4-薄膜干涉的实际应用

-1-薄膜干涉的实际应用Thepracticalapplicationofthethinfilminterference王成洋（江苏省上冈高级中学，江苏省盐城市224731）摘要：薄膜干涉说明光具有波动性，在日常生活、工农业生产和科技方面有着广泛的应用，通过实例分析激发学生去设计：①在阳台和汽车等玻璃上镀一层阻止太阳光透射的膜；②在夏天的衣服和伞上镀一层防紫外线透射的膜；③给微机操作人员设计一种防紫外线和Ｘ射线的镀膜镜片……关键词：薄膜干涉；实际应用我们大家都知道，把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜，用酒精灯的黄光照射液膜，液膜反射的光使我们看到灯焰的像。像上有亮暗相间的条纹，这是光的薄膜干涉现象。它产生的原因是竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用，下面厚，上面薄，因此,在薄膜上不同的地方,来自前后两个面的反射光所走的路程差不同，在一些地方，这两列波叠加后互相加强，于是出现了亮条纹；在另一些地方，叠加后互相削弱，于是出现了暗条纹。薄膜干涉的实际应用非常广泛，下面通过一些典型的实例来谈一谈。1测量微小长度【例1】为了测量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平板玻璃之间，使空气层形成劈尖（如图1所示）．如用单色光垂直照射，就得到等厚干涉条纹．测出干涉条纹间的距离，就可以算出金属丝的直径．某次的测量结果为：单色光的波长λ＝589．3nm，金属丝与劈尖顶点间的距离L＝28．880mm，30条明纹间的距离为4．295mm，求金属丝的直径D．解析：相邻两条明条纹之间的距离l=4.295/29mm，其间空气层的厚度相差λ/2；则有lsinθ=λ/2；式中θ为劈尖的夹角，因为θ很小，所以sinθ≈D/L于是得到lD/L=λ/2；所以，D=Lλ/2l代入数据，求得金属丝的直径D=5.75×10－２mm.【例2】劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图2所示．将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜．当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图3所示，干涉条纹有如下特点：图1图2图3-2-（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定．现若在装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后从上往下观察到的干涉条纹（）A．变疏B．变密C．不变D．消失解析：由例1知，相邻两条明条纹之间的距离l和劈尖的夹角θ之间的关系为：lsinθ=λ/2，抽去一张纸片后，劈尖的夹角θ变小，sinθ变小，条纹之间的距离l变大，故选A。2解释现象利用薄膜干涉可以解释日常生活和实验中的一些现象。【例3】在吹肥皂泡时，随着肥皂膜越来越薄，肥皂泡上某一部分的颜色也相应地发生变化，观察该部分肥皂膜表面色彩的变化应依次是（）A．从紫－绿－黄－红－紫－……循环变化B．从红－黄－绿－紫－红—……循环变化C．从红－绿－黄－紫－红—……循环变化D．从红－黄－紫－绿－红—……循环变化解析：我们知道，当肥皂薄膜前后两个表面反射的光的路程差为光的波长的整数倍时，出现明条纹；从红光－紫光，光的波长越来越小，随着肥皂膜越来越薄，它的厚度应该依次是红光－黄光－绿光－紫光－红光—……的半波长的整数倍。故选B【例4】把一个具有球面的平凸透镜平放在平行透明玻璃板上（如图4），现用单色光垂直于平面照射，在装置的上方向下观察，可以看到干涉条纹，那么，关于两束光及干涉条纹的说法正确的是（）A．两束干涉光是a、b面反射形成的B．干涉条纹是中央疏、边缘密的同心圆C．两束干涉光是b、c面反射形成的D．干涉条纹是中央密、边缘疏的同心圆解析：干涉条纹是由平凸透镜和平行透明玻璃板之间的空气薄膜反射形成的，选项C正确。空气薄膜在等厚的地方，条纹相同，所以干涉条纹应该是一系列同心圆（如图5），物理学上也称为牛顿环。与例题2类似，空气薄膜可以看成倾角不断变化的劈形，相邻两条明条纹之间的距离l和劈尖的夹角θ之间的关系为：lsinθ=λ/2，从圆心到边缘，劈尖的夹角θ逐渐变大，sinθ变大，条纹之间的距离l逐渐变小，故选B。3检查平面的凹凸情况图4图5-3-【例5】如图6所示，用干涉法检查平面时，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等间距的．如果平面出现凹凸不平，则条纹会发生弯曲，根据条纹的弯曲情况可以判断平面的凹凸情况，图7（甲）中平面_______________,图7（乙）中平面_______________。解析：薄膜干涉又称为等厚干涉，原因是厚度相等的地方，光程差一样、干涉情况一样，即某一处反射回来的两列波叠加，光振动加强，产生亮点，那些与这处厚度相等的地方都是亮点，它们连起来组成亮条纹．在其它厚度处两列波叠加，光振动减弱，产生暗条纹，因此厚度变化情况决定了条纹的形状．如果被测表面是平整的，它与标准样板间形成一个厚度均匀变化的“楔形”空气薄膜，于是它的单色光干涉条纹为与交线平行、等间距、明暗相间的条纹．可以这样设想，让一个“小矮人”头顶薄膜的上表面，脚在薄膜的下表面上走动，要求他头总与上表面接触，脚又不能“腾空”，人又不能弯曲（厚度不变），此人在平整平面上将走的是一条直线（对应条纹线），如图8A’B’处为一直亮条纹．如果某处有“凹陷”，如图中P处，此人再也不能沿直线走，在“凹陷”处将向薄膜薄的那侧绕行，不然在“凹陷”处将“腾空”或头将脱离上表面，如图C’D’为一弯曲的亮条纹；如果某处有部分凸起，此人只能向厚的那侧绕行．因此，“凹陷”处条纹将向薄的那侧弯曲，凸起处条纹将向厚的那侧弯曲。4制作增透膜和高反射膜利用薄膜干涉的原理，可以制成增透膜和高反射膜。增透膜的厚度为透射光在薄膜中波长的1/4，使薄膜前后两面的反射光的路程差为波长的一半，故反射光叠加后减弱，增强透射光的强度．高反射膜的厚度为透射光在薄膜中波长的1/2，使薄膜前后两面的反射光的路程差为一个波长，故反射光叠加后加强。【例6】光热转换是将太阳光能转换成其他物质内能的过程，太阳能热水器就是一种光热转换装置，它的主要转换器件是真空玻璃管，这些玻璃管将太阳光能转换成水的内能。真空玻璃管上采用镀膜技术增加透射光，使尽可能多的太阳光能转化的热能，这种镀膜技术的物理学依据是（）A．光的直线传播B．光的粒子性图6图7图8-4-C．光的干涉D．光的衍射解析：根据题意，真空玻璃管上采用镀膜技术增加透射光，可以知道，玻璃管上一定是镀了增透膜，这是利用了光的干涉原理，故选C。【例7】在宇航员头盔和面甲上有对红外线高反射率的高反射膜，它是选用折射率介于空气和光学元件之间的透明胶，已知红外线在真空中的波长为λ0=900nm，透明头盔和面甲的折射率为n1=1.6，选用的透明胶的折射率n2=1.5，则所镀透明胶的厚度至少为多少？解析：设红外线的频率为f，由c=fλ0，v=fλ，n2=c/v，可得，光在薄膜中波长λ=λ0/n2=600nm。高反射膜所镀透明胶的厚度为光在薄膜中波长的1/2，所以，宇航员头盔和面甲上所镀透明胶的厚度至少为300nm。薄膜干涉的实际应用还有很多，如制作激光防伪标签、检查透镜镜面的质量等等，限于篇幅，这里就不一一列举了。通讯地址：江苏盐城江苏省上冈高级中学E—mail:[e-mail]邮政编码：224731电话号码：[phone]