薄膜干涉與牛頓環(huán)分析.ppt

1 10 7薄膜干涉 現(xiàn)象 光碟表面的色彩 干涉和衍射 肥皂泡或水面油膜的色彩 原理 光源 透明薄膜 2 DB面為等相面 一 薄膜干涉公式 3 明紋暗紋 薄膜干涉明暗紋條件 干涉圖樣由厚度d和入射角i決定 當(dāng)薄膜下的方介質(zhì)折射率與薄膜上方的不同時(shí) 中是否有附加 2的光程差 要依薄膜及上下介質(zhì)具體情況而定 透射光也能產(chǎn)生干涉 4 明紋暗紋 透射光干涉公式 透射光兩光之間無附加程差 透射光的干涉 透射光干涉加強(qiáng)和減弱條件恰與反射光相反 反射和透射光干涉圖樣互補(bǔ) 5 當(dāng)光垂直入射時(shí) 等厚干涉 入射角i固定時(shí)的干涉 此時(shí)同一級(jí)干涉條紋由薄膜厚度d相等的點(diǎn)的軌跡 等厚線 構(gòu)成 二 等厚干涉 劈尖 6 2 劈尖 條紋間距 劈尖角 明紋暗紋 7 1 劈尖的等厚干涉條紋是平行于棱邊的明暗相間的直條紋 2 條紋是等間距的 與級(jí)次k無關(guān) 一般很小 條紋寬度正比于波長 反比于劈尖角 總結(jié) 第k級(jí)處厚度 明紋暗紋 8 當(dāng)劈尖為空氣楔時(shí) 3 任意兩條相鄰的明紋或暗紋之間的薄膜厚度差 4 棱邊上 則 當(dāng)膜厚每增加干涉條紋向劈尖方向移動(dòng)一條 反之則向劈尖的反方向移動(dòng)一條 暗紋明紋 9 三 等厚干涉的應(yīng)用 1 檢查平面與直角 A 標(biāo)準(zhǔn)平面 B 待測樣品 合格樣品 存在凹坑 存在凸起 A 標(biāo)準(zhǔn)角規(guī) B 待測樣品 合格樣品 偏離直角 10 用測微顯微鏡測出L l 即可得到d 2 測量微小厚度或微小角度 待測物如細(xì)絲 紙張等 測其直徑或厚度d 更換已知條件 用此原理同樣可以測量微小角度 11 例 干涉膨脹儀 C 熱膨脹系數(shù)極小的容器 M 被檢樣品 A 透光平板 原理 溫度升高時(shí) 膜厚減小 觀察鏡中可看到干涉條紋移動(dòng) 溫度升高 t時(shí) 數(shù)出移動(dòng)的條紋數(shù)目N 則樣本增高 熱膨脹系數(shù) 3 測量厚度的微小變化 12 例 空氣中一厚度為480nm的肥皂膜在白光照射下呈現(xiàn)出色彩 設(shè)肥皂膜折射率n 1 33 問該膜的正 反面各呈什么顏色 解 據(jù)題意 經(jīng)膜上 下表面反射的兩光之間有附加 2的光程差 故反射光干涉相長條件為 在可見光范圍 400 760nm 紫色 透射光干涉相長條件 綠色 紅色 13 四 牛頓環(huán) 由平板玻璃B和曲率半徑很大的凸透鏡A組成 在膜厚為d處的光程差 牛頓環(huán)干涉圖樣 裝置 明 暗環(huán)半徑 膜厚d處對(duì)應(yīng)的環(huán)半徑r 明環(huán)半徑暗環(huán)半徑 明紋暗紋 15 故中心為最低級(jí)次 邊緣為最高級(jí)次 1 從反射光中觀測 中心點(diǎn)是暗點(diǎn)還是亮點(diǎn) 答 暗點(diǎn) 零級(jí) 2 條紋間距是否相等 為什么 答 不等距 dk rk2 離中心越遠(yuǎn) 光程差增加越快 干涉環(huán)也越密 明環(huán)半徑暗環(huán)半徑 暗明 16 4 用白光照射時(shí)的干涉圖樣 3 將牛頓環(huán)置于n 1的液體中 條紋如何變化 答 同級(jí)干涉環(huán)半徑變小 干涉條紋變密 答 將出現(xiàn)由紫到紅的彩色干涉環(huán) 明環(huán)半徑暗環(huán)半徑 17 五 增透膜 增反膜 令k 0 得增透膜最小厚度 增透膜 利用反射光干涉相消原理 增強(qiáng)透射光 如圖 玻璃表面上鍍一層膜 滿足 設(shè)光線垂直入射 則膜上下表面光程差為 反射光相消條件 18 因而某些涂增透膜的鏡頭在白光照射下呈現(xiàn)紫紅色 增反膜 鍍適當(dāng)厚度和折射率的介質(zhì)膜 使反射光產(chǎn)生干涉極大 獲得高反射 由于一次反射的光一般都較弱 所以實(shí)際上采用折射率大小交替變化的多層膜系 使最終的反射大為增強(qiáng) 例 為使綠光反射相消 則膜厚 19 棱邊o處 d 0 所以為明紋 k 0為第一條暗紋 k 4為第五條暗紋 即在頂端a 暗紋條件 例 劈尖的折射率為n2 其上 下介質(zhì)的折射率滿足關(guān)系 為棱邊 當(dāng)用波長為 的單色光垂直照射時(shí) 劈尖頂端a為第五條暗紋 求高度h 解 依題意有 20 M1 M2 反射鏡G1 半透明半反射鏡G2 補(bǔ)償板S 光源L 透鏡E 觀察窗 一 構(gòu)造及光路圖 10 8邁克爾遜干涉儀 21 二 分析 M 1 M1經(jīng)M2所成的像 等傾干涉 當(dāng)M1不垂直于M2 M 1不平行于M2 等厚干涉 M 1與M2之間等效于薄膜 等傾干涉 等厚干涉 光程差 若M1移動(dòng)半個(gè)波長 則光程差改變一個(gè)波長 視場中將看到一個(gè)條紋移過 當(dāng)有移過N個(gè)條紋 則M1平移的距離為 應(yīng)用 測量長度的微小變化 測量光波長等 22 例 邁克爾遜干涉儀的兩光路中分別放有長為20cm的真空玻璃管 入射光波長為546nm 當(dāng)在兩管之一充入氬氣時(shí) 觀察到干涉條紋移動(dòng)了205條 求氬氣的折射率 解 充入氬氣后兩光路的光程差 問題 1 單色光入射時(shí) 為何只能在中央條紋附近看到有限的為數(shù)不多的幾條干涉條紋 2 日光下能觀察到油膜或肥皂膜上的彩色干涉條紋 但為何光經(jīng)玻璃上下表面反射后卻不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象 23 10 9光的單色性對(duì)干涉條紋的影響 時(shí)間相干性 解釋 由普通光源的發(fā)光機(jī)制可知 普通光源的波列長度有限 若光程差太大 則同一列波分別經(jīng)上下表面反射后光波不能相遇 因而不產(chǎn)生干涉 時(shí)間相干性 這種由原子一次發(fā)光所持續(xù)的時(shí)間 波列長度 來確定的光的相干性問題稱為時(shí)間相干性 24 t越大 則L越長 光波的相干性就越好 結(jié)論 產(chǎn)生光的干涉還須滿足附加條件 原子一次發(fā)光的持續(xù)時(shí)間 t稱為相干時(shí)間 相應(yīng)的波列長度L稱相干長度 時(shí)間相干性源于光源發(fā)光過程在時(shí)間上的斷續(xù)性 相干長