薄膜干涉
大学物理薄膜干涉
大学物理薄膜干涉薄膜干涉是光学干涉的一种常见形式，它涉及到两个或多个薄膜层的反射和透射光的相互叠加。
薄膜干涉现象的复杂性使得其在实际应用中具有广泛的应用，例如在光学仪器、光学通信和生物医学领域。
本文将介绍大学物理中薄膜干涉的基本原理及其应用。
一、薄膜干涉的基本原理1、光的干涉现象光的干涉是指两个或多个波源发出的光波在空间中叠加时，产生明暗相间的条纹的现象。
干涉现象的产生需要满足以下条件：（1）光波的波长和传播方向必须相同；（2）光波的相位差必须恒定；（3）光波的振幅必须相等。
2、薄膜干涉的形成薄膜干涉是指光在两个或多个薄膜层之间反射和透射时产生的干涉现象。
当光线照射到薄膜上时，一部分光线会被反射回来，一部分光线会穿透薄膜继续传播。
由于薄膜的厚度通常很薄，所以光的反射和透射都会受到薄膜的影响。
当多个反射和透射的光线相互叠加时，就会形成薄膜干涉现象。
3、薄膜干涉的公式薄膜干涉的公式可以表示为：Δφ = 2πnΔndλ，其中Δφ为光程差，n为薄膜的折射率，Δn为薄膜的厚度变化量，λ为光波的波长。
当光程差满足公式时，就会形成明暗相间的条纹。
二、薄膜干涉的应用1、光学仪器中的应用在光学仪器中，薄膜干涉被广泛应用于表面形貌测量、光学厚度控制和光学表面质量检测等方面。
例如，在表面形貌测量中，可以利用薄膜干涉原理测量表面的粗糙度和高度变化；在光学厚度控制方面，可以利用薄膜干涉原理控制材料的折射率和厚度；在光学表面质量检测方面，可以利用薄膜干涉原理检测表面的缺陷和划痕等。
2、光学通信中的应用在光学通信中，薄膜干涉被广泛应用于光信号的调制和解调等方面。
例如，在光信号的调制方面，可以利用薄膜干涉原理将电信号转换为光信号；在光信号的解调方面，可以利用薄膜干涉原理将光信号转换为电信号。
薄膜干涉还被广泛应用于光学通信中的信号传输和处理等方面。
3、生物医学中的应用在生物医学中，薄膜干涉被广泛应用于生物组织的光学成像和生物分子的检测等方面。
薄膜干涉-等倾干涉
在等倾干涉中，光线在薄膜的上、下表面反射后发 生相干，形成干涉条纹。
03
等倾干涉广泛应用于光学仪器、光通信等领域，是 光学干涉技术中的重要组成部分。
等倾干涉的条件
1
入射光束必须为平行光束，且入射角相等。
2
薄膜必须具有一定的厚度，且上下表面反射率相 近。
3
入射光波长需满足一定条件，使得光在薄膜中发 生相干。
发展等倾干涉的数值模拟方法
利用计算机模拟等倾干涉现象，预测不同条件下的干涉结果，为实验设计和优化提供指 导。
等倾干涉的实验研究
探索新型的干涉实验技术和装置
开发更先进、更高效的实验装置和方法，提高干涉实验的精度和可靠性。
拓展等倾干涉的应用范围
将等倾干涉技术应用于更多领域，如光学传感、表面检测、生物医学等，发掘其潜在的应用价值。
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THANKS
薄膜干涉的应用
01
02
03
光学检测
利用薄膜干涉现象检测光 学元件的表面质量、光学 薄膜的厚度和折射率等参 数。
光学信息处理
利用薄膜干涉现象实现光 学信息的调制、滤波和合 成等操作。
光学仪器
薄膜干涉现象用于制造各 种光学仪器，如干涉仪、 光谱仪和望远镜等。
02 等倾干涉原理
等倾干涉的概念
01
等倾干涉是指当平行光束入射到薄膜表面时，在等 倾角的位置上产生干涉现象。
实验设备
分束器
将激光分成反射和 透射光束。
观察装置
包括显微镜和屏幕， 用于观察干涉现象。
激光源
用于提供单色相干 光源。
薄膜样品
需要制备不同厚度 和折射率的薄膜样 品。
测量工具
用于测量薄膜厚度 和折射率。
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。
物理薄膜干涉
Cn
e
B n2
e
sin2 r
2n
2ne
cos r
cos r
又由折射定律：
n sinr n1 sini
2n e cosr
光在界面反射时有
得：
2en cos
r
(0或
2
)
相位突变，则必须 考虑半波损失，加上
(2d
n2
n2 1
si n2
i
)
(0或
) 2
附加光程差
问题：什么情况下加附加光程差？
k2 l
第（k+1）级暗条纹
k 1 k0
Δe
k1 k2
ek
第k级条纹对应的厚度 ek
同一级条纹对应同一膜厚，
ek 1
(2k
k
1)
2n
第k级暗条纹
4n
明纹 (k 1,2 )
暗纹(k 0,1,2
)
故称为等厚条纹或等厚干涉
K=0，对应e=0，为劈尖边缘，叫做边缘暗条纹 ， k=1，e=/2n——第一级暗纹下面的薄膜厚度， e=/4n——第一级明纹下面的薄膜厚度……
sin 2n
太大条纹太密看不清
B. l ，白光照出彩条。
5、应用：
测波长：已知θ、n，测l可得λ 测折射率：已知θ、λ，测l可得 n
e ek1 ek 2n l ek1 ek
sin 2n
测微小角度：已知 n、λ，测l可得微小角度
测细小直径、厚度、微小变化 λ
平晶
n1
4、相邻明纹（或暗纹）间距
2ne
2
k (2k
k 1)
2
1,2,
明纹
k 0,1,2, 暗纹
薄膜干涉概述
2
通常习惯上用入射角i表示光程差：
由于 cos 1 sin2 1 ( n1 )2 sin2 i
n2
2n2e
n22
n12 sin2 i n22
2
2e
n22
n12
sin2
i
2
2
❖透射光的光程差
同理，可得 2e n22 n12 sin2 i
与反射光不同的是，没有半波损失。
3、干涉加强、减弱条件
6
２、光程差分析
S
❖反射光的光程差
S1
设n2＞n1，设薄膜厚度为e,a1、 a2 为两平行相干光。
作 BD⊥AD ， 则 反 射 光 的 光
程差为AＤ，总光程差为
Δ＝n2(AC+CB)－n1AD +
2
a
a1
iD
i
e
A
B
C
a2
n1
n2
n1
界面AB上反射光线a1有半波损失 故有 （也可用 ）
❖为达到反射光干涉相消的目的，
则要求从介质透明薄膜的外界面
ai
（空气与薄膜的接触面）与内界
面（薄膜与透镜等的接触面）上
e
反射回来的光振幅要接近相等，
使干涉相消的合振幅接近于零。
b1
b
a1
n1 1
n2 1.38
n3 1.8
这就要求选择合适的透明介质薄膜，使其折射率介于空气和玻
璃面的某一恰当的数值。通常选氟化镁作增透膜。
射本领，例如，激光管中谐振腔内的反射镜，宇航员的头盔和 面甲等。为了增强反射能量，常在玻璃表面上镀一层高反射率 的透明薄膜，利用薄膜上、下表面的反射光的光程差满足干涉 相长条件，从而使反射光增强，这种薄膜叫增反膜。
薄膜的干涉的原理及应用
薄膜的干涉的原理及应用一、薄膜干涉的基本概念薄膜干涉是指光波在经过透明薄膜时发生的干涉现象。
薄膜是一种在物体表面上有一定厚度的透明材料层。
当光波通过薄膜时，部分光波会被反射，而部分光波会被折射。
这两部分光波在空间中叠加形成干涉。
薄膜干涉现象是由于光的波动性和光在不同介质中传播速度不同的性质所引起的。
主要的原理是反射干涉和折射干涉。
二、薄膜干涉的原理2.1 反射干涉当一束光波垂直入射到薄膜上时，部分光波被反射，部分光波被折射。
反射光波和折射光波之间会发生干涉现象，形成反射干涉。
反射干涉的原理可以用光程差来解释。
光程差是指光波从光源到达观察者的路径长度差。
当反射的两束光波的光程差是波长的整数倍时，它们会相干叠加，形成明暗相间的干涉条纹。
2.2 折射干涉当光波从一个折射率较高的介质进入到一个折射率较低的介质中时，光波会发生折射。
在这个过程中，反射和透射的光波之间也会发生干涉。
折射干涉的原理与反射干涉类似，都是由光程差引起的。
当折射的两束光波的光程差是波长的整数倍时，它们会相干叠加，形成干涉条纹。
三、薄膜干涉的应用薄膜干涉在许多领域中有着广泛的应用，下面列举了几个主要的应用：3.1 光学镀膜薄膜干涉在光学镀膜中有着重要的应用。
通过在光学元件的表面上镀上特定的薄膜，可以改变光学元件的反射和透射特性。
利用薄膜的干涉效应，可以实现对特定波长的光的反射和透射的选择性增强或减弱，从而改善光学元件的性能。
3.2 惠斯托克森干涉仪惠斯托克森干涉仪是一种基于薄膜干涉原理的光学仪器。
它由两个平行的透明薄膜组成，在光路中产生干涉现象。
通过观察干涉条纹的变化，可以测量物体的形状、厚度和折射率等参数。
3.3 光学薄膜滤波器光学薄膜滤波器利用薄膜干涉的原理，可以选择性地透过或反射特定波长的光。
这种滤波器在光学传感器、摄像机、光学仪器等领域中广泛应用，用于分离和选择特定的光谱成分。
3.4 光膜干涉显示技术光膜干涉显示技术利用薄膜的干涉效应，在显示屏上产生出明亮、清晰的图像。
薄膜干涉
L
ii
12
n
讨论
n > n
• 条纹间隔分布: 内疏外密 n
r
d
2dn cosr k k 1,2,...
r
2
rk 越大条纹越密
2dnsin r
内疏外密
o r环 P
ii
S
L
ii
1 2
讨论
n
• 膜厚变化时，条纹的移动： n > n
2dn
2
k0
n
2 cos r
1
2
2dn 1 2d sin r n sin i
2 cos r
cos r 1
2
折射定律
S
n n
1
2L
P
●
●
sin i n 2
sin r n 1
1
2
iD
n1
i
3
n sin i n sin r
1
2
n2
Ar r
C
d
n1
B
2dn 1 2d sin r n sin i
n
n2 ( AB
n
BC )
(n1 AD
2
)
?
1
2
光线 2 是光由光疏媒质入射到光密媒质反射而成，
在反射点要发生半波损失，所以产生附加光程差。
过A点做两介质面的法线 S ●
n n
1
2L
P
●
光线入射角为i
1
2
折射角为r
iD
n1
i
3
光线 2和光线3，
薄膜干涉
条纹形状：一系列明、暗相间的圆环。
e m a h x 12 n,5 m 2 n 2 h 0 k n 2 h
e
k2n 2h21.2 6 1 1 .27 0 5 16 05n 3
k=0,1,2,3,4,5级明纹可看到，共6级
k0,e0; k1,e 25 n0 ;m 2 . n2
k 2 ,e2 5n 0;m 0 k 3 ,e3 7n 5;
k2 , n 1 e5n 52 m 绿色
k3, 3 2n1.e36n8m
(2) 透射光的光程差 透 2n 1 e/2k
k1, 2n1e 22n0m 8
11/2
紫 k2, 2n1e 73n6m 红光
红
21/2
色 k3, 2n1e 44.6n 1m紫光
31/2
k4, 2n1e 31.4n 5m
则透2n2e2k（增强）
99.6nm .
k 1, 2...
此膜对可见光有无增反作用？
23
n1
n2
e
玻璃 n3 n2
氟化镁为增透膜
反 2 n 2 e m ik n k 1 ,2 ,3 ...
2n2emin
k
k1, 127A 48
对可见光无增反作用
.
例2 一油轮漏出的油(折射率n 1 =1.20)污染了某
n1n2n3; 要加 n1n2n3; 不加
2 2
当光线垂直入射时 i 0
反
2n2e
2
23
n1
n1
n2
n2
n3
.
n3
4、 分类
反 2en2 2n1 2si2n i/2
(i,e)
i一定, (e)等厚干涉（重点)*. e一定, (i)等倾干涉（了解）
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1
2
,
2 nd ( 2 k 21 2 7 2 k 2 1 1 5
即： 10 k1 5 14 k2 7
求得：
k1 3 ,
k2 2
2 k1 1 d 1 673nm 4n
例题 4-7：
白光垂直入射在肥皂膜上，观察反射光，在可见光中对λ1= 600 nm 的光 有一干涉极大，而对λ2 = 450 nm的光有一干涉极小。肥皂膜折射率为 n = 1.33，求满足以上条件时，肥皂膜的最小厚度。
解：设半径为r处空气膜厚度为e ：
2e
2
( 2k 1 )
2
2e k
R2 R1
2 R1 r 2 ( R1 e1 )2 2 R2 r 2 ( R2 e 2 )2
r 2 2 R1e1 2 r 2 R2 e 2
解：
细丝处正好是第8级暗条纹中心， 由暗纹条件：
L 2d
2 ( 2k 1 )
2
λ
k = 8 时：
D k
2
D
2.36 m
例题 4-10：
一精细加工的工件与平板玻璃形成劈尖。当单色光正入射时，看到上 图所示的条纹。问：⑴ 工件表面有凹槽还是凸槽？⑵ 槽的深度（或 高度）是多少？
解： 未充液体时第10环的直径为：d 10
1 2 ( k )R 2
1 ( k ) R 2 充了液体后第10环的直径为： '10 2 d n
d 10 n d'10
d 10 2 n( ) 1.215 d'10
例题 4-12：
图示平凸透镜的凸面是一标准样板，其曲率半径 R1 = 102.3 cm。另一凹 面镜的凹面是待测面，半径为 R2。用波长为λ= 589.3 nm 的纳黄光垂直 入射，测得牛顿环第 4 暗环的半径 r = 2.25 cm。求 R2 的大小。
2 n1d 1
2
i=0
(k 1)
得： d 1
4 n1
67.3nm
2 n2 d 2
2
(k 1)
共 13 层
n1 n2
d1 ZnS d2 MgF2
得： d 2
4 n2
n2 n1 n2 n1
d2 MgF2 d1 ZnS d2 MgF2 d1 ZnS
114.6 nm
rk2 m rk2 ( k m )R kR mR
2 2 rk2 m rk2 Dk m Dk R m 4 m
例题 4-9：
把直径为D的细丝夹在两块平板玻璃的一边，形成空气劈尖。在 λ=589.3nm 的钠黄光垂直照射下，形成如图上方所示的干涉条纹。求 D为多大？
解： ⑴ 看到圆形等厚干涉条纹； ⑵ 干涉亮纹满足（无半波损失）：
2 nd k k 2 nd
4.8
(k 0 ) (k 1) (k 2) (k 3) (k 4 )
取： kmax 4 得：
0.0 nm 250.0 nm k d 500.0 nm 2n 750.0 nm 1000.0 nm
r 2 R 2 ( R d )2 2 Rd d 2 2 Rd
r 2 Rd ( L
牛顿环仪
2
)R
明环半径
暗环半径
r
1 ( k )R 2
r
kR
O点处：d = 0、 Δ L = λ /2 —→ 暗斑
以O为圆心的一 组同心圆环
牛顿环可应用于测量透镜曲率半径、检查表面平整度等。 例：测量透镜的曲率半径 R 。 设测得 k、k+1 级暗环的半径为 rk、rk+m，则
e2
e
r
e1
r2 1 1 1 e e1 e 2 ( ) k 2 R1 R2 2 R1 r 2 解得： R2 2 102.79cm r kR1
增透膜：
在透镜表面镀上折射率为n的透明薄膜，并 使n1<n<n2，波长为 λ 的入射光垂直入射。
i=0 n1 d n
n2
当 L 2 nd ( 2 k 1 ) 时，反射光被削弱，透射加强。 取 k 0 ，得 nd
例： ( 0.9 )20 0.12 , ( 0.99 )20 0.82
d k 2 2 338 nm 2n
k1 2 ,
k2 2
例题 4-8：
平板玻璃（ n0 = 1.50 ）表面有一展开成球冠状的油膜（ n = 1.20 ），用 波长λ= 600nm的单色光垂直入射，从反射光中观察干涉条纹。 ⑴ 问看到的干涉条纹是什么形状的？ ⑵ 若油膜最厚处厚度为1200nm时，可看到几条亮纹？亮纹处油膜多厚？
解：
设膜的厚度为d，则：
1 2 nd 1 k11 2 nd ( k1 )1 2 2 2 nd 2 ( 2 k 1 ) 2 2 nd k 2 2 2 2 2 1 k1 2 2 3 k2 1 4
即： 4 k1 2 3k2 求得：
4
2
nd：光学厚度
例：n1 = 1.0，n2 = 1.52，n = 1.38（MgF2），λ = 5500Ǻ（白 光中心波长）。 则增透膜最小厚度 可以证明：当 n
d
4n
0.10 m
n1 n2 时（如 n
1.52 1.23 ),
反射光完全消失。
增反膜（高反膜）：
如He—Ne激光器谐振腔上的反射镜通过在玻璃上交替镀上高折 射率材料ZnS（n1=2.35）和低折射率材料MgF2（n2=1.38），可 对λ=6328Ǻ的单色光反射率大于99% 。
d
2 nd 2 ( 1 sin r ) cos r 2
b''
2 nd 1 sin r
2
2
2 1 2
n1 sin i n sin r n1 n n2
2
即： L 2d n n sin i
2
L 2d n n sin i
2 2 1 2
d n
2
对空气劈尖： l
2 sin
暗条纹 α
dk
dk+1
可见：α大则 l 小，α小则 l 大。
劈尖：平行等间隔条纹
⑵ 牛顿环：
C
设单色光垂直入射（i = 0），n = 1
k L 2 nd 2 k 1 2 2
λ
R（很大）
明环
暗环
O
r
d
§4.3 薄膜干涉 （分振幅法）
1、光程差公式：
L n ( AC CP ) n1 AB
2 nAC n1 AP sin i
S
2
n1
a
a'
i
A
2
B i r C a''
b' P
L
2n
d sin r 2d n sin r cos r cos r 2
n
n2
2
n1
S
a
i B i
a'
b' L
讨 论 ⑴ 干涉条件：
A
P r C
a'' b''
n
d
L k
L ( 2 k 1 )
2
— 相长干涉 — 相消干涉
n2
⑵ n1 < n > n2 或 n1 > n < n2 时，a'与b'之间有半波损失。 n1 > n > n2 或 n1 < n < n2 时，a'与b'之间无半波损失。 ⑶ 当i不变、d变，则d相同处出现同一条纹 —— 等厚干涉； 当i变、d不变，则i相同的入射光产生同一条纹 —— 等倾干涉； ⑷ 透射光 a'' 、b''间的光程差与 a' 、b'间的光程差相差λ / 2。
玻璃 n=1.52
例题 4-6：
波长可连续变化的单色光垂直入射于折射率为n1=1.30的油膜上，油膜覆 盖在折射率为n2=1.50的玻璃板上。若波长为λ1= 500nm 和λ2= 700nm的反 射光完全相消。求油膜的最小厚度。
解：
设膜的厚度为d，则（无半波损失）：
2 nd ( 2 k1 1 )
解： ⑴ 由条纹突起的方向可判断是凹槽。 ⑵ 由下图：
a sin h b sin sin sin a h b 2
a
h
a
b
2
2b
α
b a
h
dk
解得：
dk+1
h
例题4-11：
当牛顿环装置中的透镜与玻璃板间充以某种液体时，牛顿环中第 10个亮 环的直径由 1.40 cm 变为 1.27 cm ，求这种液体的折射率。
2、等厚干涉：
⑴ 劈尖干涉： 设单色光垂直入射（i = 0）
k L 2 nd 2 k 1 2 2
λ
α
n
明条纹 暗条纹
∵存在半波损失，∴棱边处为暗条纹。 条纹间距： l
n d sin 2 sin 2 n sin
l k k+1