大学物理§14-4薄膜干涉.ppt

太原理工大学物理系,太原理工大学物理系,14-4,薄膜干涉,本节讨论等倾干涉和等厚干涉，以等厚干涉为主。,一、分振幅干涉装置,-,薄膜干涉,由薄膜上下表面分别反射的,两束反射光,为相干光，薄膜干涉就是要讨论这,两束反射光的干涉。,经薄膜上下表面分别反射在薄膜的背面形成,两束透射光,，这两束透射光也是相干光，还可以讨论这,两束透射光的干涉。,薄膜干涉花样,D,E,5,B,2,1,两束反射光的光程差,光程差由两部部分组成：一部分是由于走过,不同的媒质,与,几何路径,而引起，另一部分是由,半波损失,而引起。,L,P,C,3,4,A,1,P,设,折射定律,两束反射光的光程差,由几何关系知,D,E,5,B,2,C,3,4,A,1,反,射光的光程差,2,两束透射光的光程差,P,L,D,C,3,4,E,5,A,1,B,2,F,由几何关系可以推出两束透射光的光程差,明纹,暗纹,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,明纹,暗纹,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,3,半波损失,半波损失由,光疏媒质,向,光密媒质,入射时，表面的,反射光,所引起。,（,1,）如两个表面反射,都有,半波损失,在光程差中不加,/2,（,2,）如两个表面反射,都没有,半波损失,在光程差中不加,/2,（,3,）如,一个,表面反射,有,半波损失,在光程差中加,/2,注意：,透射光和反射光干涉具有互补性，符合能量守恒定律,.,两束相干光的,光程差决定于,反,射光的光程差,一般情况下薄膜干涉的分析比较复杂，通常只研究,3,个极端情形,膜的厚度,e,入射角,i,（,1,）,光垂直入射到均匀厚度的膜上,入射角,i,=0,反射光的光程差,4.,几种特殊情况,加强,减弱,满足加强条件则反射光干涉加强,满足减弱条件则反射光干涉减弱,膜表面,亮度均匀,，不出现明暗相间的条纹。,例,1,一油轮漏出的油,(,折射率,=,1.2,),污染了某海域,在海水,(,=,1.3,),表面形成一层薄薄的油污,.,(1),如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为,460nm,则他将观察到油层呈什么颜色,?,解,(1),绿色,(2),如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油层呈什么颜色,?,油膜,海水,(2),透射光的光程差,红光,紫光,紫红色,当 时，透射光干涉极大,玻璃,MgF,2,例,2,增透膜,一些光学元件需要减少反射，增加透射，通常在玻璃的表面镀一层折射率比较小的氟化镁，使反射光干涉相消。,反射光的光程差,为使波长,的,单色光,完全透过,薄膜，则要求反射光干涉相消,膜的最小厚度为,照相机镜头表面镀有增透膜,例,如,在玻璃表面镀上一层,MgF,2,薄膜，使波长为,=,550 nm,的绿光全部通过。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,取,k,=0,MgF,2,玻璃,n,2,=1.38,n,1,=1.50,n,0,=1,=,99.6(nm),ZnS,MgF,2,ZnS,MgF,2,在玻璃上交替镀上多层介质膜，增强反射光，称为,高反射膜,。,例,3,高反膜,激光谐振腔中的反射镜要求对波长,632.8nm,的单色光有,99%,以上的,反射率。在玻璃表面交替镀上,ZnS,和,MgF,2,（,2,）只有入射角,i,变化的情况,等倾干涉,当薄膜的厚度均匀时，光程差只取决于入射光的角度，,相同倾角,的光线,光程差相同。,薄 膜,反 射 板,透 镜,屏 幕,等倾干涉条纹,我们只研究等厚干涉条纹,在本节讨论两个重要的等厚干涉：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，光程差只取决于薄膜的厚度，相同,厚度,的地方对应相同的,光程差,，出现同一级,条纹,。,（,3,）,只有厚度,e,变化的情况,等厚干涉,两块玻璃之间形成一劈尖型的空气膜，简称劈尖。,两个表面的夹角,很小。,1,劈尖,S,M,二、等厚干涉,入射光垂直入射于膜表面，在膜表面附近出现明暗相间的条纹。,实验装置,白光入射,单色光入射,肥皂膜的等厚干涉条纹,明纹,在入射点膜厚为,e,，该点的两束反射光引起的光程差,1,）光程差,在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。,2,）条纹位置,由,得,在厚度,e,为,/4,n,2,、,3,/4,n,2,、,5,/4,n,2,处出现亮纹。,暗纹,同一条纹对应的膜厚,e,相同,等厚条纹。,是在厚度不等的膜上形成的。,在厚度,e,为,0,、,/2,n,2,、,/,n,2,处出现暗纹。,思考：,(1),对明纹,、,暗纹,k,取值范围相同吗？,(2),明暗条纹中的,号还在吗,?,由,得,(1),形状：平行于,棱边,明暗相间均匀分布的直条纹。,3,）条纹特点,(2),在棱边处,e,=0,，由于半波损失而形成暗纹,4,）相邻条纹的厚度差,由,明、暗条纹,对应的厚度,明条纹,暗条纹,得相邻,明条纹,（暗条纹）,对应的厚度差,5),条纹间距,l,为了,条纹分得更开,当波长一定时，可以减小角。,6,）干涉条纹的移动,7),劈尖干涉的应用,用于精密测量,(,以波长为尺子,),待测样品,干涉膨胀仪,检验光学元件,表面的平整度,表面规则,表面不规则,测细丝的直径,(,或微小厚度）,用波长 的单色光垂直入射时,测得干涉条纹的宽度,求这玻璃的折射率,.,例,4,有一玻璃劈尖,放在空气中,劈尖夹角,解,例,5,用波长为,600nm,的光垂直照射由两块平玻璃板构成的空气劈尖膜，劈尖角,2,10,-4,rad,，改变劈尖的倾角，测得相邻明条纹间距缩小了,1.00mm,，求劈尖角的改变量,解,:,原相邻明纹间距,改变后的条纹,间距,改变后的劈尖角,劈尖角的改变量,例,6,用波长,500nm,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心,A,点，距劈尖棱边的距离为,1.56cm,求（,1,）此劈尖的劈尖角,解,:,A,点为第三级暗纹中心，空气膜的厚度满足,（,2,）若改用,600nm,的单色光垂直照射到此劈尖上再观察,A,点，出现明纹还是暗纹？,解,:,此时,A,点的光程差,因,A,点应为第三级明纹的中心,因棱边为,0,级暗纹，从棱边到,A,点，共出现,3,条暗纹，,3,条明纹。,2.,牛顿环,牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成，中间形成空气薄膜。,显微镜,S,L,r,e,单色光入射的牛顿环,白光入射的牛顿环照片,暗纹,1),光程差,明纹,2),条纹特点,中心处,e,=0,，对应,k,=,0,级的暗斑，以,0,级暗斑为中心，形成同心圆环。,R,r,e,3),条纹半径,暗纹,明纹,代入以下公式,暗环半径,明环半径,得到明环半径和暗环半径,测量透镜的曲率半径,4),牛顿环的应用,测量入射光波长,检验透镜球表面质量,工 件,标 准 件,例,6,用氦氖激光器发出的波长为,633nm,的单色光做牛顿环实验，测得第个,k,暗环的半径为,5.63mm,第,k,+,5,暗环的半径为,7.96mm,，,求平凸透镜的曲率半径,R,.,解,