用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率

用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率实验的改进于海峰蒋晓冬韩厚年（淮阴工学院淮安223003）摘要：迈克尔逊干涉实验是大学物理实验中的一个重要实验，本文对迈克尔逊干涉仪测定薄膜的厚度和折射率实验的传统方法进行了改进，我们对原测量仪器稍做调整，提高了条纹视见度，减少了测量误差，提高了测量精度。关键词：迈克尔逊干涉仪；光程；薄膜厚度；折射率；等厚干涉白光干涉引言目前测量薄膜厚度和折射率的方法有多种,例如椭偏法、准波导法等等⑴⑵。其中在实验室中最常用、最简单方便的方法是利用迈克尔逊干涉方法来进行测量。迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅双光束干涉装置可用于观察光的干涉现象，测定单色光的波长，测定光源的相干长度。附加适当装置后，可以扩大实验范围，其中，用来测量薄膜的厚度和折射率就是其扩展实验之一。问题提出用迈克尔逊干涉仪测薄膜的厚度和折射率，是利用在光程差约等于零时观测白光的彩色等厚干涉条纹。其做法是先调出白光条纹，然后将薄膜放在分光板g与反射镜M之间（薄膜与光线垂直），或薄膜贴在M镜上，再调出零光程差的彩色干涉条纹反射镜移动距离』与薄透明体厚度Z、透明体折射率〃、空气折射率〃有关系式：d=l（n一n）但是，利用上述测量单层薄膜的折射率和厚度3]⑷的过程中存在着诸多的缺陷，首先要看到较好的等厚干涉条纹，要求单层薄膜本身较平整，以往简单的插入薄膜并不能保证薄膜的平整性，而把薄膜贴在肱镜上，膜与镜之间也容易产生气泡，影响测量的精确性。再者要求白光等厚干涉条纹的可观测性较强，便于测量。本实验介绍了用迈克尔逊干涉仪方便，简单、清晰的观测等厚干涉条纹，进而用来测量单层薄膜厚度和折射率的方法。实验原理用迈克尔逊干涉仪测单层薄膜的厚度和折射率的实验装置如图1所示。其中反射镜肱、M和半反射镜g、补偿板g构成干涉仪的主体，S为光源，a为一透光性较差的透明膜片，其所产生漫反射可以降低光源在的镜面中的反射，相对增大干涉条纹的亮度，从而增强可观测性。q为带有十字叉丝的望远镜，其中，实验中采用望远镜的作用主要有以下两点，一是通过该望远镜可以清晰的观察到白光等厚干涉条纹，二是在观测条纹的移动时，可以借助望远镜中的十字叉丝的水平线作为一个基准线，便于测量。为了更方便的观测干涉条纹，实验过程中望远镜与。。匚示教仪相连，彩色条纹的可观测性大为改善。尸为放置薄膜的〃型插槽，根据测量的需要可以将不同的待测薄膜方便的放入其中，而且可以保证薄膜的平整度，从而减小由于薄膜的非平整度所带来的影响。口Q（望远镜）图1我们将待测透明薄膜插在图2所示的灰色区域，移动M的位置，观测白光等厚干涉，观测过程中可 ；rji',TOC\o"1-5"\h\z以明显1看到非单一的彩色条纹，各个位置的彩色条 J纹各具特点。实验中我们采用的是宽光源，则光束■2在经过M和待测薄膜后，其反射回来的光束可以归结为以下几种可能性，如图3： U（1）经薄膜上表面反射回来与M镜反射回来的光 P图-束进行干涉的光束a。 1（2） 经薄膜下表面反射回来与肱镜反射回来的光束进行干涉的光束B。（3） 经M镜表面反射回来且不经过薄膜层与M镜反射回来的光束进（4） 经M镜表面反射回来且经过薄膜层与M镜反射回来的光束进彳亍干涉的光束D。图3分析以上四种干涉的产生，是由于光程差的不同而引起，通过M镜的移动可找到各干涉发生时肱镜的位置，我们若以第⑴种干涉发生时M镜的位置作为参考位置，1则第⑵种与第⑴种相比多增加了2nl的光程，〃为薄膜的折射率一为薄膜的厚度，即第⑵种干涉发生时，M镜与第⑴种干涉发生时M镜的位置相比其位置移动了nl的距离；第⑶种干涉发生时，M镜与第（1）种干涉发生时M镜的位置相比移动了,+h的距离，h为该1区域薄膜的下表面与平面镜^的距离；第（4）种干涉发生时，M镜与第⑴种干涉时M镜的位置相比移动了nl+h的距离。 1 1实验步骤（1） 按图1把仪器摆好，首先用He-Ne激光为光源，按调节等倾干涉的调节方法将仪器调整好，并调出等倾干涉条纹。（2） 转动粗动手轮，使圆条纹变宽，当出现1〜2个条纹时，用微动手轮再仔细调到条纹消失，即零光程位置。（3） 将光源换成平行的白光光源，可观察到中央为直线黑纹，两旁有对称分布的彩色条纹的白光干涉条纹。此时，以十字叉丝为基准，调节使中央黑纹与十字叉丝基点对齐，记下此时^镜的位置。（4） 此时移动镜M的位置为d，将待测薄膜犒入〃型插槽中（如图2）,再次调出白光干涉条纹，仍以十字叉丝为基准，记下此时M的位置（读数为』），因为移动镜^移动引起的光程变化应补偿由于插入薄膜而引起的光程变化。在测量过程中如果测定了各干涉发生时平面镜M镜的位置，则各干涉产生的光程差的关系，可同时得到薄膜厚度l「薄膜的折射率〃及空气层厚度h。结论测量过程表明，本文所提出的实验方法可行，所用器材都是实验室常用设备，使用设备简单，影响测量结果因素少。迈克尔逊干涉仪在测量前校准后不再改变，实验过程中只需调整、更换被测物。另外，在以上实验的基础上，可以增加CCD进行观测，并还可以对观测到的干涉条纹利用数码相机采集得到，使观测到的现象更加直观。在实验过程中，若使用光学减震平台、光电记数器、采用计算机处理数据，可进一步提高检测精度。参考文献[1]孙香冰，任诠等.测量薄膜折射率的几种方法.量子电子学报，2005.22(1)：13-18⑵黄佐华，何振江.测量薄膜厚度及其折射率的光学方法现代科学仪器，2003，4：42-44沈朝晖，王晶，马廷军.用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率.大学物理实验，1994.3，7(1)：1-3栾兰，闪辉，马秀芳，沈元华.迈克耳孙干涉仪测平行玻片折射率实验的进一步研究，2000.11，19(11)：20-23TOimprovethethicknessandrefractiveindexofsingle-layerfilmmeasuredbyMichelsoninterferometerYuHaifengJiangXiaodongHanHounian

(HuaiyinInstituteofTechnologyHuaian223003)Abstract:Experimentalresearchonthethicknessandrefractiveindexofsingle-layerfilmmakegooduseofMichelsoninterferometer.Thepaperimprovedthetraditionalmeasuringmethod,theoriginalopticalinstrumentlittleadjustment,increasedfield-of-view,theprecisionofmeasurementhasbeenimpro