薄膜干涉的應用

摘要:薄膜干涉作為一種光的干涉現象，在現實中應用很多，本文介紹了其在檢查平面的平整程度、解釋牛頓環、增透膜三方面的應用。

關鍵詞:薄膜干涉;檢查;增透膜;牛頓環

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)3(S)-0054-3

光照射到薄膜時，從薄膜的前后表面或上、下表面分別反射出兩列波能夠發生干涉。在薄膜的某一厚度，兩列反射光波同相，疊加后互相加強，產生明紋，而在另一厚度處，兩列反射光波恰恰反相，疊加后互相減弱，出現暗紋。由于在不同厚度處產生不同的條紋，所以單色光照射薄膜產生明暗相間的條紋。

用白光照射薄膜時，不同厚度處出現不同色光的亮紋，形成彩色的干涉圖樣。

薄膜干涉的應用有以下幾方面:

1 用干涉法可以檢查平面的平整程度

在磨制各種鏡面或其他精密部件時，對加工表面的形狀可以用干涉法檢查。如果被檢查的表面是一個平面，可以在它的上面放一個透明的標準樣板，并在一端墊一個透明的標準樣板，使樣板的標準平面和被檢查的平面間形成一個楔形的空氣薄層，用單色光從上面照射，入射光從空氣層的上、下表面反射出兩列光波，于是從反射光中就會看到干涉條紋。如果被測表面是平的，那么空氣層的厚度相同的各點就位于一條直線上，因此產生的干涉條紋就是平行的;如果被測的表面某些地方不平，那里空氣層的厚度相同的各點不再位于同一直線上，因此產生的干涉條紋就要發生彎曲，從干涉條紋彎曲的方向和程度還可以了解被測表面的不平情況。這種測量的精度可達10-6cm。

例1 如圖1所示，用單色光照射透板M來檢驗平面N的上表面的平滑程度，觀察到的現象如圖中所示的條紋中的P和Q的情況，這說明( )

A.N的上表面A處向上凸起

B.N的上表面B處向上凸起

C.N的上表面A處向下凹起

D.N的上表面B處向下凹起

分析 利用光的薄膜干涉來檢查平面的質量，就是由標準樣板平面和被檢查平面間形成一個楔形的空氣薄膜層，用單色光從上面照射，入射光在空氣層的上、下表面反射形成的兩列相干光束，如果被檢測的平面是平的，那么空氣層的厚度相同的各點的干涉條紋在一條直線上。若是被檢測的平面的某處凹下去了，這時干涉條紋就不是直的，在凹處的干涉條紋將向楔形膜中薄的一側彎曲。這是因為凹處的兩束反射光的光程差變大，它只能與膜厚一些的位置的兩反射光的光程差相同而形成同一級的條紋(光程差相同的干涉條紋為同一級，一般光程差大的干涉條紋級別高，光程差小的級別低)，顯然凹處的級別增大，將與膜厚一些位置的干涉條紋形成同一級別的條紋。

同理，若是被測平面某處凸起，則該處的干涉條紋將向楔形膜中厚的一側彎曲。故BC正確。

2 解釋牛頓環

在一塊平面玻璃與一塊曲率半徑很大的平凸透鏡之間形成一個上表面是球面，下表面是平面的空氣薄膜，當用單色光垂直照射時，從上往下觀察會看到以接觸點為中心的一組圓形干涉條紋，這是由環空氣劈尖上下表面反射的光反射的光發生干涉而形成的條紋。由于以接觸點為中心的任一圓周上，空氣層的厚度是相等的，因此這種條紋是等厚干涉條紋，稱為牛頓環。牛頓環的特征是以接觸點為中心的一系列明暗相間、間距逐漸減小的同心圓環，且中心是一暗圓斑。

3 增透膜

在光學儀器中，為了減少光在光學元件(透鏡、棱鏡)表面的反射損失，可用薄膜干涉相消來減少反射光。像照相機、測距儀、潛望鏡上用的光學元件表面為了減少光的反射損失都鍍上了介質薄膜(氟化鎂)，使薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長的14，這樣反射回來的兩列光經過路程差恰好等于半個波長，它們干涉后就相互抵銷(這一薄膜減少光學表面反射造成的光能損失，增強了透鏡透光的能量，故稱為增透膜)。

而入射光一般是白光，增透膜不可能使所有的單色光干涉抵消。由于人眼對綠光最敏感，一般增透膜的厚度做到使綠光垂直入射時完全抵消，這時紅光和紫光沒有顯著消弱，所以有增透膜的光學鏡頭顯淡紫色。

例2 為減少光在透鏡表面由于反射帶來的損失，可在透鏡表面涂上一層增透膜，一般用折射率為1.38的氟化鎂，為了使波長為5.52×10-7m的綠光在垂直表面入射時使反射光干涉抵消，求所涂的這種增透膜的厚度?

解析 若綠光在真空中的波長為λ0，在增透膜中的波長為λ，由折射率與光速的關系和光速與波長及頻率的關系得:

例3 市場上有種燈具俗稱“冷光燈”，用它照射物品時能使被照物品所產生的熱效應大大降低，從而廣泛應用于博物館、商店等處。這種燈降低熱效應的原因之一是在燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面鍍上了一層薄膜(如氟化鎂)，這種膜能消除不鍍膜時玻璃表面反射回來的熱效應最顯著的紅外線。以λ表示此紅外線的波長，則所鍍薄膜的厚度最小應為( )

A.18λB.14λ

C.12λD.λ

解析 為減小反射的熱效應顯著的紅外線，則要求紅外線在薄膜的前后表面反射后疊加作用減弱，即光程差為半波長的奇數倍，故膜的最小厚度為紅外線在該膜中波長的14，故B選項正確。

(欄目編輯王柏廬)