薄膜干涉的若干问题探讨，本文主要内容关键词为：薄膜论文,若干问题论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题1：在观察牛顿环干涉装置中，用钠光或激光照射，能否观察到平凸透镜玻璃两表面反射产生的干涉条纹
在观察牛顿环干涉装置中，我们看到的干涉条纹是照射光在空气膜的两表面反射形成的相干光干涉的结果。如果用钠光或激光照射，能否观察到平凸透镜玻璃两表面产生的干涉条纹呢？
要讨论这个问题，必须讨论光源的发光机制。从经典物理的观点看，光波是光源中大量分子、原子的振动而发射的电磁波。由于大多数物体都是原子的振动发光，所以下面只讨论原子发光问题。当原子发光时，由于辐射造成的能量损失以及发光的原子受到其他原子的作用，它们所发出的光波不可能是理想的单色光，而是一些断断续续的波列。即使在非常稀薄的气体中，各原子的相互作用几乎可以忽略的情况下，它们发射的波列的持续时间也不会超过一亿(
)分之几秒。在一次发射过程终止以后，又能够重新开始发光。但此时所发光波已具有新的振动方向和相位。普通光源中原子的发射是一种随机过程，每一个原子先后发射的波列之间，以及不同原子发射的波列之间，在振动方向和相位上没有什么联系。假设光源中原子每次发光的持续时间为
，相应波列的长度为
，则它们之间的关系为
，式中c为光波在真空中的传播速度。由于原子的发光是完全无规则的，它相继发射的各波列之间完全没有确定的相位关系。如果想用普通光源产生干涉现象，必须将同一原子发出的一列波一分为二，例如通过双缝（图1），使它们经过不同的光程后相遇。但是，只有当它们到达P点的光程差小于波列长度，或者说它们到达P点的时间间隔小于波列的持续时间，即由同一波列分成的两波列中，一波列尚未完全通过P点时，另一波列的前端已到达P点，这两列波才能产生干涉。因此我们称为相干时间，为相干长度。
用钠光或激光垂直照射平凸透镜时，平凸透镜两表面反射光的光程差为对应玻璃厚度的2倍，由于钠光的相干长度大约为3cm，而激光的相干长度竟是15km，所以不能看到平凸透镜两表面反射的钠光的干涉条纹，但能看到激光的干涉条纹。
图1
二、问题2：肥皂膜和增透膜的干涉结果为何不同
在增透膜干涉中，当薄膜厚度是入射光在薄膜中波长的
时，在薄膜的两个表面上的反射光相互抵消，呈现暗纹；而在肥皂膜干涉中，当薄膜厚度是入射光在薄膜中波长的时，薄膜前后两个表面反射光则是相互加强的，呈现亮纹。这两种薄膜干涉的结果恰好相反，其原因是什么？
要解释这个问题，必须先搞清楚光在两种介质分界面反射时可能产生的“半波损失”及其产生的条件。
光在两种物质界面反射时，光发生大小为π的相位突变，相当于光少走了半个波长的距离，这种现象称为“半波损失”。但是并不是光在所有界面反射时都会发生“半波损失”现象。只有光从光疏介质射向光密介质时，反射光才会发生“半波损失”。
当光射到肥皂膜前表面时，光是由光疏介质（空气）射向光密介质（肥皂膜），发生“半波损失”；但透射入肥皂膜的光射到下表面时，光是由光密介质（肥皂膜）射向光疏介质（空气），反射光无“半波损失”。因此，肥皂膜前后两表面在反射光时，由于“半波损失”相当于使两束反射光间增加了半个波长的光程差，加上由路程差而引起的半个波长的光程差，两相干光实际相差一个波长的光程差，因此在厚度为光在肥皂膜中波长处，肥皂膜干涉出现了亮纹。
增透膜干涉情况与肥皂膜不同，例如摄影机镜头上的增透膜由氟化镁制成，其折射率为1.38，比空气的折射率大，比玻璃折射率(n=1.52)小。射向增透膜前后表面的光都是由光疏介质射向光密介质，前后表面的反射都存在“半波损失”，并未给两反射光间增加新的光程差。因此在增透膜厚度为膜中波长处，增透膜干涉出现了暗条纹。
由以上分析可知，同为厚度是光波波长的肥皂膜和增透膜，干涉的结果却相反，这是由于薄膜及与薄膜两表面接触的介质的折射率间大小关系不同而引起的。
三、问题3：薄膜的透射光干涉与反射光干涉结果为何相反
若两束相干光均在同一种介质中传播时，只要计算出两相干光到达相遇点的几何路程差△r，就可根据
确定两相干光的相位差。但当两束光分别通过不同介质时，由于同一频率的光在不同介质中的波长不同，就不能只根据几何路程差来计算相位差了。因此，需引入光程这一概念。
设频率为v的单色光，在真空中的波长为λ，传播速度为c；当它在折射率为n的介质中传播时，传播速度变为
，所以波长
。这说明，一定频率的光在折射率为n的介质中传播时，其波长为真空中波长的
。根据波行进一个波长的距离，相位变化2π，若光波在该介质中传播的几何路程为L，则相位变化为
(1)式表明，光在折射率为n的介质中通过几何路程L所发生的相位变化，相当于光在真空中通过nL的路程所发生的相位变化。所以物理学就把折射率n和几何路程L的乘积nL叫做光程。有了光程这一概念，我们就可以把单色光在不同介质中的传播路程，都折算为该单色光在真空中的传播路程。
当一束光入射到薄膜上时，它将在薄膜前后两表面处产生多次反射和折射，形成多束反射光和折射光，如图2所示。反射光线2和1的光程差
其中
是由于光线2反射时相位突变产生的附加光程差。
图2
设薄膜的厚度为d，由图3可得
四、问题4：薄膜干涉图样能用光屏接收吗
如果用点光源照射薄膜，它发出的光经薄膜的两表面反射后在其交叠区域内形成干涉场，对于场中的任意一点，根据反射定律皆可以找到经两表面反射的一对相干光线通过它（图3）。只要求出这对光线的光程差，就可确定该点的干涉光强。对于任意选定的场点，此光程差是唯一的；而对于不同的场点，例如图3中
，光程差各不相同，所以在干涉区域内形成稳定的光强分布。如果把光屏放在干涉区域中，只要光源足够强，在光屏上就能呈现干涉条纹。这样的干涉称为非定域干涉。
图3
如果用扩展光源照射薄膜，扩展光源可看成是由连续分布的无数的点光源组成，这些点光源是非相干的，空间某一点的光强是这些点光源各自产生的干涉光强之和，没有固定的光强度的相长和相消现象。如果在于涉场中该点放一接收屏，光源上各点在接收屏上各自生成一组干涉条纹，由于各点光源位置不同，它们产生的干涉图样彼此错开，使得可见度下降为零，光屏上观察不到干涉图样。
但在薄膜表面附近，只要接收系统的入射光瞳很小（如人眼或低倍显微镜），从扩展光源上各点来的各对相干光线有几乎相同的入射角和膜厚，从而有近乎相同的光程差，产生相近的干涉效应，因此在膜表面附近有等厚的干涉图样存在。如果将接收器对薄膜表面调焦，就可以在其共轭面内呈现干涉图样。薄膜的透射光干涉也是如此。也就是说，这种情况下的薄膜干涉图样可以用肉眼直接观察，但不能用光屏直接接收。如果把光屏放在肥皂膜后，在光屏上只能看到一片明亮区域。