（毕业设计论文）《薄膜干涉的若干问题探讨》.docVIP

学 士 学 位 论 文 题 目 薄膜干涉的若干问题探讨 学 生 *** 指导教师 ***教授 年 级 *级 专 业 物理学 系 别 物理系 学 院 物理学院 2012年5月 薄膜干涉的若干问题探讨 摘要：通过本文深入理解薄膜干涉的基本原理，了解在扩展光源的照明下在交叠区的任何地方并非都能观察到干涉条纹，也能通过本文知道薄膜干涉图样能否用光屏接收的问题。薄膜干涉作为一种光的干涉现象，在现实中应用很多，本文也在检查平面的平整程度、解释牛顿环和增透膜等方面的应用做了详尽的叙述。 关键词：薄膜 干涉 光学 薄膜干涉的原理 光是一种电磁波，具有波动性。干涉现象是光的波动性的基本特征之一。只有频率相同、振动方向相同或有相同的振动分量、相位相同或是相位差保持恒定的两个相干光源所发出的光波才是相干波。膜层之间的反射光和透射光满足光相干的条件，可形成干涉。利用光程差的概念可以方便地讨论薄膜干涉作用。 图1 薄膜干涉 如图1所示，薄膜上下两个界面平行，从光源上一点射出单色光入射的薄膜上，一部分光在上界面，一部分光在上界面上反射（振幅为），另一部分透过上界面，在下界面上反射，然后在透过上界面射出（振幅为），光线（1）和（2）满足光干涉条件，因而在无穷远处长生干涉。两光线的干涉强度决定于他们的光程差，作CD垂直于光线（1）。利用图中所示的几何关系的折射定律，可以得到光线1和光线2的光程差为 （1） 相应的位相差为 （2） 如果不考虑光在上下两个界面反射时的位相跃变，则当光程差为(=O，1，2，?)时，将产生相长干涉：当(=O，1，2，?)时将产生相消干涉。称为薄膜的有效光学厚度，而则称为有效相位厚度。当光束照射到平行平面薄膜上时，光束在薄膜两表面上要多次反射，因而产生一组反射光束和一组透射光束，如图2所示。 图2 多光束干涉 当薄膜表面的反射系数不高时，我们只考虑头两束光的作用，忽略反射两次以上的光束，把多光束干涉作为双光束干涉处理。多光束干涉强度的计算，原则上和双光束完全相同，也是先把振动迭加，再计算强度，差别仅在于参与干涉的光束由两束增加到多束。至于计算方法则以采用复振幅最为方便。 薄膜干涉的定域问题 在普通物理教科书中，对薄膜干涉的定域问题讨论较略，通常只有一些简单的结论，如对均匀平行薄膜情况下，干涉条纹定域于无限远；尖劈薄膜情况下，干涉条纹定域于膜表面等，并未对干涉的定域问题作必要的阐述，因此造成了认识上的混乱和误解。那么，干涉定域问题是怎样产生的呢？ 图3 薄膜表面干涉 图3 薄膜表面干涉 （一）对点光源情形 如图3所示，由单色点光源发出的光照射到薄膜上经薄膜上下表面反射，对于空间任意点，总可以从点光源发出的光束中，根据反射和折射定律找到两条经薄膜上下表面反射的光线相交于该点。由于它们来自同一点光源，因而必是相干的，其干涉强度取决于两束光的光程差，在不计界面处的位相突变情况下，其光程差为 （3） 式中是薄膜的折射率，是入射点处膜的厚度，是光线在薄膜内的倾角。由上式知，对于空间的不同点，和不同，光程差不同，故干涉强度不同，其结果是在空间形成稳定的干涉强度分布。若把接收屏放在空间某一位置，只要光源有足够的亮度，我们就能观察到明暗相间的干涉条纹。可见，在点光源情形下，不论是均匀薄膜还是尖劈薄膜，空间处处有干涉。换言之，点光源产生的干涉是非定域的。 图4 观察等倾条纹实验装置的透视图 图4 观察等倾条纹实验装置的透视图 光源 接收屏 半反射板 （二）对扩展光源情形 若光源为具有一定宽度的扩展光源，由于扩展光源上各点光源是非相干的，它们在空间形成各自的干涉强度分布。对空间任一固定点来说，各光源点在该点的光程差将因、的不同而有所不同。换言之，各光源点形成的干涉强度分布彼此存在一定的位移，这些干涉强度分布非相干叠加的直接结果将造成强度均匀分布，从而不显干涉。 然而，借助仪器我们有可能在空间找到某些特定的区域，上述非相干迭加不致造成强度均匀分布，从而使我们得到强弱相间的分布，此时我们说干涉条纹定域于这些区域。如利用如图4所示的装置，在透镜焦面上观察。从扩展光源上每一点发出的光，经薄膜上下表面反射，在透镜的焦面上形成干涉条纹。从图中可见，扩展光源上不同光源点发出的光束中，只有彼此平行的光线经过薄膜上下表面反