凹厚度每增加时，条纹向下移动一级， 即移动b,现在条纹移动了a,所对应的厚度 变化,即可测量工件与标准板的偏差值。,3.检查工件表面质量,三. 牛顿环,光程差,入射光垂直照射,i=0,干涉特点：中心疏而边缘密的一组同心环状条纹。,中心 d=0是暗斑。反射光的明暗纹所对应的半径分别为,(1) 测透镜球面的半径R 已知 , 测 m、rk+m、rk，可得R,(2) 测波长 已知R，测出m 、 rk+m、rk， 可得,(3) 检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度,(4) 若接触良好,中央为暗纹半波损失,讨论,(5) 透射图样与反射图样互补,(1) 等倾干涉条纹为一系列同心圆环;内疏外密;内圆纹的级次比外圆纹的级次高,条纹特点,(2) 膜厚变化时,条纹发生移动。当薄膜厚度增大时，圆纹从中心冒出，并向外扩张，条纹变密,(3) 使用面光源条纹更清楚明亮,(5) 透射光图样与反射光图样互补,E,二. 等倾干涉,观察等倾条纹的实验装置和光路,波长550 nm黄绿光对人眼和照像底片最敏感。要使照像机对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2薄膜，已知氟化镁的折射率 n=1.38 ，玻璃的折射率n=1.55,解,两条反射光干涉减弱条件,增透膜的最小厚度,增反膜,薄膜光学厚度（nd）仍可以为,例,但膜层折射率 n 比玻璃的折射率大,求 氟化镁薄膜的最小厚度,说明,例：测量半导体薄膜氧化