第五節(jié)薄膜干涉自然科學(xué)

1/1第五節(jié)薄膜干涉-自然科學(xué)

§10.5薄膜干涉

薄膜干涉：如陽(yáng)光照耀下的肥皂膜，水面上的油膜，蜻蜓、蟬等昆蟲(chóng)的翅膀上呈現(xiàn)的彩色花紋，車(chē)床車(chē)削下來(lái)的鋼鐵碎屑上呈現(xiàn)的藍(lán)色光譜等。

薄膜干涉的特點(diǎn)：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(wú)窮遠(yuǎn)出形成的等傾干涉。

一、薄膜干涉

當(dāng)一束光射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，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(lái)看，反射光和折射光的振幅都要小于入射光的振幅，這相當(dāng)于振幅被“分割”了。

兩光線a,b在焦平面上P點(diǎn)相交時(shí)的光程差

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

Δ取決于n1,n2,n3的性質(zhì)。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(méi)有半波損失（若是介質(zhì)膜放在空氣中，則上表面沒(méi)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(zhēng)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(dòng)

每一條紋對(duì)應(yīng)劈尖內(nèi)的一個(gè)厚度，當(dāng)此厚度位置轉(zhuǎn)變時(shí)，對(duì)應(yīng)的條紋隨之移動(dòng)

應(yīng)用：1）用劈形膜干涉測(cè)量薄片厚度

h???tan??hDFG1?D2nLDG22

2)比較兩個(gè)塊規(guī)標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)

?待測(cè)塊規(guī)平晶平晶?Δh待測(cè)樣品石英環(huán)3）檢驗(yàn)光學(xué)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(cè)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(diǎn)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(nèi)稀外密(可由膜厚變化狀況分析)見(jiàn)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(jí)次低思索：

(1)假如平凸透鏡上移，條紋怎樣移動(dòng)?

透鏡上移，膜層厚度增大，條紋級(jí)次增大，條紋向外移動(dòng)。(2)白光條紋如何？

(3)在白光照耀下，同一級(jí)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(dǎo)致牛頓環(huán)發(fā)生畸變，問(wèn)該處的牛頓環(huán)將局部外凸還是內(nèi)凹？

同一級(jí)等厚條紋應(yīng)對(duì)應(yīng)相同的膜層厚度。厚度相同的地方應(yīng)組成同一條紋，向外凸。

三、等傾干涉

對(duì)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(jīng)膜的上、下表面反射后產(chǎn)生的相關(guān)光束都有相同的光程差，從而對(duì)應(yīng)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(wǎng)供應(yīng)的樣本教案。

透射光也有干涉現(xiàn)象。當(dāng)反射光的干涉相互加強(qiáng)時(shí)，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(qiáng)時(shí)透射光相互減弱，當(dāng)反射光相交減弱時(shí)，透射光相互加強(qiáng)，兩者是互補(bǔ)的。四、增透膜和增反膜

光學(xué)鍍膜：在一塊透亮?????平整的基底（玻璃n1=1.52）表面用化學(xué)或物理的方法涂一層透亮?????的介質(zhì)薄膜（n）,形成單層膜。單層膜系有兩個(gè)界面，空氣和膜層的界面及膜層和基底的界面。光波在兩個(gè)界面上一次反射和透射，產(chǎn)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(dǎo)體元件生產(chǎn)中，為了測(cè)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(zhǎng)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(diǎn)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(zhì)入射到光密介質(zhì)，都有半波損失，所以光程差

??2ne為：

消失暗紋的條件為：

當(dāng)k=0時(shí)，對(duì)應(yīng)第一條