薄膜等厚干涉課件

1、薄膜等厚干涉PPT課件薄膜等厚干涉PPT課件在前面的課程里，我們給大家介紹過(guò)光是電磁波，因而它能表現(xiàn)波動(dòng)特有的干涉，衍射現(xiàn)象。在日常生活中，光的干涉現(xiàn)象我們常?？梢砸?jiàn)到。比如，當(dāng)太陽(yáng)光照射在肥皂泡或水面上的油膜時(shí)，他們的表面上呈現(xiàn)出美麗的彩色條紋，這就是由于天然光在薄膜上產(chǎn)生干涉現(xiàn)象引起的。然而在歷史上，對(duì)這種薄膜顏色的成因的解釋也經(jīng)歷了曲折的發(fā)展。最初是由胡克提出的，他是持光的波動(dòng)說(shuō)觀點(diǎn)，但由于他的數(shù)學(xué)知識(shí)的欠缺，沒(méi)有正確的解釋這種現(xiàn)象。他的解釋雖不正確，但已接觸到了薄膜干涉的基本要點(diǎn)。1675年牛頓對(duì)薄膜干涉問(wèn)題也進(jìn)行了研究，為了進(jìn)一步研究，他還親自制造儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即著名的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，把

2、曲率半徑很大的平凸透鏡放在平玻璃上，當(dāng)白光照射它時(shí)，則出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋，我們把它叫著“牛頓環(huán)”。牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)是光具有波動(dòng)性的最好證明之一。也形象的反映了光的周期性。但是由于牛頓傾向于光的微粒說(shuō)觀點(diǎn)，因而他沒(méi)有對(duì)自己所做的著名實(shí)驗(yàn)作出科學(xué)的解釋，因此也沒(méi)有對(duì)它作進(jìn)一步的研究，并且由于人們迷信權(quán)威牛頓，使微粒說(shuō)在整個(gè)十八薄膜等厚干涉PPT課件世紀(jì)一直占統(tǒng)治地位，波動(dòng)說(shuō)整整延誤了一個(gè)世紀(jì)，直到十九世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家托馬斯.楊才用光的波動(dòng)論解釋了牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)。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(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具對(duì)研究的重要性。薄膜等厚干涉PPT課件一、薄膜干涉一、薄膜干涉我們知道，兩束

3、光產(chǎn)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). 光矢量振動(dòng)方向相同我們講的薄膜指的是由透明介質(zhì)形成的厚度很薄的一層介質(zhì)膜。反射光反射光2 2 反射光反射光1 1S122ndAB1n1niDC薄膜等厚干涉PPT課件過(guò)A點(diǎn)向b光線作一垂線AD，自A和D到透鏡的焦點(diǎn)的距離相等，所以a光和b光的光程差就產(chǎn)生于自A點(diǎn)起a光在薄膜內(nèi)所走光程同b光所走的光程之差。DCnBCABn12)(由前面所學(xué)知，當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，在分界面反射時(shí)有半波損失。即2)(12DCnBCABnA、C兩點(diǎn)的距離很近，薄膜厚度可近似看著相等，為d反射光反射光2 2 反射光反射光1 1S

4、122ndAB1n1niDC薄膜等厚干涉PPT課件cosdBCABidtgiACDCsin2sinsinsin21nin2212DCnABn2sin2cos222ndtgdn2)sin1 (cos222dn2cos22dn減弱加強(qiáng)2) 12(2sin222122kkinnd.2, 1, 0k同理當(dāng)21nn 反射光反射光2 2 反射光反射光1 1S122ndAB1n1niDC薄膜等厚干涉PPT課件2、對(duì)于厚度均勻的平面薄膜來(lái)說(shuō),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(yīng)的具有不同的傾角,而同一干涉條紋上的各點(diǎn)都具有同樣傾角,這種干涉條紋叫等傾干涉。3、對(duì)透射光來(lái)說(shuō),

5、也有干涉現(xiàn)象,無(wú)半波損失innd22122sin2當(dāng)反射光相互加強(qiáng)時(shí),透射光將相互減弱,反之亦然,它們互補(bǔ)4、上面討論的是單色光,若所用的是復(fù)色光,則由于各種波長(zhǎng)的光各自在薄膜表面形成自己的一套干涉條紋，互相錯(cuò)開(kāi)，因而在薄膜表面形成彩色的花紋。5、觀察薄膜干涉，對(duì)膜的厚度有無(wú)限制呢？若膜的厚度太大，會(huì)使光程差 大于光源的相干長(zhǎng)度。、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(diǎn)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面所對(duì)應(yīng)的膜厚是一樣,這種條紋稱為等厚干涉條紋。討論討論: :薄膜等厚干涉PPT課件薄膜等厚干涉PPT課件尖劈狀肥皂膜的干涉圖樣尖劈狀肥皂膜的干涉圖樣(

6、左圖為倒象左圖為倒象)薄膜等厚干涉PPT課件1 1. 劈尖干涉劈尖干涉 ldkdk+1明明紋紋中中心心暗暗紋紋中中心心2兩塊平面玻璃片，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?。霐?shù)量級(jí)）當(dāng)平行單色光垂直玻璃表面入射時(shí)，在空氣劈尖上下表面引起的反射光將形成相干光，.2 , 1 , 02) 12(.2 , 122kkkkd減弱加強(qiáng)同一明條紋或同一暗條紋都對(duì)應(yīng)相同厚度的空氣層薄膜等厚干涉PPT課件21kkdd2. 2. 光垂直入射時(shí)光垂直入射時(shí), ,兩相鄰條紋對(duì)兩相鄰條紋對(duì)應(yīng)的空氣層厚度差都等于應(yīng)的空氣層厚度差都等于 sin2l相鄰條紋之間距相鄰條紋之間距

7、 ldkdk+1明明紋紋中中心心暗暗紋紋中中心心2討論討論3. 3. 空氣劈尖頂點(diǎn)處是一暗紋空氣劈尖頂點(diǎn)處是一暗紋, ,這是半波損失的一個(gè)有力證明。這是半波損失的一個(gè)有力證明。1 1、干涉特點(diǎn)：在與棱平行的地方空氣層厚度處處相等，所以干、干涉特點(diǎn)：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涉條紋是平行棱的明暗相間的直條紋0d2/薄膜等厚干涉PPT課件設(shè)劈尖夾角 ，相鄰明條紋(或暗條紋)之間距離 l則 .2sin1kkddl尖的劈尖上看到。所以干涉條紋只能在很無(wú)法辨認(rèn)，相當(dāng)大時(shí)，條紋將密得小，條紋密，當(dāng)大，一定，當(dāng)l ldkdk+1明明紋紋中中心心暗暗紋紋中中心心

8、2實(shí)際用途；1. 測(cè)量微小角度或細(xì)絲直徑測(cè)量微小角度或細(xì)絲直徑l 2例：將細(xì)絲放在兩塊平面玻璃板之間，如圖，已知用綠光，nm5461mLDlcmLmml54.14,152,20,5 D薄膜等厚干涉PPT課件 不變，只增減薄膜厚度，則等厚干涉條紋并不改變其條紋間距，而只發(fā)生條紋移動(dòng)，厚度增加，條紋向棱的方向移動(dòng)，即厚度每增加 時(shí)，條紋向下移動(dòng)一級(jí)，數(shù)出條紋移動(dòng)的數(shù)目，即可測(cè)知厚度改變多少。(測(cè)量精度達(dá) 以上)。干涉膨脹儀就是根據(jù)這種原理形成的，用它可以測(cè)量很小的固體樣品的熱膨脹系數(shù)。2/10/2 2 測(cè)量長(zhǎng)度的微小改變測(cè)量長(zhǎng)度的微小改變薄膜上表面薄膜上表面 面上移面上移移動(dòng)后條紋位置移動(dòng)后條紋位

9、置移動(dòng)前條紋位置移動(dòng)前條紋位置kk-1kk+1 干涉條紋的移動(dòng)干涉條紋的移動(dòng) h待測(cè)塊規(guī)待測(cè)塊規(guī) 標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)平晶平晶待測(cè)樣品待測(cè)樣品石英環(huán)石英環(huán) 平晶平晶干涉膨脹儀干涉膨脹儀等厚條紋的應(yīng)用等厚條紋的應(yīng)用 薄膜等厚干涉PPT課件 如圖，待測(cè)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。由于工件表面不平，觀察到的條紋如圖，根據(jù)條紋的彎曲方向，說(shuō)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2baH解:同一條紋所對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度是相等的 B點(diǎn)的厚度C點(diǎn)的厚度 凹厚度每增加時(shí)，條紋向下移動(dòng)一級(jí)，即移動(dòng)b,現(xiàn)在條紋移動(dòng)了a,所對(duì)應(yīng)的厚度變化Ha

10、b:2:即可測(cè)量工件與標(biāo)準(zhǔn)板的偏差值。2aHb3.3.檢查工件表面質(zhì)量檢查工件表面質(zhì)量等厚條紋等厚條紋待測(cè)工件待測(cè)工件平晶平晶薄膜等厚干涉PPT課件三三. 牛頓環(huán)牛頓環(huán) dCABRrO22 d光程差光程差222)(dRrRSLAMBT入射光垂直照射,i=0 干涉特點(diǎn)：中心疏而邊緣密的一組同心環(huán)狀條紋。RrdddR222略去，所以又薄膜等厚干涉PPT課件牛頓環(huán)越來(lái)越密。增加得快，所以看到的增加得快rrd2減弱加強(qiáng)2) 12(222222kkRrd .2 , 1 , 0.2 , 1kk中心 d=0是暗斑。反射光的明暗紋所對(duì)應(yīng)的半徑分別為2) 12 (Rkrk .3 , 2 , 1k 明紋kRrk

11、.3 , 2 , 1 , 0k 暗紋薄膜等厚干涉PPT課件mRrrkmk22(1) 測(cè)透鏡球面的半徑測(cè)透鏡球面的半徑R 已知已知 , 測(cè)測(cè) m、rk+m、rk，可得可得R(2) 測(cè)波長(zhǎng)測(cè)波長(zhǎng) 已知已知R，測(cè)出測(cè)出m 、 rk+m、rk， 可得可得(3) 檢測(cè)透鏡的曲率半徑誤差及其表面平整度檢測(cè)透鏡的曲率半徑誤差及其表面平整度 (4) 若接觸良好若接觸良好,中央為暗紋中央為暗紋半波損失半波損失 樣板樣板待測(cè)待測(cè)透鏡透鏡條紋條紋 討論討論(5) 透射透射圖樣圖樣與反射圖樣互補(bǔ)與反射圖樣互補(bǔ)Rmrrkmk22薄膜等厚干涉PPT課件薄膜等厚干涉PPT課件(1) 等傾干涉條紋等傾干涉條紋為為一系列同心圓

12、一系列同心圓環(huán)環(huán); ;內(nèi)疏外密內(nèi)疏外密; ;內(nèi)圓紋的級(jí)次比內(nèi)圓紋的級(jí)次比外圓紋的級(jí)次高外圓紋的級(jí)次高 條紋特點(diǎn)條紋特點(diǎn)(2) 膜厚變化時(shí)膜厚變化時(shí), ,條紋發(fā)生移動(dòng)。條紋發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)薄膜厚度增大時(shí)，圓紋從中當(dāng)薄膜厚度增大時(shí)，圓紋從中心冒出，并向外擴(kuò)張，條紋變心冒出，并向外擴(kuò)張，條紋變密密 iPi1nd2n1n(3) 使用使用面光源面光源條紋更清楚明亮條紋更清楚明亮(5) 透射光圖樣透射光圖樣與反射光圖樣互補(bǔ)與反射光圖樣互補(bǔ)iE 二二. 等等傾干涉傾干涉 薄膜等厚干涉PPT課件觀察等傾條紋的實(shí)驗(yàn)裝置和光路觀察等傾條紋的實(shí)驗(yàn)裝置和光路inMLS f屏幕屏幕薄膜等厚干涉PPT課件d001.n 381

13、.n 551.n 2r1r, ,kknd2102) 12(2nm10038145504.nd波長(zhǎng)波長(zhǎng)550 nm黃綠光對(duì)人眼和照像底片最敏感。要使照像機(jī)黃綠光對(duì)人眼和照像底片最敏感。要使照像機(jī)對(duì)此波長(zhǎng)反射小，可在照像機(jī)鏡頭上鍍一層氟化鎂對(duì)此波長(zhǎng)反射小，可在照像機(jī)鏡頭上鍍一層氟化鎂MgF2薄薄膜，已知氟化鎂的折射率膜，已知氟化鎂的折射率 n=1.38 ，玻璃的折射率，玻璃的折射率n=1.55解解 兩條反射光干涉減弱條件兩條反射光干涉減弱條件 增透膜的最小厚度增透膜的最小厚度 增反膜增反膜 薄膜光學(xué)厚度（薄膜光學(xué)厚度（nd）仍可以為）仍可以為4/例例但膜層折射率但膜層折射率 n 比玻璃的折射率大比玻璃的折射率大求求 氟化鎂薄膜的最小厚度氟化鎂薄膜的最小厚度說(shuō)明說(shuō)明薄膜等厚干涉PPT課件例：測(cè)量半導(dǎo)體薄膜氧化硅