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§20.3 薄膜干涉
日常生活中的一些现象
一、薄膜的等倾干涉
§20.3.1 薄膜的等倾干涉
S为一个面光源,M为半反射半透射平面镜。发光面上一点发出的光线中,以相同倾角入射到膜表面上的光线在同一个锥面上,它们的反射线经透镜会聚后分别相交于焦平面上的同一个圆周上。因此,形成的等倾条纹是一组明暗相间的同心圆环。
对于厚度均匀的薄膜,扩展光源投射到薄膜上的光线的光程差,是随着光线的倾角(即入射角i)不同而变化的。
倾角相同的光线都有相同的光程差 ,因而属于同一级别的干涉条纹,这种干涉叫做等倾干涉。
点光源照射到表面平整,厚度均匀的薄膜上产生的干涉条纹。
n1n2
2
3
在第一界面的反射为被光疏媒质的反射,无位相突变。 在第二界面反射时为被光密介质的反射,有位相突变(或半波损失)。
光线2、3间有附加位相差。
n1n2
2
3
n1n2
2
3
1、干涉极大
二、薄膜干涉明暗纹条件
2、干涉极小
·
L2
P
O
r环
a
c
d
·
a2
a1
S
·
·
b
·
等倾干涉条纹为一系列同心圆环内疏外密;内圆纹的级次比外圆纹的级次高
膜厚变化时,条纹发生移动。当薄膜厚度增大时,圆纹从中心冒出,并向外扩张,条纹变密
三、 透射光的干涉
n1n2
2
3
4
5
4、5两束光的光程差:
两次半波损失抵消
n1n2
2
3
4
5
k=1,2,......明
k=0,1,2,......暗
透射光也是明暗相间圆形等倾条纹。
对应某入射角 i : 反射光明暗条纹与透射光的互补
·
L2
P
O
r环
A
C
D
·
a2
a1
点光源S
·
·
B
·
四、点光源与面光源:
点光源照射
面光源照射
f
入射角相同的光线分布在锥面上,对应同一级干涉条纹。
面光源上不同点而入射角相同的入射光,都将汇聚在同一级干涉环上(非相干叠加),因而面光源照明比点光源照明条纹明暗对比更鲜明。
(2)形状:一系列同心圆环;
(3)条纹级次分布:
(1)定域:条纹经会聚才能观察,定域为无穷远;
五、条纹特征:
靠近环心的条纹干涉级别高;
(4)条纹间距:入射角增加时,条纹间距减小,内疏外密;
(5)观察等倾条纹,没有光源宽度和条纹可见度的矛盾 !
(6)反射光和透射光的干涉图样互补。
增透膜:
能减少反射光强度而增加透射光强度的薄膜。
六、等倾干涉的应用:
增反膜:
能增加反射光强度而减少透射光强度的薄膜。
增透膜基本原理
多层高反射膜
在玻璃上交替镀上光学厚度均为/4的高折射率ZnS膜和低折射率的MgF2膜,形成多层高反射膜。
【例20-3】空气中肥皂膜(n2=1.33),厚为0.32m。如用白光垂直入射,问肥皂膜呈现什么色彩?
n2
空气
空气
解:
垂直入射,1个半波损失
肥皂膜呈现的色彩
反射光干涉极大
可见光
肥皂膜呈现的色彩黄绿光
【例20-4】平面单色光垂直照射在厚度均匀的油膜上,油膜覆盖在玻璃板上。所用光源波长可以连续变化,观察到5000Å与7000Å这两波长的光在反射中消失。油膜的折射率为1.30,玻璃折射率为1.50,求油膜的厚度。
解:
垂直入射,两个半波损失抵消
两波长的反射光为两次相邻的相消干涉:
两波长的光在反射中消失
通过光源波长连续变化观察
两波长的反射光为两次相邻的相消干涉:
【补充例】平行单色光垂直照射到薄膜上,经上下表面反射的两束光发生干涉,若薄膜厚度为 e,且 n1 n2 n3, 1 为入射光在折射率为n1的媒质的波长,则两束光在相遇点的相位差为:
求
解:
【补充例】一油轮漏出的油(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。油层厚度为 e =460nm,
(1)若一飞行员从上向下观察, 则油层呈什么颜色?
(2)若某潜水员从水下向上观察,则油层呈什么颜色?
(1)两反射光均有“半波损失”,则反射光干涉加强的条件为
飞行员看到油膜呈绿色
将n1 =1.20 , e =460nm代入得
绿光
红外区
紫外区
(2)透射光干涉加强(即反射光干涉减弱)的条件为
潜水员看到油膜呈紫红色
将n1 =1.20 , e =460nm代入得
红光
红外
紫光
或
紫外
(2)要实现增强透射光,则两处的反射光应干涉相消,干涉相消的条件为:
k为整数
解:
【补充例】 空气中有一水平肥皂膜,设折射率为n =1.33,厚度为e =3.20×10-7 m,如果用白光垂直照射,该膜的正面呈什么颜色,在背面呈什么颜色?
解:光在肥皂膜上表面反射时有半波损失,由反射光加强的条件得:
绿色
由反射光减弱的条件得:
紫色
可见光范围如下:(真空,单位为nm )
d
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