《光程差与薄膜干涉》PPT课件.ppt

1 第二节 光程差薄膜干涉 2 在真空中光的波长为 光速为C 进入折射率为n的介质中后 波长 n 光速为v 则有 处理方法 把光在介质中的波长折合成它在真空中的波长作为测量距离的标尺 并进一步把光在介质中传播的距离折合成光在真空中传播的距离 光源的频率不变 光在传播过程中频率保持不变 而 同一频率的光在不同介质中波长不相同 1 光程 3 光程 光在介质中传播的波程与介质折射率的乘积 设光在折射率为n的介质中传播的几何路程为L 则 有 定义 意义 光在t时刻内在真空中通过的路程nL就相当于光在介质中在相同的时间内所通过的路程 在一条波线上 波在介质中前进L 位相改变为 同一波线上两点间的位相差 4 1 光程差 两束光的光程之差 如果光线穿过多种介质时 其光程为 可以证明 光通过相等的光程 所需时间相同 位相变化也相同 设一束光经历光程 1 另一速光经历光程 2 则这两束光的光程差为 2 光程差 5 光程差与相位差的关系为 2 光程差与相位差的关系 设两光同位相 光程差每变化一个波长 相位差变化 光程差为 相位差为 则相位差为 注意光程与光程差的区别 是同一波源发出的波在同一波线上不同两点振动的位相差 同一波线上两点间的光程 不同波源经不同路径在相遇点引起的两个振动的位相差 两束光的光程差 6 问 原来的零极条纹移至何处 若移至原来的第k级明条纹处 其厚度h为多少 例1 已知 S2缝上覆盖的介质厚度为h 折射率为n 设入射光的波为 解 从S1和S2发出的相干光所对应的光程差 当光程差为零时 对应零条纹的位置应满足 所以零级明条纹下移 原来k级明条纹位置满足 设有介质时零级明条纹移到原来第k级处 它必须同时满足 7 例2 在双缝干涉实验中 波长 5500 的单色平行光垂直入射到缝间距a 2 10 4m的双缝上 屏到双缝的距离D 2m 求 1 中央明纹两侧的两条第10级明纹中心的间距 2 用一厚度为e 6 6 10 6m 折射率为n 1 58的玻璃片覆盖一缝后 零级明纹将移到原来的第几级明纹处 解 1 2 覆盖玻璃后 零级明纹应满足 设不盖玻璃片时 此点为第k级明纹 则应有 所以 零级明纹移到原第7级明纹处 8 例3 在图示的双缝反射实验中 若用半圆筒形薄玻璃片 折射率n1 1 4 覆盖缝S1 用同样厚度的玻璃片 折射率n2 1 7 覆盖缝S2 将使屏上原来未放玻璃时的中央明条纹所在处O变为第五级明纹 设单色光波长 480 0nm 求玻璃片的厚度d 解 覆盖玻璃前 覆盖玻璃后 则有 9 例4 如图所示 用波长为l的单色光照射双缝干涉实验装置 并将一折射率为n 劈角为a a很小 的透明劈尖b插入光线2中 设缝光源S和屏c上的o点都在双缝S1和S2在中垂线上 问要使o点的光强由最亮变为最暗 劈尖b至少应向上移动多大距离d 只遮住S2 解 设o点最亮时 光线2在劈尖b中传播距离为l1 则由双缝S1和S2分别到达o点的光线的光程差满足下式 1 10 2 1 得 由图可求出 由 3 和 4 得 劈尖b应向上移动的最小距离为 或 2 3 4 设o点由此时第一次变为最暗时 光线2在劈尖b中传播的距离为l2 则由双缝S1和S2分别到达o点的两光程差满足下式 11 通过光轴的光线波程最短 但在透镜中的光程长 远离光轴的光线波程长 但在透镜中的光程短 总的来讲 各条光线的光程都是相同的 透镜可以改变光线的传播方向 但是在光路中放入薄透镜不会引起附加的光程差 波阵面 波阵面 1 薄透镜不引起附加光程差 12 产生条件 当光从折射率小的光疏介质 正入射或掠入射于折射率大的光密介质时 则反射光有半波损失 当光从折射率大的光密介质 正入射于折射率小的光疏介质时 反射光没有半波损失 折射光都无半波损失 半波损失 光从光疏介质进入光密介质 光反射后有了量值为的位相突变 即在反射过程中损失了半个波长的现象 2 半波损失 13 单色光以入射角i从折射率为n1介质进入折射率为n2的介质 在薄膜的上下两表面产生的反射光 光 光 满足相干光的5个条件 能产生干涉 经透镜汇聚 在焦平面上产生等倾干涉条纹 从焦点P到CD波面 两条光的光程差为0 则在未考虑半波损失时 光 光的光程差为 14 由折射定律 15 考虑半波损失 光程差不附加 光程差附加 未考虑半波损失时 光程差 干涉的加强减弱条件 加强 减弱 16 1 如果照射到薄膜上的是平行入射光 入射角一定 则不同的薄膜厚度就有不同的光程差 也就有不同的干涉条纹 这种一组干涉条纹的每一条对应薄膜一厚度的干涉 称为等厚干涉 2 如果光源是扩展光源 每一点都可以发出一束近似平行的光线 以不同的入射角入射薄膜 在反射方向上放一透镜 每一束平行光会在透镜焦平面上会取聚一点 当薄膜厚度一定时 在透镜焦平面上每一干涉条纹都与一入射角对应 称这种干涉为等倾干涉 用同样的办法可以推导透射光的光程差 讨论 17 光学镜头为减少反射光 通常要镀增透膜 1 增透膜 在光学器件中 由于表面上的反射与透射 在器件表面要镀膜 来改变反射与透射光的比例 可有增透膜 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 18 光学镜头为减少透光量 增加反射光 通常要镀增反膜 使两束反射光满足干涉加强条件 2 增反膜 由于反射光最小 透射光便最强 增反膜是使膜上下两表面的反射光满足干涉相长条件 增透膜是使膜上下两表面的反射光满足减弱条件 19 例5 为增强照相机镜头的透射光 往往在镜头 n3 1 52 上镀一层MgF2薄膜 n2 1 38 使对人眼和感光底片最敏感的黄绿光 555nm反射最小 假设光垂直照射镜头 求 MgF2薄膜的最小厚度 解 不考虑半波损失 k 1 膜最薄 20 用单色平行光垂直照射玻璃劈尖 由于单色光在劈尖上下两个表面后形成 两束反射光 满足干涉5个条件 由薄膜干涉公式 干涉条纹为平行于劈棱的一系列等厚干涉条纹 3 劈尖干涉 21 加强 减弱 1 劈棱处 dk 0 光程差为 劈棱处为暗纹 2 第k级暗纹处劈尖厚度 由 22 3 相邻暗纹劈尖厚度差 4 相邻条纹间距 这个结论对明纹也成立 这个结论对明纹 暗纹均成立 劈尖干涉条纹是从棱边暗纹起 一组明暗相间的等间隔直线条纹 23 播放动画 播放动画 24 2 检测待测平面的平整度 由于同一条纹下的空气薄膜厚度相同 当待测平面上出现沟槽时条纹向左弯曲 1 测量微小物体的厚度 将微小物体夹在两薄玻璃片间 形成劈尖 用单色平行光照射 由 有 5 劈尖干涉的应用 25 例6 在Si的平面上形成了一层厚度均匀的SiO2的薄膜 为了测量薄膜厚度 将它的一部分腐蚀成劈形 示意图中的AB段 现用波长为600 0nm的平行光垂直照射 观察反射光形成的等厚干涉条纹 在图中AB段共有8条暗纹 且B处恰好是一条暗纹 求薄膜的厚度 Si折射率为3 42 SiO2折射率为1 50 解 上下表面反射都有半波损失 计算光程差时不必考虑附加的半波长 射膜厚为e B处暗纹 B处第8条暗纹对应上式 26 将一块半径很大的平凸镜与一块平板玻璃叠放在一起 牛顿环 该干涉条纹是中心为一暗点 明暗相间逐渐变密的一系列同心圆 用单色平行光垂直照射 由平凸镜下表面和平板玻璃上表面两束反射光干涉 产生牛顿环干涉条纹 27 设 两束反射光的光程差附加 加强 减弱 项 中心dk 0 为暗斑 其它位置 28 加强 减弱 2 牛顿环半径 明环由 暗环由 29 3 牛顿环应用 测量未知单色平行光的波长 用读数显微镜测量第k级和第m级暗环半径rk rm 由此可知 条纹不是等距分布 牛顿环中心为暗环 级次最低 离开中心愈远 光程差愈大 圆条纹间距愈小 即愈密 其透射光也有干涉 明暗条纹互补 30 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 31 例7 牛顿环的应用 已知 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 k级往上数第16个明环半径 平凸透镜的曲率半径R 2 50m 求 紫光的波长 解 根据明环半径公式 32 例8 如图所示 牛顿环装置的平凸透镜与平板玻璃有一小缝隙e0 现用波长为l的单色光垂直照射 已知平凸透镜的曲率半径为R 求反射光形成的牛顿环的各暗环半径 解 设某暗环半径为r 由图可知 根据几何关系 近似有 再根据干涉减弱条件有 1 2 式中k为大于零的整数 把式 1 代入式 2 可得 k为整数 且 33 例9 在牛顿环装置中 透镜与玻璃平板间充以液体时 第10个暗环的直径由1 40cm变为1 27cm 求该液体的折射率 解 由暗环公式 空气中 介质中 1 2 由 1 2 式得 可求得 34 例10 利用牛顿环的条纹可以测定平凹球面的曲率半径 方法是将已知半径的平凸透镜的凸球面放置在待测的凹球面上 在两球面间形成空气薄层 如图所示 用波长为 的平行单色光垂直照射 观察反射光形成的干涉条纹 试证明若中心O点处刚好接触 则第k个暗环的半径rk与凹球面半径R2 凸面半径R1 R1 R2 及入射光波长 的关系为 解 如图所示 第k个暗环处空气薄膜的厚度为 e 35 第k个暗环的条件为 即 由几何关系可得近似关系 36 G1和G2是两块材料相同厚薄均匀 几何形状完全相同的玻璃板 1 迈克耳逊干涉仪的结构及原理 2 干涉条纹 一束光在A处分振幅形成的两束光 和 的光程差 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 它们干涉的结果是薄膜干涉条纹 调节M1就有可能得到d 0 d 常数 d 常数 如劈尖 对应的薄膜等倾或等厚干涉条纹 37 当M2 M1时 M2 M1 所观察到的是等倾干涉条纹 即相同倾角下光程差相同 播放动画 M2 M1 之间距离变大时 圆形干涉条纹向外扩张 干涉条纹变密 当每减少时 中央条纹对应的值就要减少1 原来位于中央的条纹消失 将看到同心等倾圆条纹向中心缩陷 当每平移时 将看到一个明 或暗 条纹移过视场中某一固定直线 条纹移动的数目m与M1镜平移的距离关系为 当 不平行时 将看到平行于和交线的等间距的直线形等厚干涉条纹 38 等厚干涉条纹 等倾干涉条纹 39 例10 迈克耳孙干涉仪的应用 在迈克耳孙干涉仪的两臂中分别引入10厘米长的玻璃管A B 其中一个抽成真空 另一个在充以一个大气压空气的过程中观察到107 2条条纹移动 所用波长为546nm 求空气的折射率 解 设空气的折射率为n 则光程差的改变量为 相邻条纹或说条纹移动一条时 对应光程差的变化为一个波长 当观察到107 2条移过时 光程差的改变量满足 迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品 由条纹的变化测量有关参数 精度高 40 在光谱学中 应用精确度极高的近代干涉仪可以精确地测定光谱线的波长极其精细结构 在天文学中 利用特种天体干涉仪还可测定远距离星体的直径以及检查透镜和棱镜的光学质量等等 1960年国际计量会议上规定用氪 86在液氮温度下的2p10 5d5的橙色光在真空中的波长的1 650 763 73倍做为长度的标准单位 使精度提高了两个数量级由10 7 10 9米 现在国际上规定将光在真空中以c 1秒所飞行的长度定义为1标准米