薄膜等厚干涉课件

薄膜等厚干涉

在前面的課程裏，我們給大家介紹過光是電磁波，因而它能表現波動特有的干涉，衍射現象。在日常生活中，光的干涉現象我們常常可以見到。比如，當太陽光照射在肥皂泡或水面上的油膜時，他們的表面上呈現出美麗的彩色條紋，這就是由於天然光在薄膜上產生干涉現象引起的。然而在歷史上，對這種薄膜顏色的成因的解釋也經歷了曲折的發展。最初是由胡克提出的，他是持光的波動說觀點，但由於他的數學知識的欠缺，沒有正確的解釋這種現象。他的解釋雖不正確，但已接觸到了薄膜干涉的基本要點。

1675年牛頓對薄膜干涉問題也進行了研究，為了進一步研究，他還親自製造儀器進行實驗，即著名的牛頓環實驗，把曲率半徑很大的平凸透鏡放在平玻璃上，當白光照射它時，則出現一組彩色的同心環狀條紋，我們把它叫著“牛頓環”。牛頓環實驗是光具有波動性的最好證明之一。也形象的反映了光的週期性。但是由於牛頓傾向於光的微粒說觀點，因而他沒有對自己所做的著名實驗作出科學的解釋，因此也沒有對它作進一步的研究，並且由於人們迷信權威牛頓，使微粒說在整個十八世紀一直占統治地位，波動說整整延誤了一個世紀，直到十九世紀初，英國科學家托馬斯.楊才用光的波動論解釋了牛頓環實驗。由此我們可以看到正確的物理思想，有效的研究方法及恰當的數學工具對研究的重要性。一、薄膜干涉我們知道，兩束光產生干涉的條件（又稱相干條件）為：(1)頻率相同；(2).相位差恒定；(3).光向量振動方向相同我們講的薄膜指的是由透明介質形成的厚度很薄的一層介質膜。反射光2反射光1S12·過A點向b光線作一垂線AD，自A和D到透鏡的焦點的距離相等，所以a光和b光的光程差就產生於自A點起a光在薄膜內所走光程同b光所走的光程之差。由前面所學知，當光從光疏介質射向光密介質，在分界面反射時有半波損失。即A、C兩點的距離很近，薄膜厚度可近似看著相等，為d反射光2反射光1S12·反射光2反射光1S12·2、對於厚度均勻的平面薄膜來說,光程差是隨著光線的傾角(入射角)而變化,這樣不同的干涉明條紋和暗條紋相應的具有不同的傾角,而同一干涉條紋上的各點都具有同樣傾角,這種干涉條紋叫等傾干涉。3、對透射光來說,也有干涉現象,無半波損失當反射光相互加強時,透射光將相互減弱,反之亦然,它們互補4、上面討論的是單色光,若所用的是複色光,則由於各種波長的光各自在薄膜表面形成自己的一套干涉條紋，互相錯開，因而在薄膜表面形成彩色的花紋。5、觀察薄膜干涉，對膜的厚度有無限制呢？若膜的厚度太大，會使光程差大於光源的相干長度。１、如果照射到薄膜上的光都是以相同入射角入射,即兩光線相干點的光程差只由薄膜的厚度決定,由此干涉圖樣中同一條干涉條紋下麵所對應的膜厚是一樣,這種條紋稱為等厚干涉條紋。討論:尖劈狀肥皂膜的干涉圖樣(左圖為倒象)1.劈尖干涉

ldkdk+1明紋中心暗紋中心

兩塊平面玻璃片，一端接觸，另一端夾一薄紙片，即在兩玻璃片之間形成一劈尖型的空氣薄膜，劈尖的夾角很小（秒數量級）當平行單色光垂直玻璃表面入射時，在空氣劈尖上下表面引起的反射光將形成相干光，同一明條紋或同一暗條紋都對應相同厚度的空氣層2.光垂直入射時,兩相鄰條紋對應的空氣層厚度差都等於相鄰條紋之間距

ldkdk+1明紋中心暗紋中心討論3.

空氣劈尖頂點處是一暗紋,這是半波損失的一個有力證明。1、干涉特點：在與棱平行的地方空氣層厚度處處相等，所以干涉條紋是平行棱的明暗相間的直條紋設劈尖夾角，相鄰明條紋(或暗條紋)之間距離l則

ldkdk+1明紋中心暗紋中心實際用途；1.測量微小角度或細絲直徑例：將細絲放在兩塊平面玻璃板之間，如圖，已知用綠光，D

不變，只增減薄膜厚度，則等厚干涉條紋並不改變其條紋間距，而只發生條紋移動，厚度增加，條紋向棱的方向移動，即厚度每增加時，條紋向下移動一級，數出條紋移動的數目，即可測知厚度改變多少。(測量精度達以上)。干涉膨脹儀就是根據這種原理形成的，用它可以測量很小的固體樣品的熱膨脹係數。2．測量長度的微小改變····薄膜上表面面上移移動後條紋位置移動前條紋位置kk-1kk+1

干涉條紋的移動

Δh待測塊規

標準塊規平晶待測樣品石英環

平晶干涉膨脹儀等厚條紋的應用

如圖，待測工件表面上放一平板玻璃，使其之間形成空氣劈尖。以單色光垂直照射玻璃表面，用顯微鏡觀察干涉條紋。由於工件表面不平，觀察到的條紋如圖，根據條紋的彎曲方向，說明工件表面上的紋路是凹還是凸？紋路深度或高度可表示為解:同一條紋所對應的空氣膜厚度是相等的

B點的厚度>C點的厚度凹厚度每增加時，條紋向下移動一級，即移動b,現在條紋移動了a,所對應的厚度變化即可測量工件與標準板的偏差值。3.檢查工件表面品質等厚條紋待測工件平晶三.

牛頓環光程差入射光垂直照射,i=0干涉特點：中心疏而邊緣密的一組同心環狀條紋。中心d=0是暗斑。反射光的明暗紋所對應的半徑分別為(1)測透鏡球面的半徑R

已知

,測

m、rk+m、rk，可得R(2)測波長λ

已知R，測出m

、

rk+m、rk，

可得λ(3)檢測透鏡的曲率半徑誤差及其表面平整度(4)若接觸良好,中央為暗紋——半波損失

樣板待測透鏡條紋

討論(5)透射圖樣與反射圖樣互補(1)等傾干涉條紋為一系列同心圓環;內疏外密;內圓紋的級次比外圓紋的級次高條紋特點(2)膜厚變化時,條紋發生移動。當薄膜厚度增大時，圓紋從中心冒出，並向外擴張，條紋變密(3)使用面光源條紋更清楚明亮(5)透射光圖樣與反射光圖樣互補E

二.等傾干涉觀察等傾條紋的實驗裝置和光路inMLSf螢幕波長550nm黃綠光對人眼和照像底片最敏感。要使照像機對此波長反射小，可在照像機鏡頭上鍍一層氟化鎂MgF2薄膜，已知氟化鎂的折射率n=1.38

，玻璃的折射率n=1.55解兩條反射光干涉減弱條件增透膜的最小厚度增反膜薄膜光學厚度（nd）仍可以為例但膜層折射率n比玻璃的折射率大求氟化鎂薄膜的最小厚度說明例：測量半