大学物理144薄膜干涉ppt课件

1、太原理工大学物理系太原理工大学物理系14-414-4薄膜干涉薄膜干涉 本节讨论等倾干涉和等厚干涉，以等厚干涉为主。本节讨论等倾干涉和等厚干涉，以等厚干涉为主。一、分振幅干涉安装一、分振幅干涉安装-薄膜干涉薄膜干涉 由薄膜上下外表分别反射的两束反射光为相关由薄膜上下外表分别反射的两束反射光为相关光，薄膜干涉就是要讨论这两束反射光的干涉。光，薄膜干涉就是要讨论这两束反射光的干涉。 经薄膜上下外表分别反射在薄膜的反面构成两经薄膜上下外表分别反射在薄膜的反面构成两束透射光，这两束透射光也是相关光，还可以讨束透射光，这两束透射光也是相关光，还可以讨论这两束透射光的干涉。论这两束透射光的干涉。太原理工大学

2、物理系太原理工大学物理系太原理工大学物理系太原理工大学物理系iDE5B21 1 两束反射光的光程差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途径而引起，另一部分是由半波损同的媒质与几何途径而引起，另一部分是由半波损失而引起。失而引起。LP1n1n2n1M2MeC34A1太原理工大学物理系太原理工大学物理系P1n1n2n1M2Me21n ( ABBC )n AD反coseBCABiACADsiniesintan2212nn 设设sinsin21nin 折射定律折射定律两束反射光的光程差两束反射光的光程差由几何关系知由几何关系

3、知iDE5B2C34A12)sin1 (cos222ne反2cos22en太原理工大学物理系太原理工大学物理系 反射光的光程差反射光的光程差2 2 两束透射光的光程差两束透射光的光程差P1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B2FBFnCEBCn12)(透由几何关系可以推出由几何关系可以推出两束透射光的光程差两束透射光的光程差2sin222122inne反inne22122sin2透太原理工大学物理系太原理工大学物理系反k明纹明纹),2, 1(k2) 12(k暗纹暗纹),2, 1 ,0(k当反射光的光程差满足以下条件时，出现反射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光干涉

4、明纹或暗纹透k明纹明纹),2, 1(k2) 12(k暗纹暗纹),2, 1 ,0(k当透射光的光程差满足以下条件时，出现透射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光干涉的明纹或暗纹太原理工大学物理系太原理工大学物理系3 3 半波损失半波损失半波损失由光疏媒质向光密媒质入射时，外表的半波损失由光疏媒质向光密媒质入射时，外表的反射光所引起。反射光所引起。1 1如两个外表反射都有半波损失如两个外表反射都有半波损失在光程差中不加在光程差中不加/2/22 2如两个外表反射都没有半波损失如两个外表反射都没有半波损失在光程差中不加在光程差中不加/2/23 3如一个外表反射有半波损失如一个外

5、表反射有半波损失在光程差中加在光程差中加/2/2 留意：透射光和反射光干涉具有互补性留意：透射光和反射光干涉具有互补性 ，符合能，符合能量守恒定律量守恒定律. .太原理工大学物理系太原理工大学物理系 两束相关光的光程差决议于两束相关光的光程差决议于 反射光的光程差反射光的光程差普通情况下薄膜干涉的分析比较复杂，通常只研普通情况下薄膜干涉的分析比较复杂，通常只研讨讨3 3个极端情形个极端情形膜的厚度膜的厚度e e 入射角入射角i i 2sin222122inne反1 1光垂直入射到均匀厚度的膜上光垂直入射到均匀厚度的膜上1n2n1ne入射角入射角i=0i=0反射光的光程差反射光的光程差22 ne

6、4.4.几种特殊情况几种特殊情况12nn 太原理工大学物理系太原理工大学物理系22nek), 2 , 1(k加强加强2) 12(k), 2 , 1 , 0(k减弱减弱满足加强条件那么反射光干涉加强满足加强条件那么反射光干涉加强、e满足减弱条件那么反射光干涉减弱满足减弱条件那么反射光干涉减弱、e膜外表亮度均匀，不出现明暗相间的条纹。膜外表亮度均匀，不出现明暗相间的条纹。 例例1 1 一油轮漏出的油一油轮漏出的油( (折射率折射率 =1.2) =1.2)污染了某海污染了某海域域, ,在海水在海水( =1.3)( =1.3)外表构成一层薄薄的油污外表构成一层薄薄的油污. . (1) (1)假设太阳正

7、位于海域上空假设太阳正位于海域上空, ,不断升飞机的驾不断升飞机的驾驶员从机上向下察看驶员从机上向下察看, ,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,460nm,那么他将察看到油层呈什么颜色那么他将察看到油层呈什么颜色? ?1n2n太原理工大学物理系太原理工大学物理系解解 (1), 2 , 1,21kkennm11042, 11enknm552, 21enknm36832, 31enk绿色绿色ken 12反 (2) (2)假设一潜水员潜入该区域水下假设一潜水员潜入该区域水下, ,又将看到油又将看到油层呈什么颜色层呈什么颜色? ? 油膜油膜1n2 . 11n3 . 12ne海水海水太

8、原理工大学物理系太原理工大学物理系nm22082/112, 11enk(2)(2)透射光的光程差透射光的光程差nm4 .3152/142, 41enknm7362/ 122, 21enk红光红光nm6 .4412/ 132, 31enk紫光紫光紫红色紫红色k透 当当 时，透射光干涉极大时，透射光干涉极大221 en透太原理工大学物理系太原理工大学物理系10n5 . 1n玻璃玻璃e38. 1n例例2 2 增透膜增透膜 一些光学元件需求减少反射，添加透射，通常一些光学元件需求减少反射，添加透射，通常在玻璃的外表镀一层折射率比较小的氟化镁，使反在玻璃的外表镀一层折射率比较小的氟化镁，使反射光干涉相消

9、。射光干涉相消。ne2反反射光的光程差反射光的光程差 为使波长为使波长的单色光完全的单色光完全透过薄膜，那么要求反射光透过薄膜，那么要求反射光干涉相消干涉相消2) 12(2kne反膜的最小厚度为膜的最小厚度为ne4min太原理工大学物理系太原理工大学物理系照相机镜头外表镀有增透膜照相机镜头外表镀有增透膜太原理工大学物理系太原理工大学物理系 例如例如 在玻璃外表镀上一层在玻璃外表镀上一层MgF2MgF2薄膜，使波长为薄膜，使波长为 =550 nm =550 nm的绿光全部经过。求：膜的厚度。的绿光全部经过。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解：使反射绿光干涉相消，由反射光

10、干涉相消条件取取k = 0MgF2玻璃玻璃n2= 1.38n1 =1.50n0 = 1 24)1k2(ne= 99.6(nm)38.1455024ne2) 12(22ken反太原理工大学物理系太原理工大学物理系ZnSMgF2 ZnSMgF2 在玻璃上交替镀上多层介质膜，加强反射光，称在玻璃上交替镀上多层介质膜，加强反射光，称为高反射膜。为高反射膜。例例3 3 高反膜高反膜激光谐振腔中的反射激光谐振腔中的反射镜要求对波长镜要求对波长632.8nm632.8nm的单色光有的单色光有99%99%以上的以上的反射率。在玻璃外表交替镀上反射率。在玻璃外表交替镀上ZnSZnS和和MgF2MgF22 2只需

11、入射角只需入射角i i变化的情况变化的情况等倾干涉等倾干涉 当薄膜的厚度均匀时，光程差只取决于入射光当薄膜的厚度均匀时，光程差只取决于入射光的角度，一样倾角的光线光程差一样。的角度，一样倾角的光线光程差一样。太原理工大学物理系太原理工大学物理系S薄薄 膜膜反反 射射 板板 透透 镜镜屏屏 幕幕ii太原理工大学物理系太原理工大学物理系等倾干涉条纹等倾干涉条纹太原理工大学物理系太原理工大学物理系我们只研讨等厚干涉条纹我们只研讨等厚干涉条纹, ,在本节讨论两个重要在本节讨论两个重要的等厚干涉：劈尖的干涉和牛顿环。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，光当入射角固定时

12、，对于波长一定的入射光，光程差只取决于薄膜的厚度，一样厚度的地方对应程差只取决于薄膜的厚度，一样厚度的地方对应一样的光程差，出现同一级条纹。一样的光程差，出现同一级条纹。3只需厚度只需厚度e变化的情况变化的情况等厚干涉等厚干涉太原理工大学物理系太原理工大学物理系 两块玻璃之间构两块玻璃之间构成一劈尖型的空气膜，成一劈尖型的空气膜，简称劈尖。两个外表简称劈尖。两个外表的夹角的夹角 很小。很小。 1 1 劈尖劈尖SMTL二、等厚干涉二、等厚干涉 入射光垂直入射于膜外表，在膜外表附近出入射光垂直入射于膜外表，在膜外表附近出现明暗相间的条纹。现明暗相间的条纹。实验安装实验安装D太原理工大学物理系太原理

13、工大学物理系白光入射白光入射单色光入射单色光入射肥皂膜的等厚干涉条纹肥皂膜的等厚干涉条纹 太原理工大学物理系太原理工大学物理系12nn 1n1n2ne , 2 , 1,kk明纹明纹在入射点膜厚为在入射点膜厚为e e，该点的两，该点的两束反射光引起的光程差束反射光引起的光程差1 1光程差光程差222en在膜外表附近构成明、暗相间的条纹。在膜外表附近构成明、暗相间的条纹。2 2条纹位置条纹位置ken222由由2412nke得得在厚度在厚度e e为为 /4n2/4n2、3 3 /4n2/4n2、5 5 /4n2 /4n2 处出现亮处出现亮纹。纹。 太原理工大学物理系太原理工大学物理系, 1 , 0,

14、2) 12(kk 暗纹暗纹同一条纹对应的膜厚同一条纹对应的膜厚e e一样一样等厚条纹。是在厚度等厚条纹。是在厚度不等的膜上构成的。不等的膜上构成的。在厚度在厚度e e为为 0 0、 /2n2/2n2、 /n2/n2处出现暗纹。处出现暗纹。思索：思索：(1)(1)对明纹、暗纹对明纹、暗纹k k取值范围一样吗？取值范围一样吗？ (2)(2)明暗条纹中的明暗条纹中的 号还在吗号还在吗? ?2) 12 (222ken由由22nke 得得太原理工大学物理系太原理工大学物理系21nn (1)(1)外形：平行于棱边明暗相间均匀分布的直外形：平行于棱边明暗相间均匀分布的直条纹。条纹。3 3条纹特点条纹特点(2

15、)(2)在棱边处在棱边处e =0e =0，由于半波损失而构成暗纹，由于半波损失而构成暗纹4 4相邻条纹的厚度差相邻条纹的厚度差由明、暗条纹对应的厚度由明、暗条纹对应的厚度2412nkek22nkek明条纹明条纹暗条纹暗条纹太原理工大学物理系太原理工大学物理系得相邻明条纹暗条纹对应的厚度差得相邻明条纹暗条纹对应的厚度差212neeekk l leL2n1nD5)5)条纹间距条纹间距l l 22n为了条纹分得更开为了条纹分得更开, ,当当波长一定时，可以减波长一定时，可以减小小角。角。 el太原理工大学物理系太原理工大学物理系 6 6干涉条纹的挪动干涉条纹的挪动太原理工大学物理系太原理工大学物理系

16、 7) 7)劈尖干涉的运用劈尖干涉的运用2Nl 用于精细丈量用于精细丈量( (以波长为尺子以波长为尺子) ) 0ll干涉膨胀仪干涉膨胀仪太原理工大学物理系太原理工大学物理系检验光学元件外表的平整度检验光学元件外表的平整度2ahb 6231hba太原理工大学物理系太原理工大学物理系外表规那外表规那么么外表不规那外表不规那么么太原理工大学物理系太原理工大学物理系1n2n1nLd l 测细丝的直径测细丝的直径( (或微小厚度或微小厚度lLnd22太原理工大学物理系太原理工大学物理系 , ,用波长用波长 的单色光垂直的单色光垂直入射时入射时, ,测得干涉条纹的宽度测得干涉条纹的宽度 , ,求这求这玻璃

17、的折射率玻璃的折射率. .Lnl 例例4 4 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖, , 放在空气中放在空气中, , 劈尖夹角劈尖夹角rad1085nm5892 4l. mm 解解22nlnl53. 1m104 . 21082m1089. 5357n2nl太原理工大学物理系太原理工大学物理系73146 101 5 10mm22 2 10l. 例例5 5 用波长为用波长为 600nm600nm的光垂直照射由两块平的光垂直照射由两块平玻璃板构成的空气劈尖膜，劈尖角玻璃板构成的空气劈尖膜，劈尖角2 210-4rad10-4rad，改动劈尖的倾角，测得相邻明条纹间距减少了改动劈尖的倾角，测得相邻明条纹间距减少了1

18、.00mm1.00mm，求劈尖角的改动量，求劈尖角的改动量解解: :原相邻明纹间距原相邻明纹间距 改动后的条纹间距改动后的条纹间距 mmllll5 . 00 . 15 . 112太原理工大学物理系太原理工大学物理系改动后的劈尖角改动后的劈尖角 radl43722106105 . 021062劈尖角的改动量劈尖角的改动量rad412104太原理工大学物理系太原理工大学物理系 例例6 6 用波长用波长500nm500nm的光垂直照射由两块平玻璃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板构成的空气劈尖上。从棱边算起第四条暗纹的中心心A A点，距劈尖棱边的间隔为点，距劈尖棱

19、边的间隔为1.56cm1.56cm求求1 1此劈尖的劈尖角此劈尖的劈尖角解解:A:A点为第三级暗纹中心，空气膜的厚度满足点为第三级暗纹中心，空气膜的厚度满足2) 132(22Ae23AeradlleAAA5108 . 423太原理工大学物理系太原理工大学物理系2 2假设改用假设改用600nm600nm的单色光垂直照射到此劈尖上的单色光垂直照射到此劈尖上再察看再察看A A点，出现明纹还是暗纹？点，出现明纹还是暗纹？解解: :此时此时A A点的光程差点的光程差22Ae23nm18003因因 A A点应为第三级明纹的中心点应为第三级明纹的中心因棱边为因棱边为0 0级暗纹，从棱边到级暗纹，从棱边到A A点，共出现点，共出现3 3条暗纹，条暗纹，3 3条明纹。条明纹。太原理工大学物理系太原理工大学物理系2.2.牛顿环牛顿环 牛顿环由一块平板玻牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成，中璃和一平凸透镜组成，中间构成空气薄膜。间构成空气薄膜。显微镜显微镜SLere太原理工大学物理系太原理工大学物理系单色光入射的牛顿环单色光入射的牛顿环太原理工大学物理系太原理工大学物理系白光入射的牛顿环照片白光入射的牛顿环照片太原理工大学物理系太原理工大学物理系)