薄膜干涉-(2).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,波动光学,张三慧教材：,19.4,19.5（了解内容）,毛骏健教材：,12-3-1、12-3-2,12-3-3,（了解内容）,薄膜干涉,1,薄膜干涉是分振幅干涉。,等厚条纹,同一条纹相应膜的 同一厚度。,日常见到的薄膜干涉例子：,肥皂泡，,雨天地上的油膜，,昆虫翅膀上的彩色 -。,膜为何要薄？,薄膜干涉有两种条纹：,等倾条纹,同一条纹相应入射光的 同一倾角,分振幅法,p,薄膜,S,*,光的相干长度所限。,1 分振幅干涉,2,【例】,分振幅干涉的反射光光程差分析,r,1、2、均有半波损失,1、2、均无半波损失,1无半波损失，2有半波损失,1有半波损失，2无半波损失,3,光线以入射角,i,射向厚度为,e（d,、,h,）折射率为n的薄膜，分别被薄膜的上下表面反射的两束光，在薄膜上方相遇发生干涉。注意,半波损失,问题。,r,n,2,两侧介质相同,，薄膜上下表面反射的两束光,中,一束有半波损失,利用折射定律和几何关系，可得,2,厚度均匀的薄膜干涉,4,等倾干涉：,非平行光入射平行平面薄膜，e相同，对于不同的入射角i产生不同的干涉条纹，这种干涉叫等倾干涉 。,此式表明，光程差决定于倾角,i,和薄膜厚度,e,等厚干涉：,平行光入射非均匀薄膜，i相同，对于不同的薄膜厚度e产生不同的干涉条纹，这种干涉叫等厚干涉。,什么情况加？,透射光与反射光互补！,反射明透射暗；反射暗透射明。,反射光干涉公式：,5,解题步骤：,（1）分析薄膜与周围介质折射率n的相对大小；,判定光程差表达式是否加入半波损失；,（2）写出反射光的光程差表达式（i0时）；,（3）求、e或n。（其中k,min,与e,min,对应）,（4）透射光与反射光互补！,3,厚度均匀的薄膜例题,什么情况加？,6,薄膜技术的应用增透膜、增反膜,例如：,较高级的照相机的镜头由 6 个透镜组成，如不采取有效措施，反射造成的光能损失可达 45%90%。为增强透光，要镀增透膜，或减反膜。复杂的光学镜头采用增透膜可使光通量增加 10 倍。,而激光器两端装有反射镜,就镀有增反射膜。,在薄膜干涉中，光线一部分被反射，另一部分则透射进入介质。反射光干涉极大时，光线大部分被反射。反射光干涉极小时，光线大部分被透射。通过控制薄膜的厚度，可以选择使,透射,或,反射,处于极大，,增强表面上的,反射,或者,透射,，,以改善光学器件的性能。称为增透膜，增反膜。在生产中有广泛的应用。,9,例题：增透、增反膜,问：若反射光相消干涉的条件中,取,k,=1，膜的厚度为多少？此增,透膜在可见光范围内有没有增反？,已知：用波长 ，照相机镜头,n,3,=1.5，其,上涂一层,n,2,=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。,解：因为 ，所以反射光,经历两次半波损失。反射光相干相,消的条件是：,代入,k,和,n,2,求得：,10,可见光波长范围 400700nm,波长412.5nm,的可见光有增反。,反射光相消干涉的条件中取,k,=0时，膜的厚度为最小。,代入,e,和,n,2,求得：,此膜同时可能满足反射光干涉相长的条件：,11,劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜。,劈尖干涉,在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。,e,n,A,n,n,(设,n,n,),反射光1,反射光2,S,*,单色平行光,1,2,1,、,2,两束反射光来自,同一束入射光，它们,可以产生干涉。,观察劈尖干涉的实验装置,通常让光线几乎垂直入射。,3,.劈尖干涉（劈形膜）,12,设单色平行光线在A点,处入射，膜厚为,e,，,在,n,定了以后,只是厚度,e,的函数。,反射光1,单色平行光垂直入射,e,n,n,n,A,反射光2,(设劈尖两边介质相同,),一个厚度,e,，对应着一个光程差,，,对应着一个条纹,等厚条纹,。,反射光1,2叠加,要不要考虑半波损失？,（1）劈尖两边介质相同，,13,在此问题中，棱边处 是亮纹还是暗纹？,亮纹,暗纹,（2）光线在劈尖两界面反射时都存在（或都不存在）半波损失：,明暗纹位置与,（1）,的情况相反。其余相同。,亮纹与暗纹,等间距地相间排列。,14,有,所以,有,相邻两条亮纹对应的厚度,e,k,e,k,+1,相差,多大？,设相邻两条亮纹对应的厚度差为,e,：,条纹分得更开，更好测量。,劈尖特有的,薄膜干涉共有的,L,e,e,k,e,k,+1,明纹,暗纹,n,L,15,1.由条纹间距测,、n或。,2.测微小直径、厚度。,测微小直径,测微小厚度,h,待测块规,标准块规,平晶,校验块规,精密测长度,应用举例：,16,等厚条纹,待测工件,平晶,请问：此待测工件表面上，,有一条凹纹还是一条凸纹？,答：凸纹,4.测量微小位移,两表面间距增大时，条纹向棱边平移（间距,l,不变），劈尖厚度每改变/2,移过一条条纹；反之，移动方向相反。,待测样品,石英环,平晶,干涉膨胀仪,测膨胀系数,3.检测表面质量。,17,例题：,用波长为,589.3nm,的钠黄光,解：由,有,垂直照射长,L,=20mm,的空气劈尖，测得条纹间距为1.1810,-4,m，求d,18,例题,折射率为,n,=1.60的两块平面玻璃板之间形成一,空气劈尖，用波长=600nm的单色光垂直照射，产生等厚干涉条纹，若在劈尖内充满,n,=1.40的液体，相邻明纹间距缩小,l,=0.5mm，求劈尖角。,解：,设空气劈尖时相邻明纹间距为,l,1,，液体劈尖时相邻明纹间距为,l,2,，由间距公式,已知,可求n,19,例题,制造半导体元件时,常需精确测定硅片上镀有,二氧化硅薄膜的厚度,可用化学方法把薄膜的一部分腐蚀成劈尖形,用波长=589.3nm的单色光从空气垂直照射,二氧化硅的折射率 n=1.5,硅的折射率为3.42,若观察到如图所示的7条明纹.问二氧化硅膜的厚度d=?,解：由于n,1,nn,3,光程差为：,=2,n e,k,，,产生明纹的条件：,棱边处 e=0,对应于 k=0,所以厚度为 d 处的明纹对应于 k=6,故二氧化硅膜的厚度为:,Si,若观察到d处正好为第7条暗纹，情况如何？,20,e,r,R,平晶,平凸透镜,o,如图平行光入射,平凸透镜与平晶间,形成,空气劈尖,。,平晶,S,分束镜,M,显微镜,0,平凸透镜,.,暗环,观察,牛顿环的装置示意图,内疏外密,条纹间距,4,.牛顿环干涉,21,牛顿环特有的,什么情况加？,牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹，,它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补。,将（1）式代入的明暗公式，可以解出第,k,级明环和暗环半径r,k,e,r,R,平晶,平凸透镜,o,e,可用,r,R,表示:,薄膜干涉共有的,22,2.已知透镜的曲率半径求波长,1.已知波长测量平凸透镜的曲率半径,已知，,数清,m,，测出,r,k,、,r,k+m,，则,R,已知，数清,m，,测出,r,k,，,r,k+m,，则,明环、暗环均适用,牛顿环的应用（设n1）：,牛顿环特有的,等厚干涉共有的,得到：,23,验规,4.检测光学镜头表面曲率是否合格,将玻璃验规盖于待测镜头上，两者间形成空气薄层，因而在验规的凹表面上出现牛顿环，当某处光圈偏离圆形时，则该处有不规则起伏。,测量介质折射率（充介质后测环半径的改变）,明环、暗环均适用,一圈条纹对应 的,球面,误差。,24,例题：,用紫光照射，借助于低倍测量,显微镜测得由中心往外数第,k,级明环,的半径 r,k,=3.010,-3,m,k,级往上数,第16 个明环半径 r,k+16,=5.010,-3,m，,平凸透镜的曲率半径,R=2.50m,求：紫光的波长？,解：,以其高精度显示,光测量的优越性,25,例题：,在牛顿环装置的透镜与玻璃板间充以某种,解：,充液前，对第k级明环，有：,充液后，对第k级明环，有：,液体后，观测到第10个明环的半径由充液前14.8cm变为充液后的12.7cm,求该种液体的折射率n.,26,例题：,如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，,在牛顿环左半侧，介质膜上下表面,反射的光都有半波损失，=2,ne,e,=0处，=0形成半圆形0级亮斑，右半侧，介质膜的上表面反射的光有半波损失，=2ne+/2，,e,=0处=/2，形成半圆形0级暗斑，两侧干涉图样明暗相反。,试分析反射光干涉图样。并求第四个明环半径。,27,5,迈克耳孙干涉仪（了解原理）,迈克耳孙在工作,迈克耳孙,（A.A.mihelson）,美籍德国人,因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，,获1907年诺贝尔物理奖。,迈克耳孙 莫雷实验干涉仪,证明“不存在相对太阳静止的以太参照系”,28,仪器结构示意图,若,M,1,与,M,2,平行,-,等倾条纹,若,M,1,与,M,2,有小夹角,-,等厚条纹,M,1,2,2,1,1,半透半反膜,S,M,2,M,1,G,1,G,2,E,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,薄膜,一束光在,A处分振幅形成的两束光,，就相当于,由M,1,和M,2,形成的空气膜上下两个面反射光的光程差,。,迈克耳孙干涉仪的结构及原理,29,M,2,M,1,M,2,M,1,M,2,M,1,M,1,M,2,M,1,M,2,M,2,M,1,M,2,M,1,M,2,M,1,M,1,M,2,M,1,M,2,(a),(a),(b),(b),(c),(c),(d),(d),(e),(e),(f),(f),(g),(g),(h),(h),(i),(i),(j),(j),条纹,30,参考臂扫描可得到样品深度方向的一维测量数据,光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量 可得到横向的数据,将得到的信号经计算机处理,光源,探测器,参考镜,眼睛,*样品中不同位置处反射回的光脉冲延迟时间不同,*不同的材料或结构反射的强度不同,便可得到样品的立体断层图像,光学相干CT 断层扫描成像新技术,Optical Coherence Tomography,微米量级的空间分辨率,“古老”原理的现代应用之例,31,光源,电子学系统,计算机,探测器,光纤耦合器,样品,光纤聚焦器,反射镜,角膜前表面,角膜后表面,晶状体上皮,睫状体,兔子眼球前部的OCT图像,光纤化的迈克耳逊干涉仪,32,