大學(xué)物理學(xué)_薄膜干涉概述

1、1一一 光程光程光在真空中的速度光在真空中的速度001c光在介質(zhì)中的速度光在介質(zhì)中的速度1uncu1uc真空中的波長真空中的波長介質(zhì)的折射率介質(zhì)的折射率n介質(zhì)中的波長介質(zhì)中的波長第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版2設(shè)從設(shè)從同位相的相干光源同位相的相干光源S S1 1和和S S2 2發(fā)出的兩相干光，分別發(fā)出的兩相干光，分別在折射率為在折射率為n1和和n2的媒質(zhì)中傳播，相遇點(diǎn)的媒質(zhì)中傳播，相遇點(diǎn)P與光源與光源S1和和S2的距離分別為的距離分別為r1和和r2，如圖所示，如圖所示.則兩光束到達(dá)則兩光束到達(dá)P點(diǎn)的點(diǎn)的位相變化之差位相變化之差為

2、為121222nnrr當(dāng)光在不同的媒質(zhì)中傳播時(shí)，即使傳播的幾何當(dāng)光在不同的媒質(zhì)中傳播時(shí)，即使傳播的幾何路程相同，但位相的變化是不同的路程相同，但位相的變化是不同的. 1 12 22()n rn r第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版3物理意義物理意義1：光在介質(zhì)中通過的幾何路程折光在介質(zhì)中通過的幾何路程折算到真空中的路程算到真空中的路程.nrr介質(zhì)折射率與光的介質(zhì)折射率與光的幾何路程幾何路程之積之積 =nr( (1) )光程光程光走過的幾何路徑的長度光走過的幾何路徑的長度（位相變化相同）（位相變化相同）21nBCnAB iiirn光光

3、程程ABC1n2n一般情況下一般情況下：4光程光程 (optical path) 的物理意義的物理意義2：ctrucnr 光程也可以理解為：光程也可以理解為：光在折射率為光在折射率為n n的介質(zhì)中的介質(zhì)中傳播距離為傳播距離為r r時(shí)，在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中時(shí)，在相同的時(shí)間內(nèi)光在真空中通過的路程通過的路程光在折射率為光在折射率為n n的介質(zhì)中傳的介質(zhì)中傳播距離為播距離為r r時(shí)對應(yīng)的光程時(shí)對應(yīng)的光程5兩列光波的兩列光波的光程光程之之差差：221 1r nrn 2 2光程差光程差21212 21 1222()Pnnrrn rn r2p注：光程和光程差的表注：光程和光程差的表示符號不同地方有所差示

4、符號不同地方有所差異異1n2n1r2rs1s2P兩光束到達(dá)兩光束到達(dá)P點(diǎn)的點(diǎn)的位相變化之差位相變化之差為為6當(dāng)兩列光波的初相位差為時(shí)，它們的當(dāng)兩列光波的初相位差為時(shí)，它們的干涉條件：干涉條件：用光程差來表示干涉條件為：用光程差來表示干涉條件為：20,1,2,2210,1,2kkkk加強(qiáng)減弱20,1,2,2(21)0,1,2,2kkkk 加強(qiáng)減弱可見，當(dāng)兩列相干光波在不同媒質(zhì)中傳播時(shí)，對干可見，當(dāng)兩列相干光波在不同媒質(zhì)中傳播時(shí)，對干涉起決定作用的不是兩光波的幾何路程之差，而是涉起決定作用的不是兩光波的幾何路程之差，而是它們的光程差。它們的光程差。3.3.光程差的應(yīng)用：光程差的應(yīng)用：7平行光平行光

5、同相面同相面亮點(diǎn)亮點(diǎn)主光軸主光軸焦點(diǎn)焦點(diǎn)平行光線通過薄透鏡，并不因?yàn)橛型哥R的存在而帶平行光線通過薄透鏡，并不因?yàn)橛型哥R的存在而帶來附加光程差。來附加光程差。理論和實(shí)驗(yàn)表明：理論和實(shí)驗(yàn)表明：使用透鏡不會(huì)引起附加的光程差！使用透鏡不會(huì)引起附加的光程差！二二 透鏡不引起附加的光程差透鏡不引起附加的光程差8平行光平行光同相面同相面亮點(diǎn)亮點(diǎn)主光軸主光軸焦點(diǎn)焦點(diǎn)焦平面焦平面不帶來附加光程差！不帶來附加光程差！9P1n1n2n1M2MdL三三 薄膜干涉薄膜干涉ADCD12nn iDC34E5A1B2 (1) 薄膜干涉薄膜干涉:利用薄膜上、下兩個(gè)表面對入射光的利用薄膜上、下兩個(gè)表面對入射光的反射和折射，可在反

6、射方向反射和折射，可在反射方向(或透射或透射方向方向)獲得相干光束獲得相干光束反射（透射）反射（透射）的光是同一束的光是同一束光光分割振幅分割振幅而而得到的，是相得到的，是相干光干光10(2) 等厚條紋等厚條紋同一條紋反映膜的同一條紋反映膜的 同一厚度。同一厚度。 日常見到的薄膜干涉例子：日常見到的薄膜干涉例子： 肥皂泡，肥皂泡， 雨天地上的油膜，雨天地上的油膜， 昆蟲翅膀上的彩色昆蟲翅膀上的彩色 -。 膜為何要薄？膜為何要薄？ 薄膜干涉有兩種條紋：薄膜干涉有兩種條紋：(1) 等傾條紋等傾條紋同一條紋反映入射光的同一條紋反映入射光的 同一傾角。同一傾角。光的相干長度所限。光的相干長度所限。 1

7、1ADnBCABn1232)(2iACAD sinP1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B212nn (1) 光線光線3與光線與光線2的光程差為：的光程差為：由折射定律和幾何關(guān)系可得出：由折射定律和幾何關(guān)系可得出：2 tanACd/cosAB BC d sinnisinn21 23221sin2()coscos2dn22cos2dn12222212sin2dnnik加加 強(qiáng)強(qiáng)), 2, 1(k2) 12(k減減 弱弱),2, 1 ,0(kP1n1n2n1M2MdLiDC34E5A1B212nn 3222cos2dn(2)干涉條件干涉條件對同樣的入射光來說，當(dāng)對同樣的入射光來說，當(dāng)反射方向

8、反射方向干涉加強(qiáng)時(shí)，在干涉加強(qiáng)時(shí)，在透射方向透射方向就干涉減弱。就干涉減弱。透射光干涉條紋和反射光干涉條紋互補(bǔ)透射光干涉條紋和反射光干涉條紋互補(bǔ)innd22122tsin2第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版13 當(dāng)光線垂直入射時(shí)當(dāng)光線垂直入射時(shí)0i222rdn2r2dn 1n1n2n1n3n2n123nnn當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)12nn 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)(1)(2)第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版14 例例 一油輪漏出的油一油輪漏出的油( (折射率折射率n1=1.20) )污污染了某海域

9、染了某海域, , 在海水在海水( (n2=1.30) )表面形成一層表面形成一層薄薄的油污薄薄的油污. ( (1) )如果太陽正位于海域上空，一直升飛如果太陽正位于海域上空，一直升飛機(jī)的駕駛員從機(jī)上向正下方觀察，他所正對機(jī)的駕駛員從機(jī)上向正下方觀察，他所正對的油層厚度為的油層厚度為460 nm, ,則他將觀察到油層呈則他將觀察到油層呈什么顏色什么顏色？ ( (2) )如果一潛水員潛入該區(qū)域水下，并向如果一潛水員潛入該區(qū)域水下，并向正上方觀察，又將看到油層呈什么顏色？正上方觀察，又將看到油層呈什么顏色？第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五

10、版15解解 ( (1) )kdn1r2, 2 , 1,21kkdnnm 11042, 11dnknm 552, 21dnknm 36832, 31dnk綠色綠色已知已知n1=1.20n2=1.30d=460 nm第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版16nm 22082/112, 11dnk ( (2) )透射光的光程差透射光的光程差2/21tdnnm 43152/142, 41.dnknm7362/122, 21dnk紅光紅光nm6 .4412/132, 31dnk紫光紫光紫紅色紫紅色17增透膜增透膜- 利用薄膜上、下表面反射光的光程

11、差符合相消利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉條件來減少反射，從而使透射增強(qiáng)。干涉條件來減少反射，從而使透射增強(qiáng)。增反膜增反膜- 利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相長利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相長干涉，因此反射光因干涉而加強(qiáng)。干涉，因此反射光因干涉而加強(qiáng)。3. 平行平面平行平面 膜干涉的應(yīng)用膜干涉的應(yīng)用18（1）增透膜）增透膜(dark film)：在折射率為在折射率為 的媒質(zhì)表面的媒質(zhì)表面鍍一層厚度為鍍一層厚度為e的透明的折的透明的折射率為射率為 ，如果：，如果：1nn2) 12(2kne對波長為對波長為 的光波，反射少，透射多，故叫增透膜。的光波，反射少，透射多，故叫

12、增透膜。.43,44) 12(knene叫光學(xué)厚度。叫光學(xué)厚度。1nn1nn 第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版19202. 2. 高反射膜（高反射膜（bright film） ）時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)，若若0 0inn ne4實(shí)際是在玻璃片上依次噴實(shí)際是在玻璃片上依次噴鍍多層高、低折射率薄膜鍍多層高、低折射率薄膜達(dá)到高反射的目的。達(dá)到高反射的目的。光線光線1, 2相長干涉，反射變強(qiáng)相長干涉，反射變強(qiáng)高反射膜高反射膜.22ne12e nn0第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版21激光諧

13、振腔激光諧振腔Laser半透膜半透膜高反射膜高反射膜2022-3-2722激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)全全反反射射鏡鏡半半反反射射鏡鏡out光放大原理光放大原理第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版2323d1n2n玻璃玻璃23nn nm 6 .9942minndd0k取?。ㄔ鰪?qiáng)增強(qiáng)）氟化鎂為增透膜氟化鎂為增透膜例例 為了增加透射率，求氟化鎂膜的最為了增加透射率，求氟化鎂膜的最小厚度已知小厚度已知 空氣空氣n1=1.00，氟化鎂，氟化鎂 n2=1.38 ，=550 nm減弱減弱2) 12(22rkdn解解 222tdn則則24N(1)(1)

14、等傾干涉實(shí)際裝置等傾干涉實(shí)際裝置OPMLS S P 從從S發(fā)光，入射到發(fā)光，入射到半反半反半透半透平面鏡平面鏡M上上.在膜在膜N上下兩表面反射上下兩表面反射通過透鏡通過透鏡L在屏上會(huì)聚在屏上會(huì)聚有相同入射角的光條紋有相同入射角的光條紋在同一圓周上在同一圓周上.2/cos22dn四*.等傾干涉2526222212sin2e nni （a)a) 干涉條紋的級次干涉條紋的級次K僅與僅與傾角傾角i有關(guān)，點(diǎn)光源有關(guān)，點(diǎn)光源S發(fā)出發(fā)出的光線中，具有同一傾角的光線中，具有同一傾角的反射光線會(huì)聚干涉，形的反射光線會(huì)聚干涉，形成同一級次圓環(huán)形干涉條成同一級次圓環(huán)形干涉條紋，稱為等傾干涉條紋。紋，稱為等傾干涉條紋

15、。條紋中心處，入射角條紋中心處，入射角i=0222en 對應(yīng)條紋級次最高對應(yīng)條紋級次最高(b) 對于不同傾角的光入射：對于不同傾角的光入射： 入射角入射角 越小，光程差越越小，光程差越大，條紋越在中心。大，條紋越在中心。i第十一章第十一章 光學(xué)光學(xué)11-3 11-3 光程光程 薄膜干涉薄膜干涉物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版272sin222122inne2) 12(kk=. 3 . 2 . 1k. 3 . 2 . 1 . 0k明紋明紋暗紋暗紋干涉公式：干涉公式：明紋明紋28r結(jié)論：結(jié)論：1）不同的入射角的光線）不同的入射角的光線 對應(yīng)著不同干涉級對應(yīng)著不同干涉級 的的 條紋，傾角相條紋，傾角相 同的

16、光同的光 線產(chǎn)生相同干涉級條紋（等傾干涉）。線產(chǎn)生相同干涉級條紋（等傾干涉）。2）入射角越小，光程差越大；即越靠近中心，干）入射角越小，光程差越大；即越靠近中心，干 級越高。級越高。 k1k討論：討論： 1）若膜厚發(fā)生變化：）若膜厚發(fā)生變化：i ii i29當(dāng)膜厚增加時(shí)：當(dāng)膜厚增加時(shí)：圓形干涉條紋向外擴(kuò)展圓形干涉條紋向外擴(kuò)展2sin222122innek. 3 . 2 . 1k明紋明紋i ii i盯住某條明紋，盯住某條明紋， 不變，不變，條紋向外擴(kuò)條紋向外擴(kuò)e增加，增加， 增大，增大，i30當(dāng)膜厚減小時(shí)：當(dāng)膜厚減小時(shí)：i ii i2sin222122innek. 3 . 2 . 1k明紋明紋盯住某條明紋，盯住某條明