Question

薄膜干涉原理图解

Answer 1

薄膜干涉是一种日常生活中很常见的物理现象，对其干涉条件也有比较系统性的研究。但就自然光（太阳光）条件下，往往大于一定厚度的薄膜（也是为什么叫薄膜干涉而不叫膜干涉的原因所在）是不会出现干涉的，而厚度小到与可见光波长相近的肥皂泡，甚至接近分子直径的油膜却可以产生干涉现象。这就与光程差大于光的半波长即可产生干涉的条件相背。也与光是具有动能与动量的粒子假设相背：光子为什么不会穿透薄到与分子直径接近的油膜，反而会在分子表面与底面形成反射？本文就此提出一些不成熟的看法与想法，供有兴趣进一步研究者参考。

一、薄膜干涉现象及机理简介

从上图一和二可知：在太阳光照片下，空气中分布较均匀的微小水滴可使太阳光产生散射并形成类似薄膜干涉一样的彩虹。其机理是：水滴表面的散射光与入射进水滴并被水滴内表面反射出来的透射光合并并照射到人眼时，其复合后的光的主频会因入射进入水滴内部再被反射而透射出来的光程差主要与视角度有关而出现不同颜色的光带：波长与光程差相同或相近或成倍数关系的光将得到加强，其它波长的光将变弱。光程差小的复合后得到加强的光的频率偏高而呈现出蓝色光带，反之呈现出红色光带。视高度大于太阳视高度的水滴产生的光程差随视高度减小，因此，红光带在下方，蓝光带在上方；而视高度小于太阳视高度的水滴产生的光程差随视高度增大，因此红光带在上方，蓝光带在下方。这就是彩虹为什么会出现上下颜色颠倒的原因所在。

图四 薄膜干涉动图

上图三和四为薄膜干涉图像，其原理与彩虹完全相同：薄膜表面的散射光与进入薄膜并被薄膜另一侧面反射回来的透射光合并后进入人眼或照相机后就会因不同视角度的光程差不同而呈现出不同的颜色。当薄膜厚度基本相同时，则因光程差仅与视角度有关，因此，相同视角度上的复合光的颜色相同，从而随视角度不同形成光同颜色的光带。

需要指出的是：同时刻的彩虹或薄膜干涉条纹会因观测者的位置不同而不同。即：站立在不同位置上的人看到的彩虹或薄膜干涉条纹的位置或高度是不尽相同的。

Answer 2


第三版 光学薄膜干涉原理

光是一种电磁波。可以设想光源中的分子或原子被某种原因激励而振动,这种振动导致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。可以证明,电场强度与磁场强度两者有单一的对应关系,同时在大多光学现象中电场强度起主导作用,所以我们通常将电场振动称为光振动,这种振动沿空间方向传播出去就形成了电磁波。

电磁波的波长λ、频率f、传播速度v三者之间的关系为:

v=λ•f

各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样的,即3.0E+8m/s,常用C表示。但是在不同介质中,传播速率是不一样的。假设某种频率的电磁波在某一介质中的传播速度为v,则C与v的比值称为这种介质对这种频率电磁波的折射率。频率不同的电磁波,它们的波长也不同。波长在400~760nm这样一段电磁波能引起人们的视觉,称为可见光。普通光源如太阳、白炽灯等内部大量振动中的分子或原子彼此独立,各自有自己的振动方向、振幅及发光的起始时间。每个原子每一次振动所发出的光波只有短短的一列,持续时间约为1.0E-8秒。我们通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动辐射出来的结果,而观察不到其作为一种波动在传播过程中所能表现出来的特征———干涉、衍射和偏振等现象。这是因为实现光的干涉是需要条件的,即只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的两列光波才是相干光波,这样的两列波辐射到同一点上,彼此叠加,产生稳定的干涉抵消(产生暗影)或者干涉加强(产生比两束光能简单相加更强的光斑)图像,才是我们观察到的光的干涉现象。



光学薄膜可以满足光干涉的这些条件。如图1所示,它表示一层镀在基底(n2)上的折射率为n1厚度为d1的薄膜,假定n1<n2,n0为入射介质的折射率。入射光束I中某一频率的波列W在薄膜的界面1上反射形成反射光波W1,透过界面的光波穿过薄1膜在界面2上反射后再次穿过薄膜,透过界面1在反射空间形成反射波W2。W1和W2是从同一波段中分离出来的,所以频率相同,振动方向相同,所不同的是W2比W1多走了往返两次薄膜厚度的路径,从而造成了它们的相位差。入射光I中相同频率的其他波列同样也有着相同的相位差。对于入射光中其它频率的光也有着类似的讨论。所以在薄膜的界面1与界面2上形成的两束反射光I1与I2是相干光,在它们相遇区域中会产生光的干涉现象。如果我们忽略光在薄膜内的多次反射,只考虑这两束光的干涉,那么W1和W2所经过的路径

Answer 3

△=ntcos(α)λ/2其中n为薄膜的折射率，t为入射点处薄膜的厚度；α是薄膜中的折射角；λ/2是两个相干光束在两个不同性质的界面(一个是光密介质，一个是光密介质到光密介质)上反射产生的附加光程差。薄膜干涉两相干光的光程差公式为△=ntcos(α)λ/2，其中n为薄膜的折射率，t为入射点处薄膜的厚度；α是薄膜中的折射角；λ/2是两个相干光束在两个不同性质的界面(一个是光密介质，一个是光密介质)上反射产生的附加光程差。薄膜干涉原理广泛应用于光学表面的检测、微小角度或直线度的精确测量、抗反射膜和干涉滤光片的制备等。

Answer 4