大學(xué)物理課件薄膜干涉福州大學(xué)李培官

薄膜干涉薄膜干涉是光學(xué)中的一種現(xiàn)象，是指當(dāng)光線照射到薄膜表面時，由于光線在薄膜上下表面發(fā)生反射和折射而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。簡介薄膜干涉當(dāng)光線照射到薄膜上時，光線會在薄膜的兩個表面發(fā)生反射和透射。由于光線在薄膜內(nèi)傳播的距離不同，反射光線之間會發(fā)生干涉現(xiàn)象。應(yīng)用廣泛薄膜干涉現(xiàn)象在光學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如測量薄膜厚度、制造光學(xué)濾波器和研究薄膜材料的性質(zhì)。薄膜的定義薄膜是指厚度遠小于其橫向尺寸的材料層。通常，薄膜厚度在納米到微米范圍內(nèi)，但也可能更厚。薄膜可以沉積在各種基底材料上，如玻璃、硅、金屬等。薄膜的分類單層膜由單一材料制成的薄膜，例如鍍在玻璃上的金屬薄膜。多層膜由兩種或多種材料交替排列形成的薄膜，例如用于光學(xué)鍍膜的薄膜。漸變膜薄膜的折射率隨厚度逐漸變化，例如用于抗反射鍍膜的薄膜。薄膜干涉的條件1光束相干兩束光必須是相干光，即它們必須具有相同的頻率和相位關(guān)系。2薄膜厚度薄膜的厚度必須小于光的波長，這樣才能產(chǎn)生明顯的干涉現(xiàn)象。3光束入射角入射光束的角度必須適合產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，通常是垂直或接近垂直入射。反射和透射反射當(dāng)光線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，一部分光線會被反射回原介質(zhì)，這就是反射現(xiàn)象。透射另一部分光線則會穿過界面進入到第二種介質(zhì)中，這就是透射現(xiàn)象。零級干涉薄膜厚度當(dāng)薄膜厚度為零時，反射光束和透射光束之間沒有相位差，導(dǎo)致干涉極小。相位變化零級干涉意味著反射光和透射光之間的相位變化為零，形成暗條紋。干涉強度振幅疊加在干涉現(xiàn)象中，兩列波疊加后，振幅和強度都會發(fā)生變化。相位差兩列波的相位差決定了干涉的類型，相位差為零或2π的整數(shù)倍時為相長干涉，相位差為π或π的奇數(shù)倍時為相消干涉。波長分析干涉條紋薄膜干涉導(dǎo)致干涉條紋的形成，這些條紋的間距與光的波長有關(guān)。光譜儀使用光譜儀可以測量干涉條紋的波長分布，從而確定薄膜的厚度和折射率。幾何分析1光程差薄膜干涉中，兩束光在薄膜上反射或透射后，光程差是決定干涉現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。2幾何關(guān)系根據(jù)薄膜的厚度、入射角和折射率，我們可以利用幾何關(guān)系計算光程差。3干涉條紋光程差的變化導(dǎo)致干涉條紋的形狀和位置變化，可以用于分析薄膜的厚度、折射率等。牛頓環(huán)牛頓環(huán)是由兩塊玻璃之間形成的薄膜干涉產(chǎn)生的。一塊玻璃平面放置，另一塊玻璃為凸透鏡，凸透鏡的曲率半徑較大，使兩塊玻璃之間的空氣層厚度逐漸變化。當(dāng)光線垂直照射到薄膜上時，部分光線在第一塊玻璃表面反射，部分光線在第二塊玻璃表面反射，兩束反射光線發(fā)生干涉，形成一系列明暗相間的圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)。薄膜干涉的應(yīng)用測量薄膜厚度利用干涉條紋的移動可以精確測量薄膜的厚度，廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件的制造。制造干涉濾光片通過控制薄膜的厚度和材料，可以制造出具有特定透光率的濾光片，用于光譜分析、激光技術(shù)等領(lǐng)域。提高光學(xué)元件的反射率在光學(xué)元件表面鍍上多層薄膜，可以提高反射率，用于制造高反射鏡、高透鏡等。測量薄膜厚度1干涉法利用薄膜干涉原理測量厚度2光學(xué)顯微鏡觀察薄膜表面形貌3原子力顯微鏡測量薄膜表面粗糙度干涉儀原理1光源干涉儀利用單色光源，光束被分割成兩束或多束。2光束分割光束通過光學(xué)元件進行分割，例如半透半反鏡或分束器。3光束路徑分割后的光束沿不同的路徑傳播，并最終重新組合。4干涉現(xiàn)象當(dāng)兩束或多束光束重新組合時，由于相位差，會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。干涉儀類型邁克耳遜干涉儀邁克耳遜干涉儀是應(yīng)用最廣泛的一種干涉儀，其原理是將一束光分成兩束，然后使兩束光在一定距離后重新相遇并發(fā)生干涉。法布里-珀羅干涉儀法布里-珀羅干涉儀利用兩塊平行且部分反射的平板玻璃構(gòu)成諧振腔，當(dāng)光束入射到諧振腔后，在兩塊玻璃之間會發(fā)生多次反射，這些反射光束會互相干涉，形成干涉條紋。馬赫-曾德爾干涉儀馬赫-曾德爾干涉儀是另一種常用的干涉儀，它將光束分成兩束，然后通過兩條不同的路徑后再匯合，并發(fā)生干涉。兩光束干涉儀光束分離兩光束干涉儀使用分光鏡將一束光分成兩束，然后使兩束光干涉。光程差通過調(diào)節(jié)鏡子的位置或角度，改變兩束光的光程差，從而控制干涉條紋的間距和位置。干涉現(xiàn)象當(dāng)兩束光相遇時，會發(fā)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的干涉條紋。邁克耳遜干涉儀1分束器將一束光分成兩束相等的光束，兩束光分別經(jīng)過不同的路徑后，再在分束器上重新組合。2反射鏡反射鏡用于改變光束的傳播方向，確保兩束光經(jīng)過相同的路徑長度。3干涉條紋兩束光在重新組合后會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的干涉條紋。測試薄膜均勻性利用邁克耳遜干涉儀可以觀察薄膜表面干涉條紋的形狀和分布。均勻的薄膜，干涉條紋應(yīng)呈現(xiàn)規(guī)則的形狀，例如直線或圓形。如果條紋扭曲或不規(guī)則，說明薄膜厚度不均勻。合金層研究合金層特性合金層通常具有與基材不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如更高的硬度、耐腐蝕性或?qū)щ娦浴１∧じ缮鏈y量薄膜干涉技術(shù)可以用來測量合金層的厚度和均勻性，并研究其光學(xué)性質(zhì)。應(yīng)用合金層在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如電子器件、航空航天和生物醫(yī)學(xué)工程。濺射薄膜物理氣相沉積濺射是物理氣相沉積(PVD)的一種，它利用等離子體將目標(biāo)材料濺射到基板上。等離子體等離子體是通過將氣體暴露在高電壓下產(chǎn)生的，它包含帶電離子、電子和中性原子。薄膜形成當(dāng)?shù)入x子體中的離子撞擊目標(biāo)材料時，它們會將原子從目標(biāo)材料中擊出，并沉積在基板上形成薄膜。多層膜干涉光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜由多層不同折射率的材料組成，通過干涉原理，能夠?qū)μ囟úㄩL的光進行反射或透射。應(yīng)用增透膜：減少光的反射，提高透光率反射膜：增強光的反射，例如激光器鏡片濾光片：選擇性地透射或反射特定波長的光偏振和干涉偏振光偏振光是指光波振動方向一致的光波。自然光是由不同振動方向的光波混合而成，而偏振光只允許特定方向的光波通過。干涉干涉是指兩束或多束光波相遇時，由于它們的波峰和波谷相互疊加，導(dǎo)致光強發(fā)生變化的現(xiàn)象。偏振光也能發(fā)生干涉現(xiàn)象。薄膜偏振鏡薄膜偏振鏡利用薄膜干涉原理，通過多層薄膜的反射和透射，實現(xiàn)對特定偏振光的選擇性透過。這些薄膜通常由不同折射率的材料組成，并按特定厚度堆疊。當(dāng)光線入射到薄膜上時，不同偏振光的反射和透射率不同，從而實現(xiàn)偏振光的分離。泰勒展開近似函數(shù)利用泰勒展開，我們可以將復(fù)雜函數(shù)近似為多項式，從而簡化計算。應(yīng)用范圍泰勒展開在物理學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，例如微積分、線性代數(shù)和信號處理等。薄膜光濾波器薄膜光濾波器利用薄膜的干涉現(xiàn)象來選擇性地透過或反射特定波長的光。它們常用于彩色玻璃、相機鏡頭和科學(xué)儀器中，以控制光的顏色和強度。通過控制薄膜的厚度和材料，可以設(shè)計出不同類型的濾波器，例如帶通濾波器和截止濾波器。自由邊界條件波的反射當(dāng)波遇到邊界時，它會發(fā)生反射，改變其傳播方向。邊界類型邊界可以是固定的，例如固體壁，或自由的，例如空氣界面。相位變化反射時，波可能發(fā)生相位變化，這取決于邊界類型。固體薄膜結(jié)構(gòu)固體薄膜通常由單一材料構(gòu)成，例如金屬、陶瓷或聚合物。性質(zhì)薄膜的性質(zhì)取決于材料類型、厚度和制造工藝。應(yīng)用固體薄膜廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)和機械領(lǐng)域。生物薄膜細菌生物膜細菌生物膜是指細菌細胞附著在生物或非生物表面上，形成的多層結(jié)構(gòu)，其中包含細胞外基質(zhì)，例如多糖，蛋白質(zhì)和DNA。真菌生物膜真菌生物膜是由真菌細胞組成的多細胞群落，附著在各種表面，并通過細胞外基質(zhì)固定在一起。電子衍射電子衍射是利用電子束照射晶體材料，通過觀察電子束的衍射現(xiàn)象來研究材料的結(jié)構(gòu)。電子衍射的原理基于德布羅意波的理論，該理論認為電子具有波動性，并且其波