《薄膜干涉》PPT課件

1,波動(dòng)光學(xué),張三慧教材：19.419.5（了解內(nèi)容）,毛駿健教材：12-3-1、12-3-212-3-3（了解內(nèi)容）,薄膜干涉,2,薄膜干涉是分振幅干涉。,等厚條紋同一條紋相應(yīng)膜的同一厚度。,日常見到的薄膜干涉例子：肥皂泡，雨天地上的油膜，昆蟲翅膀上的彩色-。,膜為何要?。?薄膜干涉有兩種條紋：,等傾條紋同一條紋相應(yīng)入射光的同一傾角,光的相干長(zhǎng)度所限。,1分振幅干涉,3,【例】分振幅干涉的反射光光程差分析,1、2、均有半波損失,1、2、均無(wú)半波損失,1無(wú)半波損失，2有半波損失,1有半波損失，2無(wú)半波損失,4,光線以入射角i射向厚度為e（d、h）折射率為n的薄膜，分別被薄膜的上下表面反射的兩束光，在薄膜上方相遇發(fā)生干涉。注意半波損失問(wèn)題。,n2兩側(cè)介質(zhì)相同，薄膜上下表面反射的兩束光中一束有半波損失,利用折射定律和幾何關(guān)系，可得,2厚度均勻的薄膜干涉,5,等傾干涉：非平行光入射平行平面薄膜，e相同，對(duì)于不同的入射角i產(chǎn)生不同的干涉條紋，這種干涉叫等傾干涉。,此式表明，光程差決定于傾角i和薄膜厚度e,等厚干涉：平行光入射非均勻薄膜，i相同，對(duì)于不同的薄膜厚度e產(chǎn)生不同的干涉條紋，這種干涉叫等厚干涉。,什么情況加？,透射光與反射光互補(bǔ)！,反射明透射暗；反射暗透射明。,反射光干涉公式：,6,解題步驟：,（1）分析薄膜與周圍介質(zhì)折射率n的相對(duì)大小；判定光程差表達(dá)式是否加入半波損失；,（2）寫出反射光的光程差表達(dá)式（i0時(shí)）；,（3）求、e或n。（其中kmin與emin對(duì)應(yīng)）,（4）透射光與反射光互補(bǔ)！,3厚度均勻的薄膜例題,什么情況加？,7,例題白光垂直照射在空氣中的一厚度為380nm,的肥皂膜上，設(shè)肥皂膜的折射率為1.33，問(wèn)膜的正面呈什么顏色？背面呈什么顏色？,藍(lán)綠色,紫紅色,解：,8,例題一平行單色光垂直照射到覆蓋著均勻油膜的,解：n依次大或n依次小，油膜上下表面反射的光都有(或都無(wú)）半波損失，且垂直照射，所以光程差為=2ne；反射相消的條件是,可解出k1=3，k2=2,玻璃板上，設(shè)光源波長(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)可以連續(xù)變化，波長(zhǎng)變化期間只觀察到500nm和700nm兩個(gè)波長(zhǎng)的光相繼在反射光中消失，以知油膜的著折射率為1.38，玻璃的折射率為1.50，求油膜的最小厚度。,9,薄膜技術(shù)的應(yīng)用增透膜、增反膜,例如：較高級(jí)的照相機(jī)的鏡頭由6個(gè)透鏡組成，如不采取有效措施，反射造成的光能損失可達(dá)45%90%。為增強(qiáng)透光，要鍍?cè)鐾改ぃ驕p反膜。復(fù)雜的光學(xué)鏡頭采用增透膜可使光通量增加10倍。而激光器兩端裝有反射鏡,就鍍有增反射膜。,在薄膜干涉中，光線一部分被反射，另一部分則透射進(jìn)入介質(zhì)。反射光干涉極大時(shí)，光線大部分被反射。反射光干涉極小時(shí)，光線大部分被透射。通過(guò)控制薄膜的厚度，可以選擇使透射或反射處于極大，增強(qiáng)表面上的反射或者透射，以改善光學(xué)器件的性能。稱為增透膜，增反膜。在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。,10,例題：增透、增反膜,問(wèn)：若反射光相消干涉的條件中取k=1，膜的厚度為多少？此增透膜在可見光范圍內(nèi)有沒(méi)有增反？,已知：用波長(zhǎng)，照相機(jī)鏡頭n3=1.5，其上涂一層n2=1.38的氟化鎂增透膜，光線垂直入射。,解：因?yàn)?，所以反射光?jīng)歷兩次半波損失。反射光相干相消的條件是：,代入k和n2求得：,11,可見光波長(zhǎng)范圍400700nm,波長(zhǎng)412.5nm的可見光有增反。,反射光相消干涉的條件中取k=0時(shí)，膜的厚度為最小。,代入e和n2求得：,此膜同時(shí)可能滿足反射光干涉相長(zhǎng)的條件：,12,劈尖夾角很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜。,劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相間的條紋。,A,1、2兩束反射光來(lái)自同一束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉。,觀察劈尖干涉的實(shí)驗(yàn)裝置,通常讓光線幾乎垂直入射。,3.劈尖干涉（劈形膜）,13,設(shè)單色平行光線在A點(diǎn)處入射，膜厚為e，,在n,定了以后,只是厚度e的函數(shù)。,反射光1,單色平行光垂直入射,e,n,n,n,A,反射光2,(設(shè)劈尖兩邊介質(zhì)相同),一個(gè)厚度e，對(duì)應(yīng)著一個(gè)光程差，對(duì)應(yīng)著一個(gè)條紋等厚條紋。,反射光1,2疊加要不要考慮半波損失？,（1）劈尖兩邊介質(zhì)相同，,14,在此問(wèn)題中，棱邊處是亮紋還是暗紋？,亮紋,暗紋,（2）光線在劈尖兩界面反射時(shí)都存在（或都不存在）半波損失：,明暗紋位置與（1）的情況相反。其余相同。,亮紋與暗紋等間距地相間排列。,15,有,所以有,相鄰兩條亮紋對(duì)應(yīng)的厚度ek,ek+1相差多大？,設(shè)相鄰兩條亮紋對(duì)應(yīng)的厚度差為e：,條紋分得更開，更好測(cè)量。,劈尖特有的,薄膜干涉共有的,L,16,1.由條紋間距測(cè)、n或。,2.測(cè)微小直徑、厚度。,應(yīng)用舉例：,17,請(qǐng)問(wèn)：此待測(cè)工件表面上，有一條凹紋還是一條凸紋？,答：凸紋,4.測(cè)量微小位移,兩表面間距增大時(shí)，條紋向棱邊平移（間距l(xiāng)不變），劈尖厚度每改變/2,移過(guò)一條條紋；反之，移動(dòng)方向相反。,3.檢測(cè)表面質(zhì)量。,18,例題：用波長(zhǎng)為589.3nm的鈉黃光,解：由,有,垂直照射長(zhǎng)L=20mm的空氣劈尖，測(cè)得條紋間距為1.1810-4m，求d,19,例題折射率為n=1.60的兩塊平面玻璃板之間形成一,空氣劈尖，用波長(zhǎng)=600nm的單色光垂直照射，產(chǎn)生等厚干涉條紋，若在劈尖內(nèi)充滿n=1.40的液體，相鄰明紋間距縮小l=0.5mm，求劈尖角。,解：設(shè)空氣劈尖時(shí)相鄰明紋間距為l1，液體劈尖時(shí)相鄰明紋間距為l2，由間距公式,已知可求n,20,例題制造半導(dǎo)體元件時(shí),常需精確測(cè)定硅片上鍍有,二氧化硅薄膜的厚度,可用化學(xué)方法把薄膜的一部分腐蝕成劈尖形,用波長(zhǎng)=589.3nm的單色光從空氣垂直照射,二氧化硅的折射率n=1.5,硅的折射率為3.42,若觀察到如圖所示的7條明紋.問(wèn)二氧化硅膜的厚度d=?,解：由于n1nn3光程差為：=2nek，產(chǎn)生明紋的條件：,棱邊處e=0,對(duì)應(yīng)于k=0,所以厚度為d處的明紋對(duì)應(yīng)于k=6,故二氧化硅膜的厚度為:,若觀察到d處正好為第7條暗紋，情況如何？,21,如圖平行光入射,平凸透鏡與平晶間形成空氣劈尖。,觀察牛頓環(huán)的裝置示意圖,內(nèi)疏外密,條紋間距,4.牛頓環(huán)干涉,22,牛頓環(huán)特有的,什么情況加？,牛頓環(huán)裝置還能觀測(cè)透射光的干涉條紋，它們與反射光的干涉條紋正好亮暗互補(bǔ)。,將（1）式代入的明暗公式，可以解出第k級(jí)明環(huán)和暗環(huán)半徑rk,e可用r,R表示:,薄膜干涉共有的,23,2.已知透鏡的曲率半徑求波長(zhǎng),1.已知波長(zhǎng)測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑,已知，數(shù)清m，測(cè)出rk、rk+m，則,R已知，數(shù)清m，測(cè)出rk，rk+m，則,明環(huán)、暗環(huán)均適用,牛頓環(huán)的應(yīng)用（設(shè)n1）：,牛頓環(huán)特有的,等厚干涉共有的,得到：,24,4.檢測(cè)光學(xué)鏡頭表面曲率是否合格,將玻璃驗(yàn)規(guī)蓋于待測(cè)鏡頭上，兩者間形成空氣薄層，因而在驗(yàn)規(guī)的凹表面上出現(xiàn)牛頓環(huán)，當(dāng)某處光圈偏離圓形時(shí)，則該處有不規(guī)則起伏。,測(cè)量介質(zhì)折射率（充介質(zhì)后測(cè)環(huán)半徑的改變）,明環(huán)、暗環(huán)均適用,一圈條紋對(duì)應(yīng)的球面誤差。,25,例題：用紫光照射，借助于低倍測(cè)量,顯微鏡測(cè)得由中心往外數(shù)第k級(jí)明環(huán)的半徑rk=3.010-3m,k級(jí)往上數(shù)第16個(gè)明環(huán)半徑rk+16=5.010-3m，平凸透鏡的曲率半徑R=2.50m,求：紫光的波長(zhǎng)？,解：,26,例題：在牛頓環(huán)裝置的透鏡與玻璃板間充以某種,解：充液前，對(duì)第k級(jí)明環(huán)，有：,充液后，對(duì)第k級(jí)明環(huán)，有：,液體后，觀測(cè)到第10個(gè)明環(huán)的半徑由充液前14.8cm變?yōu)槌湟汉蟮?2.7cm,求該種液體的折射率n.,27,例題：如圖，牛頓環(huán)裝置由三種透明材料組成，,在牛頓環(huán)左半側(cè)，介質(zhì)膜上下表面反射的光都有半波損失，=2nee=0處，=0形成半圓形0級(jí)亮斑，右半側(cè)，介質(zhì)膜的上表面反射的光有半波損失，=2ne+/2，e=0處=/2，形成半圓形0級(jí)暗斑，兩側(cè)干涉圖樣明暗相反。,試分析反射光干涉圖樣。并求第四個(gè)明環(huán)半徑。,28,5邁克耳孫干涉儀（了解原理）,邁克耳孫在工作,邁克耳孫（A.A.mihelson）美籍德國(guó)人,因創(chuàng)造精密光學(xué)儀器，用以進(jìn)行光譜學(xué)和度量學(xué)的研究，并精確測(cè)出光速，獲1907年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)干涉儀證明“不存在相對(duì)太陽(yáng)靜止的以太參照系”,29,儀器結(jié)構(gòu)示意圖,若M1與M2平行-等傾條紋,若M1與M2有小夾角-等厚條紋,M1,2,2,1,1,半透半反膜,補(bǔ)償板,反射鏡,反射鏡,光源,觀測(cè)裝置,一束光在A處分振幅形成的兩束光，就相當(dāng)于由M1和M2形成的空氣膜上下兩個(gè)面反射光的光程差。,邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)及原理,30,條紋,31,參考臂掃描可得到樣品深度方向的一維測(cè)量數(shù)據(jù)光束在平行于樣品表面的方向進(jìn)行掃描測(cè)量可得到橫向的