《薄膜干涉》PPT课件.ppt

1,波动光学,张三慧教材：19.419.5（了解内容）,毛骏健教材：12-3-1、12-3-212-3-3（了解内容）,薄膜干涉,2,薄膜干涉是分振幅干涉。,等厚条纹同一条纹相应膜的 同一厚度。,日常见到的薄膜干涉例子：肥皂泡，雨天地上的油膜，昆虫翅膀上的彩色-。,膜为何要薄？,薄膜干涉有两种条纹：,等倾条纹同一条纹相应入射光的 同一倾角,光的相干长度所限。,1 分振幅干涉,3,【例】分振幅干涉的反射光光程差分析,1、2、均有半波损失,1、2、均无半波损失,1无半波损失，2有半波损失,1有半波损失，2无半波损失,4,光线以入射角i 射向厚度为e（d、h）折射率为n的薄膜，分别被薄膜的上下表面反射的两束光，在薄膜上方相遇发生干涉。注意半波损失问题。,n2两侧介质相同，薄膜上下表面反射的两束光中一束有半波损失,利用折射定律和几何关系，可得,2 厚度均匀的薄膜干涉,5,等倾干涉：非平行光入射平行平面薄膜，e相同，对于不同的入射角i产生不同的干涉条纹，这种干涉叫等倾干涉。,此式表明，光程差决定于倾角 i 和薄膜厚度e,等厚干涉：平行光入射非均匀薄膜，i相同，对于不同的薄膜厚度e产生不同的干涉条纹，这种干涉叫等厚干涉。,什么情况加？,透射光与反射光互补！,反射明透射暗；反射暗透射明。,反射光干涉公式：,6,解题步骤：,（1）分析薄膜与周围介质折射率n的相对大小；判定光程差表达式是否加入半波损失；,（2）写出反射光的光程差表达式（i0时）；,（3）求、e或n。（其中kmin与emin对应）,（4）透射光与反射光互补！,3 厚度均匀的薄膜例题,什么情况加？,7,例题 白光垂直照射在空气中的一厚度为380nm,的肥皂膜上，设肥皂膜的折射率为1.33，问膜的正面呈什么颜色？背面呈什么颜色？,蓝绿色,紫红色,解：,8,例题 一平行单色光垂直照射到覆盖着均匀油膜的,解：n依次大或n依次小，油膜上下表面反射的光都有(或都无）半波损失，且垂直照射，所以光程差为=2ne；反射相消的条件是,可解出k1=3，k2=2,玻璃板上，设光源波长在可见光范围内可以连续变化，波长变化期间只观察到500nm和700nm两个波长的光相继在反射光中消失，以知油膜的着折射率为1.38，玻璃的折射率为1.50，求油膜的最小厚度。,9,薄膜技术的应用增透膜、增反膜,例如：较高级的照相机的镜头由 6 个透镜组成，如不采取有效措施，反射造成的光能损失可达 45%90%。为增强透光，要镀增透膜，或减反膜。复杂的光学镜头采用增透膜可使光通量增加 10 倍。而激光器两端装有反射镜,就镀有增反射膜。,在薄膜干涉中，光线一部分被反射，另一部分则透射进入介质。反射光干涉极大时，光线大部分被反射。反射光干涉极小时，光线大部分被透射。通过控制薄膜的厚度，可以选择使透射或反射处于极大，增强表面上的反射或者透射，以改善光学器件的性能。称为增透膜，增反膜。在生产中有广泛的应用。,10,例题：增透、增反膜,问：若反射光相消干涉的条件中取 k=1，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？,已知：用波长，照相机镜头n3=1.5，其上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。,解：因为，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：,代入k 和 n2 求得：,11,可见光波长范围 400700nm,波长412.5nm的可见光有增反。,反射光相消干涉的条件中取 k=0时，膜的厚度为最小。,代入e和n2 求得：,此膜同时可能满足反射光干涉相长的条件：,12,劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜。,劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。,A,1、2两束反射光来自同一束入射光，它们可以产生干涉。,观察劈尖干涉的实验装置,通常让光线几乎垂直入射。,3.劈尖干涉（劈形膜）,13,设单色平行光线在A点处入射，膜厚为e，,在 n,定了以后,只是厚度 e 的函数。,反射光1,单色平行光垂直入射,e,n,n,n,A,反射光2,(设劈尖两边介质相同),一个厚度e，对应着一个光程差，对应着一个条纹等厚条纹。,反射光1,2叠加 要不要考虑半波损失？,（1）劈尖两边介质相同，,14,在此问题中，棱边处 是亮纹还是暗纹？,亮纹,暗纹,（2）光线在劈尖两界面反射时都存在（或都不存在）半波损失：,明暗纹位置与（1）的情况相反。其余相同。,亮纹与暗纹等间距地相间排列。,15,有,所以有,相邻两条亮纹对应的厚度ek,ek+1相差多大？,设相邻两条亮纹对应的厚度差为 e：,条纹分得更开，更好测量。,劈尖特有的,薄膜干涉共有的,L,16,1.由条纹间距测、n或。,2.测微小直径、厚度。,应用举例：,17,请问：此待测工件表面上，有一条凹纹还是一条凸纹？,答：凸纹,4.测量微小位移,两表面间距增大时，条纹向棱边平移（间距 l 不变），劈尖厚度每改变/2,移过一条条纹；反之，移动方向相反。,3.检测表面质量。,18,例题：用波长为589.3nm的钠黄光,解：由,有,垂直照射长 L=20mm 的空气劈尖，测得条纹间距为1.1810-4m，求d,19,例题 折射率为n=1.60的两块平面玻璃板之间形成一,空气劈尖，用波长=600nm的单色光垂直照射，产生等厚干涉条纹，若在劈尖内充满n=1.40的液体，相邻明纹间距缩小l=0.5mm，求劈尖角。,解：设空气劈尖时相邻明纹间距为l1，液体劈尖时相邻明纹间距为l2，由间距公式,已知可求n,20,例题 制造半导体元件时,常需精确测定硅片上镀有,二氧化硅薄膜的厚度,可用化学方法把薄膜的一部分腐蚀成劈尖形,用波长=589.3nm的单色光从空气垂直照射,二氧化硅的折射率 n=1.5,硅的折射率为3.42,若观察到如图所示的7条明纹.问二氧化硅膜的厚度d=?,解：由于n1nn3光程差为：=2 n ek，产生明纹的条件：,棱边处 e=0,对应于 k=0,所以厚度为 d 处的明纹对应于 k=6,故二氧化硅膜的厚度为:,若观察到d处正好为第7条暗纹，情况如何？,21,如图平行光入射,平凸透镜与平晶间形成空气劈尖。,观察牛顿环的装置示意图,内疏外密,条纹间距,4.牛顿环干涉,22,牛顿环特有的,什么情况加？,牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹，它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补。,将（1）式代入的明暗公式，可以解出第k 级明环和暗环半径rk,e 可用 r,R 表示:,薄膜干涉共有的,23,2.已知透镜的曲率半径求波长,1.已知波长测量平凸透镜的曲率半径,已知，数清m，测出 rk、rk+m，则,R 已知，数清 m，测出 rk，rk+m，则,明环、暗环均适用,牛顿环的应用（设n1）：,牛顿环特有的,等厚干涉共有的,得到：,24,4.检测光学镜头表面曲率是否合格,将玻璃验规盖于待测镜头上，两者间形成空气薄层，因而在验规的凹表面上出现牛顿环，当某处光圈偏离圆形时，则该处有不规则起伏。,测量介质折射率（充介质后测环半径的改变）,明环、暗环均适用,一圈条纹对应 的球面误差。,25,例题：用紫光照射，借助于低倍测量,显微镜测得由中心往外数第 k 级明环的半径 rk=3.010-3m,k 级往上数第16 个明环半径 rk+16=5.010-3m，平凸透镜的曲率半径R=2.50m,求：紫光的波长？,解：,26,例题：在牛顿环装置的透镜与玻璃板间充以某种,解：充液前，对第k级明环，有：,充液后，对第k级明环，有：,液体后，观测到第10个明环的半径由充液前14.8cm变为充液后的12.7cm,求该种液体的折射率n.,27,例题：如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，,在牛顿环左半侧，介质膜上下表面反射的光都有半波损失，=2nee=0处，=0形成半圆形0级亮斑，右半侧，介质膜的上表面反射的光有半波损失，=2ne+/2，e=0处=/2，形成半圆形0级暗斑，两侧干涉图样明暗相反。,试分析反射光干涉图样。并求第四个明环半径。,28,5 迈克耳孙干涉仪（了解原理）,迈克耳孙在工作,迈克耳孙（）美籍德国人,因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。,迈克耳孙 莫雷实验干涉仪 证明“不存在相对太阳静止的以太参照系”,29,仪器结构示意图,若M1与M2平行-等倾条纹,若M1与M2有小夹角-等厚条纹,M1,2,2,1,1,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,一束光在A处分振幅形成的两束光，就相当于由M1和M2形成的空气膜上下两个面反射光的光程差。,迈克耳孙干涉仪的结构及原理,30,条纹,31,参考臂扫描可得到样品深度方向的一维测量数据 光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量 可得到横向的数据将得到的信号经计算机处理,*样品中不同位置处反射回的光脉冲延迟时间不同*不同的材料或结构反射的强度不同,便可得到样品的立体断层图像,光学相干CT 断层扫描成像新技术Optical Coherence Tomography微米量级的空间分辨率,“古老”原理的现代应用之例,32,探测器,光纤耦合器,样品,光纤聚焦器,反射镜,兔子眼球前部的OCT图像,光纤化的迈克耳逊干涉仪,