第五節(jié)薄膜干涉自然科學

1/1第五節(jié)薄膜干涉-自然科學

§10.5薄膜干涉

薄膜干涉：如陽光照耀下的肥皂膜，水面上的油膜，蜻蜓、蟬等昆蟲的翅膀上呈現的彩色花紋，車床車削下來的鋼鐵碎屑上呈現的藍色光譜等。

薄膜干涉的特點：厚度不勻稱的薄膜表面上的等厚干涉和厚度勻稱薄膜在無窮遠出形成的等傾干涉。

一、薄膜干涉

當一束光射到兩種介質的界面時，將被分成兩束，一束為反射光，另一束為折射光，從能量守恒的角度來看，反射光和折射光的振幅都要小于入射光的振幅，這相當于振幅被“分割”了。

兩光線a,b在焦平面上P點相交時的光程差

??m(AB?BC)?AD?2necosi/

Δ取決于n1,n2,n3的性質。1.劈形膜

光程差：

上表面反射的反射光1光密到光疏，有半波損失；下表面反射的反射光2光疏到光密，沒有半波損失（若是介質膜放在空氣中，則上表面沒有半波損失，下表面有半波損失）。光程差

Δ?2ne??n?n1?21

干涉條件為或者

ne?(2k?1)Δ?2ne??2k?,?(2k?1)(2k?1)k?1,2,??2,k?0,1,?明紋暗紋明紋暗紋

明紋暗紋

?2Δ?2ne?,k?0,1,?k?,?4k?1,2,?,k?0,1,?爭論：

2k?4,k?1,2,?1在劈形膜棱邊處e=0，2因而形成暗紋。2相鄰兩條明紋(或暗紋)在劈形膜表面的距離。

L?2nek?1?????2?(k?1)?Δe?ek?1?ek??2n2nek??2?k?L?2nsin?ΔeL??2n?3、干涉條紋的移動

每一條紋對應劈尖內的一個厚度，當此厚度位置轉變時，對應的條紋隨之移動

應用：1）用劈形膜干涉測量薄片厚度

h???tan??hDFG1?D2nLDG22

2)比較兩個塊規(guī)標準塊規(guī)

?待測塊規(guī)平晶平晶?Δh待測樣品石英環(huán)3）檢驗光學元件表面的平整度

二、牛頓環(huán)1裝置

2光程差平凸透鏡平晶暗環(huán)分束鏡M測量顯微鏡b'?h?a?b2干涉膨脹儀?hb·o?RrS.平凸透鏡平晶e?o牛頓環(huán)3

??2e?22?222r?R??R?e??2eR?e?R?e?e?0r22??R??2Δ＝

k??k?0,1.2,3...?明紋?2k?1??k2r2??0,1.2,3...?暗紋3明暗紋半徑明紋

R2??2?k?r?2k?12?RR?明環(huán)半徑???2k?1?2r=4條紋特點1）膜層厚度

??2e?kR?暗環(huán)半徑?2k??k?0,1.2,3...?明紋?＝?2k?1??2?k?0,1.2,3...?暗紋

e＝

?2k?1?2k?4?k?k?0,1.2,3...?明紋?0,1.2,3...?暗紋?42）條紋內稀外密(可由膜厚變化狀況分析)見上圖?e?

在牛頓環(huán)中，θ漸漸增大，故條紋中心疏，邊緣密。另由暗環(huán)半徑公式r1:r2:r3=1:(2)1/2:(3)1/2k??rk?,條紋間距?

?r?(k?1?k)?R?2???eL4

3)中間條紋級次低思索：

(1)假如平凸透鏡上移，條紋怎樣移動?

透鏡上移，膜層厚度增大，條紋級次增大，條紋向外移動。(2)白光條紋如何？

(3)在白光照耀下，同一級條紋中哪種色的半徑大？

(4)假如平板玻璃上有微小的凸起，將導致牛頓環(huán)發(fā)生畸變，問該處的牛頓環(huán)將局部外凸還是內凹？

同一級等厚條紋應對應相同的膜層厚度。厚度相同的地方應組成同一條紋，向外凸。

三、等傾干涉

對于厚度勻稱的薄膜，光程差是由入射角i打算的，凡以相同的傾角入射的光，經膜的上、下表面反射后產生的相關光束都有相同的光程差，從而對應于干涉圖樣樣中的一條條紋，故將此類干涉條紋稱為等傾條紋。等傾干涉明紋的光程差的條件：

222??2en2?n1sini????2k?，(k?1,2,3,?)

等傾干涉暗紋的光程差的條件：

222??2en2?n1sini????(2k?1)?，(k?1,2,3,?)兩透射光線a?,b?相干的光程差：

??2en2?n1sini222這是由物理資源網供應的樣本教案。

透射光也有干涉現象。當反射光的干涉相互加強時，透射光的干涉相互減弱。明顯，這是符合能量守恒定律的。

反射光相互加強時透射光相互減弱，當反射光相交減弱時，透射光相互加強，兩者是互補的。四、增透膜和增反膜

光學鍍膜：在一塊透亮?????平整的基底（玻璃n1=1.52）表面用化學或物理的方法涂一層透亮?????的介質薄膜（n）,形成單層膜。單層膜系有兩個界面，空氣和膜層的界面及膜層和基底的界面。光波在兩個界面上一次反射和透射，產生多光束

5

干涉。

稱ne為膜層厚度。膜層厚度均為ne=λ/4增透膜：膜層的折射率大于基底的折射率

n?n1增反膜：膜層的折射率小于基底的折射率

n?n1膜層ne

基底n1例10-1在半導體元件生產中，為了測定硅片上SiO2薄膜的厚度，將該膜的一端腐蝕成劈尖狀，如圖所示。已知SiO2的折射率n=1.46，用波長的鈉光照耀后，觀看到SiO2劈尖上消失9道暗紋,且第9道在劈尖斜坡的上端點M，硅的折射率為3.42。試求SiO2薄膜的厚度。已知：求：

n?1.46n1?1.00n2?3.42??589.3nme?？N?9(暗)解：由于在SiO2上、下表面反射的光均是從光疏介質入射到光密介質，都有半波損失，所以光程差

??2ne為：

消失暗紋的條件為：

當k=0時，對應第一條