第2節(jié)_光程差—薄膜干涉

1、1,第二節(jié),光程差 薄膜干涉,2,在真空中光的波長為 ，光速為 C，進入折射率為 n 的介質(zhì)中后，波長n , 光速為 v ,則有：,處理方法：把光在介質(zhì)中的波長折合成它在真空中的波長作為測量距離的標尺，并進一步把光在介質(zhì)中傳播的距離折合成光在真空中傳播的距離。,光源的頻率不變，光在傳播過程中頻率保持不變。,而,同一頻率的光在不同介質(zhì)中波長不相同。,1.光程,3,光程：光在介質(zhì)中傳播的波程與介質(zhì)折射率的乘積。,設(shè)光在折射率為 n 的介質(zhì)中傳播的幾何路程為 L，則,有,定義：,意義：光在t時刻內(nèi)在真空中通過的路程nL就相當于光在介質(zhì)中在相同的時間內(nèi)所通過的路程。,在一條波線上，波在介質(zhì)中前進L，位

2、相改變?yōu)椋?（同一波線上兩點間的位相差）,4,1 .光程差：兩束光的光程之差。,如果光線穿過多種介質(zhì)時，其光程為：,可以證明：光通過相等的光程，所需時間相同，位相變化也相同。,設(shè)一束光經(jīng)歷光程1，另一束光經(jīng)歷光程2，則這兩束光的光程差為：,2.光程差,2.光程差與相位差的關(guān)系（設(shè)兩光同位相）,則相位差為：,5,問：原來的零極條紋移至何處？若移至原來的第 k 級明條紋處，其厚度 h 為多少？,例1：已知：S2 縫上覆蓋的介質(zhì)厚度為 h ，折射率為 n ，設(shè)入射光的波為,解：從S1和S2發(fā)出的相干光所對應(yīng)的光程差,當光程差為零時，對應(yīng)零條紋的位置應(yīng)滿足：,所以零級明條紋下移,原來 k 級明條紋位置

3、滿足：,設(shè)有介質(zhì)時零級明條紋移到原來第 k 級處，它必須同時滿足：,6,例2.在圖示的雙縫反射實驗中，若用半圓筒形薄玻璃片（折射率 n1=1.4 ）覆蓋縫 S1，用同樣厚度的玻璃片（折射率 n2=1.7）覆蓋縫 S2，將使屏上原來未放玻璃時的中央明條紋所在處O變?yōu)榈谖寮壝骷y。設(shè)單色光波長 =480.0nm，求玻璃片的厚度 d。,解：覆蓋玻璃前,覆蓋玻璃后,則有,7,例3.如圖所示,用波長為 l 的單色光照射雙縫干涉實驗裝置,并將一折射率為 n、劈角為 a （a 很?。┑耐该髋?b 插入光線 2 中.設(shè)縫光源 S 和屏 c 上的 o 點都在雙縫 S1 和 S2 在中垂線上.問要使 o 點的光強

4、由最亮變?yōu)樽畎?劈尖 b 至少應(yīng)向上移動多大距離 d ( 只遮住S2 ) ?,解:設(shè) o 點最亮時,光線 2 在劈尖 b 中傳播距離為 l1 ,則由雙縫 S1 和 S2 分別到達 o 點的光線的光程差滿足下式:,(1),8,(2) (1)得：,由圖可求出：,由(3)和(4)得：劈尖b應(yīng)向上移動的最小距離為,或,(2),(3),(4),設(shè) o 點由此時第一次變?yōu)樽畎禃r,光線 2 在劈尖 b 中傳播的距離為 l2 ,則由雙縫 S1 和 S2 分別到達 o 點的兩光程差滿足下式,9,通過光軸的光線波程最短，但在透鏡中的光程長；遠離光軸的光線波程長，但在透鏡中的光程短，總的來講，各條光線的光程都是相同

5、的。,透鏡可以改變光線的傳播方向，但是在光路中放入薄透鏡不會引起附加的光程差。,波陣面,波陣面,1.薄透鏡不引起附加光程差,10,產(chǎn)生條件：,當光從折射率小的光疏介質(zhì)，正入射或掠入射于折射率大的光密介質(zhì)時，則反射光有半波損失。,當光從折射率大的光密介質(zhì)，正入射于折射率小的光疏介質(zhì)時，反射光沒有半波損失。,折射光都無半波損失。,半波損失：光從光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)，光反射后有了量值為 的位相突變，即在反射過程中損失了半個波長的現(xiàn)象。,2.半波損失,11,單色光以入射角 i 從折射率為 n1介質(zhì) 進入折射率為n2 的介質(zhì)，,在薄膜的上下兩表面產(chǎn)生的反射光 光、 光，滿足相干光的 5 個條件，能產(chǎn)生干

6、涉，經(jīng)透鏡匯聚，在焦平面上產(chǎn)生等傾干涉條紋。,從焦點 P 到 CD 波面，兩條光的光程差為 0，則在未考慮半波損失時 光、 光的光程差為：,12,由折射定律,13,考慮半波損失：,光程差不附加,光程差附加,未考慮半波損失時,光程差,干涉的加強減弱條件:,加強,減弱,14,1.如果照射到薄膜上的是平行入射光，入射角一定，則不同的薄膜厚度就有不同的光程差，也就有不同的干涉條紋。這種一組干涉條紋的每一條對應(yīng)薄膜一厚度的干涉，稱為等厚干涉。,2.如果光源是擴展光源，每一點都可以發(fā)出一束近似平行的光線，以不同的入射角入射薄膜，在反射方向上放一透鏡，每一束平行光會在透鏡焦平面上會取聚一點。當薄膜厚度一定時

7、，在透鏡焦平面上每一干涉條紋都與一入射角對應(yīng)，稱這種干涉為等傾干涉。,用同樣的辦法可以推導(dǎo)透射光的光程差。,討論：,15,光學(xué)鏡頭為減少反射光，通常要鍍增透膜。,1.增透膜,在光學(xué)器件中，由于表面上的反射與透射，在器件表面要鍍膜，來改變反射與透射光的比例。可有增透膜，增反膜。,例如：較高級的照相機的鏡頭由 6 個透鏡組成，如不采取有效措施，反射造成的光能損失可達 45%90%。為增強透光，要鍍增透膜，或減反膜。復(fù)雜的光學(xué)鏡頭采用增透膜可使光通量增加 10 倍。,16,光學(xué)鏡頭為減少透光量，增加反射光，通常要鍍增反膜。,使兩束反射光滿足干涉加強條件：,2.增反膜,由于反射光最小，透射光便最強。,

8、增反膜是使膜上下兩表面的反射光滿足干涉相長條件。,增透膜是使膜上下兩表面的反射光滿足減弱條件。,17,例4：為增強照相機鏡頭的透射光，往往在鏡頭（n3=1.52）上鍍一層 MgF2 薄膜（n2=1.38），使對人眼和感光底片最敏感的黃綠光 = 555 nm 反射最小，假設(shè)光垂直照射鏡頭，求：MgF2 薄膜的最小厚度。,解：,不考慮半波損失。,k=1,膜最薄,18,用單色平行光垂直照射玻璃劈尖。,由于單色光在劈尖上下兩個表面后形成 、 兩束反射光。滿足干涉5個條件，由薄膜干涉公式：,干涉條紋為平行于劈棱的一系列等厚干涉條紋。,3.劈尖干涉,19,加強,減弱,1.劈棱處,dk=0,光程差為,劈棱處

9、為暗紋,2.第 k 級暗紋處劈尖厚度,由,20,3.相鄰暗紋劈尖厚度差,4.相鄰條紋間距,這個結(jié)論對明紋也成立。,這個結(jié)論對明紋、暗紋均成立。,劈尖干涉條紋是從棱邊暗紋起，一組明暗相間的等間隔直線條紋。,21,播放動畫,播放動畫,22,2）.檢測待測平面的平整度,由于同一條紋下的空氣薄膜厚度相同，當待測平面上出現(xiàn)溝槽時條紋向左彎曲。,1）.測量微小物體的厚度,將微小物體夾在兩薄玻璃片間，形成劈尖，用單色平行光照射。,由,有,5.劈尖干涉的應(yīng)用,23,例5.在 Si 的平面上形成了一層厚度均勻的 SiO2 的薄膜，為了測量薄膜厚度，將它的一部分腐蝕成劈形（示意圖中的 AB 段）?，F(xiàn)用波長為 60

10、0.0nm 的平行光垂直照射，觀察反射光形成的等厚干涉條紋。在圖中 AB 段共有 8 條暗紋，且 B 處恰好是一條暗紋，求薄膜的厚度。（ Si 折射率為 3.42， SiO2 折射率為 1.50 ）。,解：上下表面反射都有半波損失，計算光程差時不必考慮附加的半波長，設(shè)膜厚為 e,B處暗紋,B 處第 8 條暗紋對應(yīng)上式,24,將一塊半徑很大的平凸鏡與一塊平板玻璃疊放在一起。,牛頓環(huán),該干涉條紋是中心為一暗點，明暗相間逐漸變密的一系列同心圓。,用單色平行光垂直照射，由平凸鏡下表面和平板玻璃上表面兩束反射光干涉，產(chǎn)生牛頓環(huán)干涉條紋。,25,設(shè),、 兩束反射光的光程差附加,加強,減弱,項。,中心 dk

11、=0,為暗斑。,其它位置,26,加強,減弱,2.牛頓環(huán)半徑,明環(huán)由,暗環(huán)由,27,3.牛頓環(huán)應(yīng)用,測量未知單色平行光的波長,用讀數(shù)顯微鏡測量第 k 級和第 m 級暗環(huán)半徑 rk、rm,由此可知：條紋不是等距分布。牛頓環(huán)中心為暗環(huán)，級次最低。離開中心愈遠，光程差愈大，圓條紋間距愈小，即愈密。其透射光也有干涉，明暗條紋互補。,28,檢測光學(xué)鏡頭表面曲率是否合格,將玻璃驗規(guī)蓋于待測鏡頭上，兩者間形成空氣薄層，因而在驗規(guī)的凹表面上出現(xiàn)牛頓環(huán)，當某處光圈偏離圓形時，則該處有不規(guī)則起伏。,29,例6.如圖所示,牛頓環(huán)裝置的平凸透鏡與平板玻璃有一小縫隙 e0，現(xiàn)用波長為 l 的單色光垂直照射，已知平凸透鏡的

12、曲率半徑為 R，求反射光形成的牛頓環(huán)的各暗環(huán)半徑。,解：設(shè)某暗環(huán)半徑為 r，由圖可知，根據(jù)幾何關(guān)系，近似有,再根據(jù)干涉減弱條件有,(1),(2),式中 k 為大于零的整數(shù).,把式(1)代入式(2)可得,(k為整數(shù),且,30,例7.在牛頓環(huán)裝置中，透鏡與玻璃平板間充以液體時，第 10 個暗環(huán)的直徑由 1.40cm 變?yōu)?1.27cm，求該液體的折射率。,解：由暗環(huán)公式,空氣中：,介質(zhì)中：,（1）,（2）,由（1）、（2）式得：,可求得：,31,例8.利用牛頓環(huán)的條紋可以測定平凹球面的曲率半徑，方法是將已知半徑的平凸透鏡的凸球面放置在待測的凹球面上，在兩球面間形成空氣薄層，如圖所示。用波長為 的平

13、行單色光垂直照射，觀察反射光形成的干涉條紋，試證明若中心 O 點處剛好接觸，則第 k 個暗環(huán)的半徑rk與凹球面半徑 R2，凸面半徑 R1（R1R2）及入射光波長 的關(guān)系為：,解：如圖所示，,第 k 個暗環(huán)處空氣薄膜的厚度為 e,32,第k個暗環(huán)的條件為：,即,由幾何關(guān)系可得近似關(guān)系：,33,G1和G2是兩塊材料相同厚薄均勻、幾何形狀完全相同的玻璃板。,1、邁克耳遜干涉儀的結(jié)構(gòu)及原理,2、干涉條紋,一束光在A處分振幅形成的兩束光和的光程差，就相當于由M1和M2形成的空氣膜上下兩個面反射光的光程差。,它們干涉的結(jié)果是薄膜干涉條紋。調(diào)節(jié)M1就有可能得到 d=0，d=常數(shù)，d常數(shù)（如劈尖）對應(yīng)的薄膜等傾或等厚干涉條紋。,34,當 M2 M1 時， M2 / M1 ,所觀察到的是等傾干涉條紋，即相同傾角下光程差相同。,播放動畫,M2 、M1之間距離變大時，圓形干涉條紋向外擴張, 干涉條紋變密。,當 每減少 時，中央條紋對應(yīng)的 值就要減少1，原來位于中央的條紋消失，將看到同心等傾圓條紋向中心縮陷。,當 每平移 時，將看到一個明（或暗）條紋移過視場中某一固定直線，條紋移動的數(shù)目m 與M1 鏡平移的距離關(guān)系為：,當 、 不平行時，將看到平行于 和 交線的等間距的直線形等厚干涉條紋。,35,等 厚 干 涉 條 紋,等 傾 干 涉 條 紋,36,例9： 邁克耳孫干涉儀的應(yīng)用