七、分振幅干涉(§14-7)

    1. 薄膜干涉

    入射光被薄膜的上、下两个表面反射和折射所分解的各部分光波之间的干涉现象,就是薄膜干涉。在学习中应注意以下几点。

    (1)  等倾干涉是在薄膜厚度均匀、而入射光具有不同的入射角的情况下,发生的干涉现象。具有相同入射角的光所形成的反射光相位相同,处于同一条干涉条纹上。

    在等倾干涉中,薄膜上、下两个表面对同一条入射光的反射光线是相互平行的,也就是说,它们将在无限远处相遇而发生干涉,所以干涉条纹必定出现在无限远处,若使用会聚透镜,干涉条纹将呈现在透镜的焦面上。

    (2)  等厚干涉是在薄膜厚度不均匀、而入射光具有大致相同的入射角的情况下,发生的干涉现象。薄膜厚度相同的地方形成的反射光相位相同,处于同一条干涉条纹上。

    在等厚干涉中,当薄膜很薄时,只要光到达薄膜的入射角不大,可以认为干涉条纹出现在薄膜的表面,用眼睛可以直接观察到。

    (3)  实际的干涉情况住往比较复杂,在等倾干涉中不能保证薄膜上、下两表面严格平行,而在等厚干涉中有时也不能确保入射角绝对相等。所以,在以等倾干涉为主的干涉现象中存在等厚干涉的成分,在以等厚干涉为主的干涉现象中也会有等倾干涉的成分。

    (4)  在观察等倾干涉时常用面光源,试问:用点光源是否可以?

    大家说,用点光源同样可以观察到等倾干涉条纹,只是所产生的干涉亮条纹比较暗淡些罢了。在使用面光源的情况下,等倾干涉亮条纹的强度会大大加强。大家用图14-2来说明这个问题。图中SS ¢,是面光源上两个小区域,它们发出的射向薄膜的入射光中各有一条光线(II ¢ )具有相同的入射角i,被薄膜的两个表面反射而形成光线121¢2¢12是相干的,1¢2¢也是相干的。由于12的光程差和l¢2¢的光程差相等,所以它们干涉后形成暗点或形成亮点的情况是相同的,经透镜L会聚于T点。若12干涉形成亮点,则1¢2¢干涉也形成亮点,T点的光强度显然比由II ¢单独形成的干涉亮点的光强度要强。面光源上有无数个这样的小区域,所以T点的光强度比用点光源要强得多。

    (5)  观察等厚干涉一般采用平行光,或距薄膜较远的光源,或观察干涉条纹用的仪器的孔径很小,以致在整个视场内光线到达薄膜具有相同的入射角,使干涉光束之间的光程差主要由薄膜厚度的差异所决定。

14-2

    (6)  通常把反射波相位发生 p 突变或产生附加相位差 p的现象,称为半波损失。在薄膜干涉的情况下,由薄膜上、下两表面反射的光束之间产生的附加相位差(不包括由光程差引起的相位差)有如下规律:

    a)  当薄膜的折射率介于上、下方介质的折射率之间时,两束反射光之间没有附加相位差;

    b)  当薄膜的折射率同时大于或同时小于上、下方介质的折射率时,两束反射光之间存在附加相位差,其值为 p,即附加光程差为l / 2,故称半波损失。

    上述规律对于入射角小于临界角的任何角度都成立。

    在光程差公式中,半波损失用加l /  2表示,还是用减l /  2表示,无本质差异,只是要注意k值的取法。在大家的教材中,半波损失都用加l /  2表示,在有的书上可能用减l /  2表示,这时k的取值会有不同,希翼读者注意。

    (7)  劈形气隙干涉和牛顿环都属于等厚干涉,形成相干光束的是两块玻璃板之间或玻璃板与透镜之间的空气隙。入射的平行光被空气隙的上、下两个表面所反射,即被上玻璃板(或透镜)的下表面和下玻璃板的上表面所反射,反射光是相干光束。有人可能会问:上玻璃板(或透镜)的上表面的反射光和下玻璃板的下表面的反射光是否会发生干涉?它们与上述反射光是否也会发生干涉?所观察到的干涉条纹为什么不是这些反射光干涉形成的,而是气隙两表面反射光干涉形成的?大家在讨论相干条件的补充条件时说过,要求相干光束到达相遇点的光程差不能太大。而上面的问题中所说的这些反射光,都由于光程差太大而不会发生干涉。所以,由于这个补充条件的要求,作为“薄膜干涉”的“膜”必须很薄。为了实现这个补充条件的要求,在劈形气隙干涉中,两玻璃板之间的夹角必须很小,一般应在1°以内。在牛顿环实验中,透镜的曲率半径必须很大。当然,若采用激光光束观察,这些要求则是多余的,这时必须设法分辨由不同的反射光所形成的干涉条纹。

    2. 迈克耳孙干涉仪

    (1)  迈克耳孙干涉仪的干涉条纹形状有等倾干涉条纹和等厚干涉条纹两种:

    a)  如果M1M2严格垂直(M1¢M2严格平行),这时发生的干涉就是等倾干涉,观察到的干涉条纹应是一组亮暗相间的同心圆环。移动可动镜M2,相当于改变M1¢M2之间的气隙厚度(L2-L1),干涉环将向中心缩进(距离减小)或由中心冒出(距离增大)

    b)  如果M1M2不严格垂直(M1¢M2不严格平行),就形成一劈形气隙,这时发生的干涉就是等厚干涉,观察到的干涉条纹应是一组亮暗相间、平行且等距的直线或弧线。移动可动镜M2,干涉条纹将发生平移。

    (2)  在现代科学技术中,迈克耳孙干涉仪的最重要的应用是将长度或长度的变化以光的波长表示出来。在迈克耳孙干涉仪出现等厚干涉时,M1镜每移动 l  / 2的距离,视场中就有一个条纹移过,所以只要测出条纹移过的数目m,就可以得出M1镜移动的距离

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可见,要达到长度的准确测量,必须做到m计数正确和波长l的单一、稳定。在现代干涉测长仪中,已采用光电脉冲自动计数技术,并配有可逆计数器,以消除干扰引起的误记,使m的读数达到小数点后第二位。

       
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