光的干涉1.10[光学教程]第四版姚启钧高等教育出版社.ppt

1 11干涉现象的一些应用牛顿环 1 10 1检查光学元件的表面 在磨制光学元件时 必须检验元件表面的质量 通常先把被检验的表面与一个标准的表面相接触 然后在单色光照射下 通过观察两个表面间的空气薄膜所形成的干涉条纹来判断被检验表面是否符合标准 检验装置示意图 如果条纹是一组明暗相间的等间距的直条纹 就表明被检验的表面是平整的 若干涉条纹发生弯曲或疏密不均 说明被检验表面有缺陷 根据条纹的弯曲 畸变的形状和不规则的程度 就可以判断缺陷的种类 及被检验表面与标准平面相差的程度 这种检验光学元件质量的光学仪器称为平面干涉仪 如果被检验表面是一个凸球面 就可把被检验凸球面与一个标准凹球面紧密相接触 与检验平面平整度的方法一样 通过干涉仪在单色光下进行观察 1 如果被检验球面与标准球面完全一致 则整个视场是暗的 Why 2 若被检球面是光滑球面 但曲率半径与标准球面不同 则形成明暗相间的干涉圆环 它们之间的空气层厚度每增加半个波长就增加一个同心圆环 暗环 3 如果被检验球面上面还存在缺陷 则干涉条纹将不是同心圆环 而是不规则的条纹 如图 1 10 2镀膜光学元件 在比较复杂的光学系统中 光能的反射损失是严重的 对于一个由六个透镜组成的光学系统 光能的反射损失约占一半左右 另外 光在透镜表面反射还会造成杂散光 严重影响光学系统的成像质量 在光学仪器中 为了减小在光学元件表面上的反射损失 可利用薄膜的干涉相消来减小反射光 镀膜要求 1 介质膜要透明 2 厚度满足一定的要求 3 折射率满足 例 在正入射的情况下 对于玻璃光能的反射比为4 如在其表面镀MgF2薄膜 并使其厚度满足干涉相消 则可使反射光能损失降低到0 078 利用反射光干涉相消原理 镀膜后使反射光能减小 因此增加了透射光的能量 所以这种薄膜称为增透膜 为了增强某一光谱区域内的反射能量 这种膜称为反射膜或增反膜 另外 还有一种镀膜 如反射镜镀膜 除了镀制增透膜和反射膜外 还可以镀制各种性能的多层反射膜 彩色分光膜 冷光膜以及干涉虑光片等 例如 He Ne激光器谐振腔的全反射镀有15 19层的硫化锌 ZnS 氟化镁 MgF2 膜系 可使632 8nm波长的反射率高达99 6 彩色分光膜是一种广泛应用于彩色电视中薄膜 它可在可见光区有选择的进行反射 冷光膜是一种既能高效的反射可见光 又能高效地透射红外光的多层膜 这种膜通常镀在电影放映机的反射光镜上 以减小电影胶片的受热并增强银幕的照度 1 10 3测量长度的微小改变 当长度有微小改变时 在适当的装置中干涉条纹将发生移动 利用这一原理可以精确测量固体样品的热膨胀系数 如图为干涉热膨胀仪 如图 待测器件上表面与石英板之间形成一楔形空气层 构成空气劈尖 用单色平行光照射时就会看到干涉条纹 当温度改变时 待测器件膨胀 楔形空气层的厚度就会改变 此时所产生的干涉条纹就会移动 从干涉条纹移过的数目 即可算出样品长度的改变量 四 测微小直径 厚度 或镀膜厚度 测细丝的直径或劈角 将微小物体夹在两薄玻璃片间 形成劈尖 用单色平行光照射 1 10 4牛顿环 透镜凸面的曲率半径为米的量级 与平板玻璃之间形成很薄的空气隙 光垂直入射到透镜的平面上形成同心圆形干涉条纹条纹 牛顿环是历史上有名的等厚干涉实验装置 它是将平凸透镜的凸面放置在平板玻璃上 如图 这种干涉条纹是牛顿于1675年首先观察并加以描述的 故称牛顿环或牛顿圈 观察牛顿环的装置示意图 牛顿 IsaacNewton 1643 1727 将一束平行单色光垂直射入空气膜 平凸透镜的曲率很小 入射角皆近似相等为零 故空气层上下表面反射的相干光的光程差 只取决于空气膜的厚度 考虑到附加光程差 2 则厚度为d处的光程差为 设第k级干涉圆环的半径为r 空气层的厚度为d 透镜的曲率半径为R 则有 将上式代入光程差公式可得 明环半径 暗环半径 如果用白光照射此实验装置 则可得到彩色圆环 同一级次的条纹将按里紫外红的顺序排列 牛顿环的特点 1 牛顿环考察的是玻璃介质之间的空气薄膜 由于存在附加光程差 2 故中心为暗斑 理论上是暗点 2 由环半径公式可知 高级次圆环在外 低级次圆环在内 这与等倾圆环恰好相反 3 牛顿环条纹间距是不等宽的 内疏外密 与等倾圆环相类似 第k级暗环半径 第k 1级暗环半径 因此 对于给定的牛顿环装置 R 为常数 k越高 rk 1 rk就越大 则rk 1 rk越小 环纹越密 4 透射光的牛顿环与反射光的牛顿环是互补的 且透射光牛顿环不如反射光牛顿环的可见度高 较难观测到 例题 一波长为0 6 m的单色光照射 在垂直方向的反射光中观察牛顿环 设平凸透镜和玻璃相接触处的空气层间隔为150nm 问 1 牛顿环中心是亮斑还是暗斑 2 第6个亮环所对应的空气层的厚度为多少 3 若用白光照射 则可见光中哪些波长的极大值恰好落在上述厚度的位置上 解 由题意 1 在中央接触处 空气膜厚度为d0的光程差为 即由空气膜上 下两表面反射光的光程相等 故产生干涉相长 所以是中心处应为亮斑 2 第6个亮环的干涉级次为k 6 中心