11.4 薄膜干涉.ppt

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1、第五部分第五部分 波动光学波动光学 (第第1111章章)一一 光的干涉光的干涉（11.1-4）二二 光的衍射（光的衍射（11.5-7）三光的偏振与其他三光的偏振与其他（11.8）LuoLuo YilinYilinDepartment of Physics,STUDepartment of Physics,STUMay,May,20102010Email:Email:11.1 光的本性、光源光的本性、光源11.2 光的相干性光的相干性 光程和光程差光程和光程差 11.3 分波阵面干涉分波阵面干涉11.4 薄膜干涉薄膜干涉11.5 光的衍射光的衍射11.6 光栅衍射光栅衍射11.7 圆孔的夫琅和费

2、衍射圆孔的夫琅和费衍射 11.8 光的偏振现象光的偏振现象11.4 薄膜干涉薄膜干涉11.4.1 平行平面薄膜产生的干涉平行平面薄膜产生的干涉11.4.2 楔形平面薄膜（劈尖）干涉楔形平面薄膜（劈尖）干涉11.4.3 牛顿环牛顿环11.4.4 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 利用透明薄膜的第一表面和第二表面对利用透明薄膜的第一表面和第二表面对入射光的依次反射，得到两束相干光，这种入射光的依次反射，得到两束相干光，这种干涉称为薄膜干涉干涉称为薄膜干涉 11.4.1 平行平面薄膜产生的干涉平行平面薄膜产生的干涉4s1ACBDPLabcd235ePLDC34E5A1B2反射光线的光程差：反射光线的光程

3、差：反反射光的光程差射光的光程差利用利用和和 反反射光的光程差射光的光程差加加 强强减减 弱弱PLDC34E5A1B2 透透射光的光程差射光的光程差 注意：注意：透射光和反透射光和反射光干涉具有互射光干涉具有互 补补 性性，符合能量守恒定律符合能量守恒定律.根据具体根据具体情况而定情况而定PLDC34E5A1B2 扩展光源不仅增大了干涉花样的亮度，扩展光源不仅增大了干涉花样的亮度，而且不影响干涉花样的对比度而且不影响干涉花样的对比度因为不与光线1平行的光线，都不会在P点相遇。等倾干涉等倾干涉:波膜厚度一定波膜厚度一定,入射角改变入射角改变 QLMPLQM干涉条纹是一系列明暗相间的同心圆环干涉条

4、纹是一系列明暗相间的同心圆环明明暗暗 圆环中心所对应的干涉级最高，可能是圆环中心所对应的干涉级最高，可能是亮点，也可能是暗点离圆心越远，干涉级亮点，也可能是暗点离圆心越远，干涉级越低当增加膜的厚度时，圆环半径增大，越低当增加膜的厚度时，圆环半径增大，且有圆环不断从中心向外冒出；当减小时，且有圆环不断从中心向外冒出；当减小时，圆环半径减小，且有圆环不断陷入中心圆环半径减小，且有圆环不断陷入中心 决定明暗条纹中心位置的关系式为决定明暗条纹中心位置的关系式为：平行平行光垂直入射，光垂直入射，介于空气和玻璃之间：介于空气和玻璃之间：增反膜增反膜增透膜增透膜 补充补充 例例 一油轮漏出的油一油轮漏出的油

5、(折射率折射率 =1.20)污染了某污染了某海域海域,在海水在海水(=1.30)表面形成一层薄薄的油污表面形成一层薄薄的油污.(1)如果太阳正位于海域上空如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾一直升飞机的驾驶员从机上向下观察驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为他所正对的油层厚度为460nm,则他将观察到油层呈什么颜色则他将观察到油层呈什么颜色?(2)如果一潜水员潜入该区域水下如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油又将看到油层呈什么颜色层呈什么颜色?3154反反射光线射光线2，3的光程差的光程差透透射光线射光线4，5的光程差的光程差有附加光程差有附加光程差有附加光程差有附加光程差反反射光没射

6、光没有附加光程差有附加光程差有附加光程差有附加光程差没有附加光程差没有附加光程差透透射光射光有附加光程差有附加光程差23154解解 (1)绿色绿色红外红外紫外紫外反反射光的光程差射光的光程差透透射光的光程差射光的光程差(2)透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫紫红红色色11.4.2 楔形平面薄膜（劈尖）干涉楔形平面薄膜（劈尖）干涉光程差公式（近似）光程差公式（近似）bS123PacABCD 当当入射光是平行光时，入射光是平行光时，是个常量，光是个常量，光程差程差 仅由膜厚仅由膜厚 决定，这时干涉条纹与薄决定，这时干涉条纹与薄膜的等厚线平行，这种干涉称为等厚干涉膜的等厚线平行，这种干涉

7、称为等厚干涉.实际上常使实际上常使SLMT 明纹明纹暗纹暗纹 例例2 2 在半导体元件生产中，为了测定硅（在半导体元件生产中，为了测定硅（）表面（）表面（）薄膜的厚度，可将氧化后的）薄膜的厚度，可将氧化后的硅片用很细的金刚砂磨成如图所示的楔形并硅片用很细的金刚砂磨成如图所示的楔形并做清洁处理后进行测试做清洁处理后进行测试,已知已知 和和 的折的折射率分别为射率分别为 和和 ，用波长为，用波长为 的钠光照射，观测到的钠光照射，观测到 楔形膜上出现楔形膜上出现7条条暗纹如图所示，图中实线表示暗纹，第暗纹如图所示，图中实线表示暗纹，第7条暗纹在斜坡的起点条暗纹在斜坡的起点M.问问 薄膜的厚度薄膜的厚

8、度是多少？是多少？解解1:这是一个劈尖干涉问题这是一个劈尖干涉问题7654321MO故故O处为明纹处为明纹 条纹间隔数为条纹间隔数为6.57654321MOSiSiO2OM解解2：由：由暗纹暗纹条件条件 e=(2k+1)/4n =2ne =(2k+1）/2 (k=0,1,2)知知,第第7 7条暗纹对应于条暗纹对应于k k=6,=6,代入上式得代入上式得=1.31(m)所以所以SiOSiO2 2薄膜的厚度为薄膜的厚度为1.1.31 31 m m。注意：没有半波损失！注意：没有半波损失！1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用材料的热膨胀系数为：材料的热

9、膨胀系数为：温度温度长度长度N从条纹移动可从条纹移动可数数2）测膜厚）测膜厚条纹数条纹数空气空气 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径）测细丝的直径1.牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环干涉图样牛顿环干涉图样显微镜显微镜SL M半透半透半反镜半反镜T11.4.3 牛顿环牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差光程差2.光程差光程差R光程差光程差明纹明纹暗纹暗纹rd暗环半径暗环半径明环半径明环半径非线性关系非线性关系3.干涉条纹的判据及特征干涉条纹的判据及特征条纹半径条纹半径r 4）应用例子）应用例子:

10、可以用来测可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等量，曲率半径等.1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？3）将牛顿环置于）将牛顿环置于 的液体中，条纹如何变？的液体中，条纹如何变？工工工工 件件件件标标标标 准准准准 件件件件暗环半径暗环半径明环半径明环半径讨讨论论1）暗；亮）暗；亮2）r 与与d 非线性关系非线性关系3）光程差光程差暗环半径暗环半径明环半径明环半

11、径条纹变密条纹变密 测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径暗纹：暗纹：应用应用1：例例2 氦氖激光器发出的激光波长为氦氖激光器发出的激光波长为 ，以它为光源做牛顿环实验，得到下列的测量结以它为光源做牛顿环实验，得到下列的测量结果第果第 个暗环半径个暗环半径 ，第，第 个暗环半个暗环半径为径为 ，求平凸透镜的曲率半径，求平凸透镜的曲率半径R 解解:两式平方后相减得两式平方后相减得11.4.4 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪分光板分光板补偿板补偿板反射镜反射镜反射镜反射镜 在在 上成的像上成的像E接收器接收器S面光源面光源S12E总结总结总结总结1）干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚）干涉条纹为光程

12、差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹度相等的点的轨迹2）厚度线性增长条纹等间距（）厚度线性增长条纹等间距（劈尖）劈尖），厚度，厚度非线性增长条纹不等间距（非线性增长条纹不等间距（牛顿环牛顿环）3）条纹的动态变化分析（）条纹的动态变化分析（变化时）变化时）密密密密疏疏左移左移变密变密4）半波损失需具体问题具体分析）半波损失需具体问题具体分析有半波损失有半波损失没有半波损失没有半波损失A：凸复习思考问题：复习思考问题：待检待检测表测表面面AB1.A 和和B哪一个是凸的，哪一个是凹的？A凹凹B凸凸a.均暗均暗 b.左暗左暗右亮右亮2.n1=n2=1.5,n3=1.75a.置于空气中，中心处是暗纹置于空气中，中心处是暗纹还是亮纹？还是亮纹？b.置于置于 n4=1.6的液体中，左右的液体中，左右两边中心处是暗纹还是亮纹两边中心处是暗纹还是亮纹?d