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大学物理薄膜干涉课件

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理化生第2627讲薄膜干涉课件

理化生第2627讲薄膜干涉课件


2. 扩展光源
扩展光源上不同点发出的光线，只要以同一倾 角入射，其反射相干光就具有相同的光程差，它们 将在同一位置形成同一条干涉条纹。
这些干涉条纹强度叠 加，使明亮度增加。
薄膜干涉使用扩 展光源，虽然相干性 不好，但因能在明亮 环境观察，所以实用 价值高。
2e
n22
n12
sin 2
i
2
在光束正入射时 2en
所以可得 k1 k2 k
2k 1 22 7
k
1 3
k 3
e k2 3 700 783.6nm
2n2 2 1.34
n1 1
n2 1.30 e
n3 1.5
假设存在λ3，使得相长，则有
例
2n2e 0
(2k1
1)
1
2
2k2
(
2
2
)
2k3
(
3
2
)
因λ3<λ2，则k3 > k2.
题
4 详 细
由于经薄膜上下表面反射的相干光束相交在膜 的附近，因此干涉条纹定域在薄膜附近。
条纹形状由膜的等厚点轨迹决定，观测系统要 调焦于膜附近。
1.劈尖
劈尖是指薄膜两表面互不平行，且成很小角度 的劈形膜。两块平面玻璃板以很小夹角θ垫起，其间 的空气膜就形成空气劈尖 。
12
楔角 ：104 ~ 105 rad
l ek1 ek sin 2nsin
2n
l
ek ek1
iii. 在入射单色光波长一定时
愈小，则 l 愈大，干涉条纹愈疏； 愈大，则 l 愈小，干涉条纹愈密。
l 2n
2ne
2
k
(2k
1)
2
大学物理课件-薄膜干涉

大学物理课件-薄膜干涉


sin2
i
n2
A
r
C
d
G
(2k 1) 干涉减弱 n1 2
B 4
F3
透射光干涉和反射光干涉互補!
反射光是明條紋處透射光是暗條紋； 反射光是暗條紋處透射光是明條紋。
等傾干涉條紋觀察裝置
等傾干涉特點：
干涉條紋
2d
n22
n12
sin
2
i
2
k
1、形狀：圓環狀條紋
2、干涉級順序：內高外低
3、條紋間距不等：內疏外密
l
d dk1 dk 2n
d
2n
d d k d k 1
相鄰明（暗）條紋的間距l：
d sin 2nsin 2n
一定，l與的關係 一定，l與 的關係
說明：
白光照射形成彩紋
1. 條紋級次 k 隨著劈尖的厚度而變化，因此這種干
涉稱為等厚干涉。
2、條紋為一組平行與棱邊的直條紋。
3 . 由於存在半波損失，棱邊上為零級暗紋。 4、厚度d增大，干涉級k增大。 5、相鄰條紋等間距。
例1. 用波長為550nm的黃綠光照射到一肥皂膜上，沿與膜面成
60°角的方向觀察到膜面最亮。已知肥皂膜折射率為1.33，求
此膜至少是多厚？若改為垂直觀察，求能夠使此膜最亮的光波
解長空。氣折射率n1 ≈ 1，肥皂膜折射率n2 = 1.33。
i = 30°
反射光加強條件： 2d
n22
n12
sin2
i
λ2 = 216.3 nm （k = 2） 不可見光
例2. 平面單色光垂直照射在厚度均勻的油膜上，油膜覆蓋在玻 璃板上。所用光源波長可以連續變化，觀察到500 nm與700 nm 兩波長的光在反射中消失。油膜的折射率為1.30，玻璃折射率 為1.50，求油膜的厚度。
普通物理11.4薄膜干涉PPT课件

普通物理11.4薄膜干涉PPT课件

干涉现象的产生需要满足相干条件， 即光波的频率相同、相位差恒定、振 动方向相同和传播路径一致。
薄膜干涉的形成机制
薄膜干涉是指光波在薄膜表面反射和折射后形成的干涉现象。当光波入 射到薄膜上时，一部分光波被反射，另一部分光波透射进入薄膜内部。
在薄膜内部，光波会经历折射和反射，多次反射和透射后形成多束相干 光波，这些光波在薄膜表面相遇并相互叠加，形成明暗相间的干涉条纹。
发生反射和折射。
屏幕
用于接收干涉条纹，通常选用 白色屏幕。
测量工具
包括显微镜、测微器和角度测 量仪等，用于精确测量薄膜的
厚度和干涉条纹的间距。
实验操作流程
调整光源
调整光源的角度，使光线垂直 照射在薄膜上，确保光路正确。
数据测量
使用测量工具测量薄膜的厚度 和干涉条纹的间距，记录数据。
准备实验器材
按照实验装置图搭建实验装置， 确保所有器材完好无损。
光学信息处理
光束整形与调制
薄膜干涉技术可以对光束进行整形和调制，实现光束的聚焦、散焦、 偏转、调制等操作，用于信息传输、显示和存储等领域。
光波前处理
利用薄膜干涉技术可以对光波前进行调制和处理，实现光束的相干 控制和非线性光学效应等，用于光通信、光计算和光传感等领域。
图像处理与增强
薄膜干涉技术可以用于图像处理和增强，如图像的对比度增强、清晰 度提高、噪声抑制等，提高图像的视觉效果和信息传递能力。
02 薄膜干涉的基本原理
光的波动性
01
光的波动性是指光在传播过程中 表现出的振动和传播的特性。光 波是一种横波，具有振幅、频率 和波长等物理量。
02
光波在传播过程中会与介质相互 作用，产生能量交换和传播方向 的改变，这种现象称为光的干涉 。
大学本科大学物理第9次课-薄膜干涉

大学本科大学物理第9次课-薄膜干涉


C n2 d n3
§3.薄膜干涉 / 二、薄膜干涉公式
' n2( AB BC ) n1 AD
AB BC d / cos r
AD AC sin i 2dtg r sin i
①
P
' n2 2 AB n1 AD
i
D i
i
② n1
2n2d / cos r 2n1d tg r sin i
cos r
2n2d cos r 2n2d 1 sin 2 r
2d
n
2 2
n12
sin
2
i
§3.薄膜干涉 / 二、薄膜干涉公式
未考虑半波损失时
①
' 2n2d cos r
i
②
n1
考虑半波损失：
n2 d
n1 n2 n3 n1 n2 n3
n3
光程差不附加
2
n1 n2 n3
光程差附加
①
i
②
n1
n2 d
n3
§3.薄膜干涉 / 二、薄膜干涉公式
在薄膜的上下两表面产生的反射光 ①
光、② 光，满足相干光的条件，能产生干
涉，经透镜汇聚，在焦平面上产生干涉条
纹。
从焦点 P 到 CD 波面，两条光的 光程差为 0，则
①
P
i
D i
② n1
在未考虑半波损 失时① 光、② 光的光程差为：
A r B
(1) 如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾
驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,
则他将观察到油层呈什么颜色?
(2) 如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油
层呈什么颜色?
解 (1) Δr 2dn1 k
大学物理薄膜干涉课件

大学物理薄膜干涉课件


解：对第一层(ZnS)，
2n1d1


2

k
MgF

ZnS
取 k =1
d1
对第二层(MgF)，


4n1
2n2d2


2

k
取 k=1

d 2 4n2
薄膜干涉的分类：
反 2d
n22

n12
sin2
i


2
1）入射角i一定（平行光入射），δ随薄膜厚度d变化
薄膜同一厚度处对应同一级次干涉条纹；
利用干涉条件：

2
n2 n1
1
i
L 2
D
3
P
k
反 (2k 1)
2
加强 减弱
M1 n1 n2
A
C
d
M2 n1
B
E
45
透射光的光程差 n2 (BC CE) n1BF
透 2d n22 n12 sin2 i
透射光和反射光的光程差相差了半个波长
反射加强 ——透射减弱
干涉条纹移动数目
介质片厚度
t N
n 1 2
介质片折射率 n N 1
2t
例10-9 在迈克耳逊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
个充以一个大气压的空气，在向真空玻璃管中逐渐 充入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？
2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？
3）应用例子:可以用来测 量光波波长，用于检测透镜质 量，曲率半径等.
大学物理 光的干涉2 (薄膜干涉)

大学物理 光的干涉2 (薄膜干涉)


照像机对此波长反射小，可在照像机镜头上镀一层氟化镁MgF2 薄膜，已知氟化镁的折射率 n=1.38 ，玻璃的折射率n=1.55.
求:氟化镁薄膜的最小厚度. 解:两条反射光干涉减弱条件
r1
r2
2nd (2k 1) 2
增透膜的最小厚度
k 1,2,
d
550 d 100nm 4n 4 1.38
光线垂直入射
i 0
入射光
反射光1 反射光2
d
2k 2 2n2 d 2 （2k 1 ） 2
k 1,2, 相长干涉 k 1,2, 相消干涉
2
2k k 1,2, 相长干涉 2 2 2d n2 n12 sin 2 i 2 （2k 1 ） k 1,2, 相消干涉 2
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
例1(教材P19
例22.5)为测量一细金属丝的直径d，按
图办法形成空气劈尖，用单色光照射形成等厚干涉条纹， 用读数显微镜测出干涉明条纹的间距，就可以算出d。
已知单色光波长为589.3 nm，测量结果是：金属丝与劈
解:设空气的折射率为 n1 1.00 油膜和玻璃的折射率分别为 n2 1.30 和 n3 1.50
在油膜上下表面的反射光都有相位突变,所以, 0
反射光光程差干涉极小时,应有:
1 2en2 2k 1 k 2 2
7

设 1 500 nm 对应 k 级干涉极小,
大学物理光程薄膜干涉课件讲义

大学物理光程薄膜干涉课件讲义

物理学
第五版
一
光程
11-3 光程 薄膜干涉
光在真空中的速度 c1 00 u 1
光在介质中的速度 u1 c n
u'
c
介质中的波长 '
n
真空中的波长 介质的折射率
第十一章 光学
1
物理学
第五版
11-3 光程 薄膜干涉
s1 *
r1
P
s 2* r2 n
E1E10co2πs(Tt r1)
E2E20 co2πs(T tr2')
n1
Δr 2dn2 2
n2 n1
当 n3n2n1 时
n1
Δr 2d2 n
n2
n3
第十一章 光学
12
物理学
第五版
11-3 光程 薄膜干涉
例 一油轮漏出的油(折射率n1=1.20)污 染了某海域, 在海水(n2=1.30)表面形成一层 薄薄的油污.
(1)如果太阳正位于海域上空，一直升飞
机的驾驶员从机上向正下方观察，他所正对
第十一章 光学
2
物理学
第五版
11-3 光程 薄膜干涉
介质中的波长 ' s 1 *
n
s 2*
r1
P
r2 n
➢ 波程差 rr2r1
➢ 相位差 2 π(T t r2 ') 2 π(T t r 1)
第十一章 光学
3
物理学
第五版
2π(r2 r1)
'
2π(nr2 r1)
(1)光程:
11-3 光程 薄膜干涉
31/2
k4, 2n1d31 .4n 5m
41/2
第十一章 光学
15
薄膜干涉PPT课件

薄膜干涉PPT课件


平晶
0
条纹间距 内疏外密
19
第19页/共31页
e 可用 r, R 表示: r2 R2 R e2 2 Re
o·
平凸 R
e r2
透镜
re
2R
1 牛顿环特有的
平晶
2ne
什么情况加？
2
k
( 2k
1
)
2
k 1,2,3, 明 纹
k 0,1,2, 暗 纹 薄膜干涉共有的
将（1）式代入δ的明暗公式，可以解出 第k 级明环和暗环半径rk
经历两次半波损失。反射光相干相
消的条件是： 2n2e (2k 1) / 2
n2 1.38 e n3 1.5
代入k 和 n2 求得：
e
3
3 550109
2.989107 m
4n2 41.38
8
第8页/共31页
反射光相消干涉的条件中取 k=0时，
n1 1
膜的厚度为最小。 此膜同时可能满足反射光干涉
例题：如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，
试分析反射光干涉图样。并求第四个明环半径。
在牛顿环左半侧，介质膜上下表面 反射的光都有半波损失，δ=2ne
1.52
1.62
1.75
1.52
e=0处，δ=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，δ=2ne+λ/2，e=0处δ=λ/2，形 成半圆形0级暗斑，两侧干涉图样明暗相反。
【例】分振幅干涉的反射光光程差分析
n1 n2 n3
1有半波损失，2无半波损失
n2( AB
BC ) n1 AN
2
1
n1 i N
2
n2 A
《大学物理》第14章 光的干涉 14-4-5薄膜干涉 教学课件

《大学物理》第14章 光的干涉 14-4-5薄膜干涉 教学课件

§14--4 分振幅法产生的光的干涉
—、薄膜干涉 1、簿膜干涉现象
半球形水膜
半球形水膜
肥皂膜 1
肥皂泡
2
油膜艺术
3
鸽子脖颈羽毛
水面的汽油膜
茶水表面的浓缩油滴
烧焦的不锈钢炊具表面
云中的小水滴
碟翼
蚌壳表面
猫眼石 4
5
2、薄膜干涉公式
1
P
L
2
n2 n1
CDAD
iD
3
M1 n1 A
C
n2
e
M2 n1
2n2emin
k
k 1, 1 2748A
对可见光无增反作用
20
例2 一油轮漏出的油(折射率n1 =1.20)污染了某
海域, 在海水( n2 =1.30)表面形成一层薄薄的油污.
(1) 如果太阳正位于海域上空,一直升飞机的驾
驶员从机上向下观察,他所正对的油层厚度为460nm,
则他将观察到油层呈什么颜色?
等倾干涉图样
(2k 1) (k 0,1,2,) 减 弱
2
等倾干涉条纹为一组中心疏，边缘密的不等间距 的同心圆环。其干涉级次为内高外低，且中心级次 最高。
16
等厚干涉
膜厚e不定，入射倾角一定时，光程差只是膜厚e 的函数，此时条纹级次k与膜厚e成一一对应关系。
单色光源
玻璃板
玻璃板
纸片
劈尖干涉
n=1
2
P
iD 3
M1 n1 n2
A
C
e
M2 n1
B 4
(k 1,2,)
(k 0,1,2,)
7
➢ 透射光的光程差
透 2e n22 n12 sin2 i
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S
劈尖角
M
与棱边平行的明暗相间的条纹
D
b
～104rad 。

明纹 k, k 1,2, (2k 1) , k 0,1, 暗纹 2
2nd 2

k , k 1,2,
明纹
n1 n
( 2k 1) , k 0,1, 暗纹 2
光程差只与薄膜的厚度有关，
，当此厚度位置
改变时，对应的
条纹随之移动.
e N
薄膜 厚度 改变 量

2n
条纹 移动 数目
劈尖干涉的应用 1）干涉膨胀仪
l N
2）测膜厚

2
l
l0
n1 n2
si
eN
sio 2 e

2n1
3）检验光学元件表面的平整度
4）测细丝的直径
e
n1 n1
空气 n 1
b
L
n
d
b'
b' e b 2
有附加光程差/2
反 2dn2

2
n1 n2 n3
薄膜干涉的应用
1．增透膜
例10-4
为增强照相机镜头的透射光，往往在照相机玻璃 镜头的表面涂有一层透明的氟化镁 (MgF2)薄膜，使对某种照 相底片最敏感的波长为550nm的黄绿光透射增强.试问此薄膜 的最小厚度应为多少？已知玻璃的折射率为 1.50，氟化镁的 折射率为1.38. 解：因为 n n ，所以反射 n3 1 2 光经历两次半波损失。
10.3.3 薄膜的等倾干涉
干涉条纹的级数决定于入射光的入射角的干涉。
屏 透镜 扩展 光源 “2” “1” “4”
光线1,2,3,4不是相 干光！ 其产生的干涉圆环 进行非相干叠加， 提高条纹的亮度！
“3”
i
i
i
i
薄膜
e
对于不同倾角i的光入射：
倾角i越小，条纹越在里面
反 2d n n sin i k 2
个充以一个大气压的空气，在向真空玻璃管中逐渐 充入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？
M1
A
S
B
M2

解：设空气的折射率为 n 真空玻璃管充空气前
M1
L1 2nl 2l 2l (n 1)
真空玻璃管充空气后
A
S
B
M2
L2 0

明纹 暗纹
1 (2k 1) (k 0,1,) 2
r
e
r 2 R 2 ( R e) 2 2eR e2
R e e 2 0
r 2eR ( ) R 2
(2k 1) r R 2
明环半径
r kR
暗环半径
讨 论
明环半径 暗环半径
光程差的改变量
2nl 2l 2l (n 1)
当光程差改变一个波长时，一条条纹发生 移动，当观察到107.2 条移过时，光程差的 改变量满足：
迈克耳逊干涉仪的两臂 2l (n 1) 107.2 中便于插放待测样品， 107.2 n 1 1.0002927 由条纹的变化测量有关 2l 参数。精度高。
移 动 距 离
干涉 条纹 移动 数目
M'2 M1
d
插入介质片后
n
G1
G2
M2
光程差变化
2( n 1)t
t
N 介质片厚度 t n 1 2
2( n 1)t N
干涉条纹移动数目
N 1 介质片折射率 n 2t
例10-9
在迈克耳逊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
2 2 2 1 2
倾角i越小，δ越大，条纹级 数越高，圆环从外向里，条
i
i'
i'
i
纹级次逐渐增大。
k 1 k
r
讨论： 若膜厚发生变化时，条纹的移动情况： 1）当膜厚增加时： 圆形干涉条纹向外扩展 2 2 2 2e n2 n1 sin i k 明纹 2 盯住某条明纹，不变， e增加，i增大， 条纹向外扩展 2）当膜厚减小时： 圆形干涉条纹向里收缩 盯住某条明纹，不变， 条纹向里收缩 e减小，i减小，
2k 1 r R 2
( k 1,2,3,)
r kR
( k 0,1,2,)
1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？ 从透射光中观测，中心点是暗点还是亮点？ 2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？ 3）应用例子:可以用来测 量光波波长，用于检测透镜质 量，曲率半径等. 工 件 标 准 件
i
i'
i'
i
一
10.3.4 迈克耳孙干涉仪
反射镜
M1
迈克耳孙干涉仪
M1 M 2
反 射 镜
M2
M1 移动导轨
单 色 光 源 分光板 G1
补偿板 G 2 成 45 角
0
G1//G2 与 M1 , M 2
M 2 的像 M'2 反射镜 M1
d
M1 M 2
反 射 镜
单 色 光 源
G1
G2
M2
M'2
§10--3 分振幅干涉
主讲教师：刘秀英 预习：§10.4 作业：P131，10-7，10-13，10-14
引言：
地面彩色油膜 10.3.1 薄膜干涉
肥皂泡上的彩色条纹
n2 n1
光线 2 3 光程差: 几何路径引起的光程差
CD AD
n2 ( AB BC ) n1 AD
利用几何关系：
(2k 1) 2n2e (2k 1) / 2 e 4n 2
取k＝0，有
emin
550 109 0.1 ( m) 4n2 4 1.38
2．增反膜 例：氦氖激光器中的谐振腔反射镜，要求对 =632.8nm的单色 光的反射率在99%以上。为此，在反射镜玻璃表面交替镀上高 折射率材料ZnS(n1=2.35)和低折射率材料MgF(n2=1.38)的多层薄 膜制成，共十三层。求每层薄膜的实际厚度(按最小厚度计算)。 解： 对第一层(ZnS)，
——透射加强 反射减弱 n2 注意：透射光和反射光 干涉具有互 补 性 ，符合 能量守恒定律.
M1
n1
1
2
L
3
P
以后无论是讨论反 n2 射光干涉，还是研究透射 光干涉，只要研究反射光 M 2 n 1 的光程差即可。
n1
i

D
A
B
C
E 4 F 5
d
计算反射光光程差的步骤：
找出两相干光线的光路，写出到相遇点的几何光程差Δ ；
2 2 2 1 2
薄膜不同厚度处对应于不同级次干涉条纹； 等厚干涉
条纹形状与薄膜等厚线相同 2）若薄膜厚度均匀（d一定），δ随入射角i变化 同一入射角i对应于同一级干涉条纹； 不同入射角对应不同级次的条纹， 干涉条纹为一组同心圆环
等倾干涉
10.3.2 一 劈 尖干涉
薄膜的等厚干涉
n
T
L
n1 n1
d
1
2
L
3
P
M1 M2
n1
i
A
D
AB BC d cos r AD AC sin i
n2
n1

B 4
C
d
5
2d tanr sini
E
AD AC sin i 2d tanr sini 2d sin r n2 ( AB BC ) n1 AD n2 n1 2d sin i cos r cos r
b
L d N 2 2 b
二
牛顿环 由一块平板玻璃和一平凸透镜组成
牛顿环实验装置
T 显微镜 L
S M半 透半 反镜
e
R
r
光程差
2e
2
牛顿环干涉 图样
干涉条纹是以接触点为圆心的同心圆环。 条纹随 r 的增大而变密！
光程差
2e
2
R
k (k 1,2,)
d dk 1 d k

2n

n
2
b
n

L
介质中波长的一半 4）相邻明纹（或暗纹）间条纹间距
n / 2
D
n1
b 2n
b 2 n
b
劈尖干涉
5 ）干涉条纹的移动 定性结论： ——膜变厚，条纹向膜较薄处移动；
每一条纹对应劈 —膜变薄，条纹向膜较厚处移动。 尖内的一个厚度
若两光线相遇前均有(或无)半波损失，则光程差为：Δ
若其中仅有一条光线有半波损失，则光程差Δ ＋λ ／２ 当 n2 n1 时 反 2dn2
2
若n1 n2 n3 无附加光程差/2 或n1n2 n3
反 2dn2
n1 n2 n1
若n1n2 n3
或n1n2 n3
反射镜 M1
当 M1不垂直于M 2 时，可形成劈尖 型等厚干涉条纹. 反 射 镜
单 色 光 源
G1
G2
M2
迈克尔孙干涉仪的主要特性
两相干光束在空间完全分开，并且反射镜可以移动， 移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.
M'2 M1
d
移动反射镜
d N
d

2
M1
G1
G2
M2
AB BC d cos r
根据折射定律：