邁克爾遜干涉儀測(cè)量薄膜的折射率與厚度

1、 YYSZXB26邁克爾遜干涉儀測(cè)量薄膜的折射率與厚度楊修文,石義杰,路素彥(鄖陽(yáng)師范高等專(zhuān)科學(xué)校!物理系,湖北丹江口442700!摘!要用邁克爾遜干涉儀測(cè)量薄膜折射率與厚度的方法,原理簡(jiǎn)單.通過(guò)測(cè)出動(dòng)鏡的移動(dòng)量及觀(guān)察相應(yīng)的干涉條紋變化現(xiàn)象,就能計(jì)算薄膜的厚度,有較高的測(cè)量精度.并基于此裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,理論和實(shí)際相符的較好.!關(guān)鍵詞邁克爾遜干涉儀;薄膜厚度;干涉條紋!中圖分類(lèi)號(hào)O436.1!文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A !文章編號(hào)10086072(2008030026021!引言邁克爾遜干涉儀是一種較為精密的測(cè)量?jī)x器,不少文獻(xiàn)都有介紹用它測(cè)量氣體、固體折射率的方法16.現(xiàn)在我們介紹一種鈉光作光源,用邁克遜干

2、涉儀測(cè)量薄膜厚度,其測(cè)量原理、方法簡(jiǎn)單.2!測(cè)量裝置及原理7測(cè)量裝置如圖1所示.在鈉光燈S 前加一塊毛玻璃使之形成面光源,通過(guò)一準(zhǔn)直透鏡發(fā)出平行光照射邁克爾遜干涉儀,調(diào)節(jié)兩個(gè)平面鏡M 1、M 2,使觀(guān)察屏上出現(xiàn)明暗相間的圓形干涉條紋.圖1實(shí)驗(yàn)光路圖由于鈉光源中包含有波長(zhǎng)相近的兩種波長(zhǎng) 1、 2,當(dāng)動(dòng)鏡M 1緩慢移動(dòng)時(shí),觀(guān)察屏中的條紋依次由清晰變模糊,再由模糊變清晰,條紋最模糊時(shí),可見(jiàn)度最小,此時(shí) 1光波生成亮環(huán)的地方,恰好是 2光波生成暗環(huán)的地方,即:2dcos i k =2d =k 1 1=(k 2+1/2 2(1在M 1臂中垂直插入一折射率為n 、厚度為h 的透明薄膜A ,取空氣的折射率為

3、1,M 1臂中增加的光程差 為:=2h(n-1(2(1式不再滿(mǎn)足,條紋可見(jiàn)度最小的現(xiàn)象被破壞,繼續(xù)沿原方向移動(dòng)M 1動(dòng)鏡 d 距離,使再次出現(xiàn)可見(jiàn)度最小,則2h(n-1=2 d h= d/(n-1(3測(cè)出 d,知道n,就可計(jì)算出h 值.須注意的是,要使薄膜所增加的光程不超過(guò)在未插入薄膜的情況下相續(xù)兩次出現(xiàn)可見(jiàn)度最小,即M 1動(dòng)鏡移動(dòng)的距離 D 的兩倍.因此2h(n-1<2 D 得!h< D/(n-1(4對(duì)于波長(zhǎng)分別為 1和 2的兩列光波,由于它們的波長(zhǎng)不同,是互不干涉的,總的干涉場(chǎng)是 1和 2分別形成的干涉場(chǎng)的線(xiàn)性迭加.隨M 1動(dòng)鏡的移動(dòng),迭加形成拍8.拍頻 為:=1 =1 1-1

4、2(5由于 1# 2,在干涉場(chǎng)中它們的同級(jí)條紋不出現(xiàn)在同一位置上.隨著光程差的增加,干涉條紋是從完全重合變到連成一片,又變到完全重合.而兩次重合所對(duì)應(yīng)的空間距離,正是拍頻的波長(zhǎng) .對(duì)鈉光源,由(5式知: =0.5788mm, D = /2=0.2894mm.若薄膜的折射率為1.47,則h < D/(n -1=0.2008年6月鄖陽(yáng)師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)Jun.2008第28卷第3期收稿日期2008-03-28基金項(xiàng)目湖北省教學(xué)研究資助項(xiàng)目(2003298作者簡(jiǎn)介楊修文(1966-,男,鄖陽(yáng)師范高等專(zhuān)科學(xué)校物理系副教授,主要從事光電子、光纖通信及傳感器方面的研究.616mm,即用本方法測(cè)量其

5、厚度,其厚度不應(yīng)超過(guò)0. 616mm,這個(gè)厚度對(duì)薄膜而言足夠了.若測(cè)某一平面平行玻璃,其厚度不滿(mǎn)足(4式,可先用游標(biāo)卡尺粗測(cè)出其厚度H,再由H(n-1/ D,知道應(yīng)出現(xiàn)最小可見(jiàn)度的次數(shù)k,則(k-1 D/(n-1+h(h為一個(gè)小于 D/(n-1的正數(shù)即為動(dòng)鏡M1移動(dòng)的距離 d.3!實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析用阿貝折射儀測(cè)出待測(cè)的透明薄膜的折射率為1. 4836.在鈉光照射下,將邁克爾遜干涉儀調(diào)節(jié)到最小可見(jiàn)度狀態(tài),薄膜插入中,再次將邁克爾遜干涉儀調(diào)節(jié)到最小可見(jiàn)度狀態(tài),測(cè)出動(dòng)鏡M1移動(dòng)的距離 d,其結(jié)果如下表1所示.表1邁克爾遜干涉儀最小可見(jiàn)度單位:mm! h=0.02524mm,用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)得的薄膜的平均

6、厚度為h=0.025mm.用本方法測(cè)量薄膜的厚度,有兩點(diǎn)不足,受邁克爾遜干涉儀精度的限制,當(dāng)薄膜的厚度h< /4( 為光源波長(zhǎng),就無(wú)法測(cè)量;最小可見(jiàn)度位置判斷不準(zhǔn)確也會(huì)引入較大的誤差.雖然本方法有不足之處,但它簡(jiǎn)單易行,測(cè)量快,作為測(cè)量薄膜厚度的一種手段更為有效.參考文獻(xiàn)1鄧小燕,喬!蹻,潘永華,等.邁克爾遜干涉儀中補(bǔ)償板與干涉條紋J.物理與工程,2006,(2.2袁劍輝,周烈生,趙福利,等.邁克爾遜干涉儀測(cè)量液體的折射率及儀器調(diào)節(jié)方法J.光學(xué)技術(shù),1998,(1.3張寶穎,賀秀良,劉文輝,等.改進(jìn)型邁克耳孫干涉儀J.物理實(shí)驗(yàn),2004,(7.4陳淑清.用邁克爾遜干涉儀測(cè)氣體濃度的方法J

7、.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2002,(6.5周!晶.W SM-100型邁克爾遜干涉儀J.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),1999,(6.6楊建宏,閆!進(jìn),等.離子鍍裝飾膜厚度測(cè)量技術(shù)J.太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),1996,(3.7楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)(光學(xué)部分M.北京:高等教育出版社,2002.8粱紹榮,劉昌年,盛正華.普通物理學(xué)(第一分冊(cè)M.北京:高等教育出版社,2002.%編校:胡軍福&Refractive Index and Thickness of Michelson Interferometer Measure FilmYA NG Xiu-w en,SH I Yi-jie,LU Su-yan(Departm

8、ent of P hysics and Electro nic Eng ineer ing,Yunyang T eacher s'Colleg e,Danjiang kou442700,China Abstract:T his pa per has intr oduced the easy and simple met ho d to deter mine film r efractiv e index and thickness by M ichelson interfer ometer.T he film thickness of hig h precision can be deter mined by determining the mot ion quantit y o f moving mir ro r and o bserv ing the relevant interfer ence fr ing e,o n w hich actual deter mination has been carr ied out,w hose theo ry and practice