薄膜等厚干涉PPT课件

1、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。第1页/共21页一、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。反射光反射光2 2 反射光反射光1 1S122ndAB1n1niDC第2页/共21页过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

2、光所走的光程之差。DCnBCABn12)(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2)(12DCnBCABnA、C两点的距离很近，薄膜厚度可近似看着相等，为d反射光反射光2 2 反射光反射光1 1S122ndAB1n1niDC第3页/共21页cosdBCABidtgiACDCsin2sinsinsin21nin2212DCnABn2sin2cos222ndtgdn2)sin1 (cos222dn2cos22dn减弱加强2) 12(2sin222122kkinnd.2, 1, 0k同理当21nn 反射光反射光2 2 反射光反射光1 1S122ndAB1n1niDC第

3、4页/共21页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innd22122sin2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

4、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: :第5页/共21页第6页/共21页尖劈状肥皂膜的干涉图样(左图为倒象)第7页/共21页1 1. 劈尖干涉 ldkdk+1明明纹纹中中心心暗暗纹纹中中心心2两块平面玻璃片，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，.2 , 1 , 02) 12(.2 , 122kkkkd减弱加强同一明条纹或同一暗条纹都对应相同厚度的空气层第8页/共21页21kkdd2

5、. 2. 光垂直入射时, ,两相邻条纹对应的空气层厚度差都等于 sin2l相邻条纹之间距 ldkdk+1明明纹纹中中心心暗暗纹纹中中心心2讨论3. 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 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0d2/第9页/共21页设劈尖夹角 ，相邻明条纹(或暗条纹)之间距离 l则 .2sin1kkddl尖的劈尖上看到。所以干涉条纹只能在很无法辨认，相当大时，条纹将密得小，条纹密，当大，一定，当l ldkdk+1明明纹纹中中心心暗暗纹纹中中心心2实际用途；1. 测量微小角度或细丝直径l 2例：将细丝放

6、在两块平面玻璃板之间，如图，已知用绿光，nm5461mLDlcmLmml54.14,152,20,5 D第10页/共21页 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。2/10/2 2 测量长度的微小改变薄膜上表面 面上移移动后条纹位置移动前条纹位置kk-1kk+1 干涉条纹的移动 h待测块规 标准块规平晶待测样品石英环 平晶干涉膨胀仪等厚条纹的应用 第11页/共

7、21页 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2baH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Hab:2:即可测量工件与标准板的偏差值。2aHb3.3.检查工件表面质量等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶第12页/共21页三. 牛顿环 dCABRrO22 d光程差222)(dRrRSLAMBT入射光垂直照射,i=0 干

8、涉特点：中心疏而边缘密的一组同心环状条纹。RrdddR222略去，所以又第13页/共21页牛顿环越来越密。增加得快，所以看到的增加得快rrd2减弱加强2) 12(222222kkRrd .2 , 1 , 0.2 , 1kk中心 d=0是暗斑。反射光的明暗纹所对应的半径分别为2) 12 (Rkrk .3 , 2 , 1k 明 纹kRrk .3 , 2 , 1 , 0k 暗 纹第14页/共21页mRrrkmk22(1) 测透镜球面的半径测透镜球面的半径R 已知已知 , 测测 m、rk+m、rk，可得可得R(2) 测波长测波长 已知已知R，测出测出m 、 rk+m、rk， 可得可得(3) 检测透镜的

9、曲率半径误差及其表面平整度检测透镜的曲率半径误差及其表面平整度 (4) 若接触良好若接触良好,中央为暗纹中央为暗纹半波损失半波损失 样板样板待测待测透镜透镜条纹条纹 讨论(5) 透射透射图样图样与反射图样互补与反射图样互补Rmrrkmk22第15页/共21页第16页/共21页(1) 等倾干涉条纹等倾干涉条纹为为一系列同心圆一系列同心圆环环; ;内疏外密内疏外密; ;内圆纹的级次比内圆纹的级次比外圆纹的级次高外圆纹的级次高 条纹特点(2) 膜厚变化时膜厚变化时, ,条纹发生移动。条纹发生移动。当薄膜厚度增大时，圆纹从中当薄膜厚度增大时，圆纹从中心冒出，并向外扩张，条纹变心冒出，并向外扩张，条纹变

10、密密 iPi1nd2n1n(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iE 二. 等倾干涉 第17页/共21页观察等倾条纹的实验装置和光路观察等倾条纹的实验装置和光路inMLS f屏幕屏幕第18页/共21页d001.n 381.n 551.n 2r1r, ,kknd2102) 12(2nm10038145504.nd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 增反膜增反膜 薄膜光学厚度（薄膜光学厚度（nd）仍可以为）仍可以为4/例但膜层折射率但膜层折射率 n 比玻璃的折射率大比玻璃的折射率大求 氟化镁薄膜的最小厚度说明第19页/共21页例：测量半导体薄膜氧化硅的厚度，用钠光垂直照射，测得10条亮纹，且最右端处为一暗纹，求薄膜的厚度2OSi0A5896)42. 3, 5 . 132nn1(1nd