光学教程：薄膜干涉的应用

薄膜干涉原理在现代科学技术中有着广泛应用，利用薄膜干涉原理可制成各种镀膜光学元件，利用等厚干涉条纹可对精密机械零件、光学元件进行精密测量和检测，精度可达可见光波长数量级。

1.测量微小长度

图1-21是利用等厚干涉条纹测量丝细直径，将待测细丝放入两块平面玻璃板的一端，则在两块玻璃板之间形成一空气劈尖，根据式(1-43)可知，测出干涉条纹的总级数，即可求出细丝直径。图1-22是干涉热胀仪示意图，H是由一热胀系数很小且已知的材料做成的环，将待测物体W的上下表面磨得很光滑放入环内，使待测物体上表面与平板玻璃B之间形成一楔形空气层，给热胀仪加热，楔形空气层的厚度将发生变化，这时干涉条纹会产生移动，由于相邻条纹之间的厚度差为，所以，每当空气层的厚度发生了的变化，就会观察到有一个条纹移动，根据环的热胀系数则可算出待测物体的热胀系数。

图1-21 测量细丝直径

图1-22 干涉热胀仪原理图

2.检测表面质量

测量和检测尺寸较大的元件时，一般是将待测物体与标准样板进行比较，从而精测出与标准样板的偏差。例如，为检测透镜表面的研磨质量，将透镜与样板表面相接触，如图1-23所示；用单色平行光垂直照射其上，如果整个表面呈均匀照明，说明两个表面完全吻合，如果透镜表面的曲率半径与样板有偏差，则两者之间形成一空气层，形成类似于牛顿环的等厚干涉环，通过干涉环数(光圈数)可判断透镜表面与样板表面曲率半径的偏差。设两表面间空气层的最大厚度为h，由式(1-46)可得

由于相邻两光圈对应的空气层厚度之差为，如果光圈光数为N，则有

即

由于R≈R0，故样板与镜表面曲率半径之差为(www.xing528.com)

对平面玻璃表面的检测，可将待测平面W与标准平面玻璃板一端相接，另一端垫一薄片，使两表面B、W间形成一空气劈尖，如图1-24(a)所示，用单色平行光照射，若干涉条纹是一组相互平行的直条纹，则表明被检测的表面是理想的平面，若条纹发生弯曲，则表明该处表面有缺陷。条纹是向膜较薄方向弯曲，说明该处空气膜变厚，该处是凹陷的；反之，条纹向空气膜较厚方向弯曲，则可判断该处是凸起的。

图1-23 检测透镜表面

图1-24 检测平面质量

3.增透膜

光通过光学元件表面时，一部分能量因反射而损失，如果光学仪器元件较多，则反射损失是十分严重的，此外，反射光还造成杂散光，严重影响光学仪器的成象质量。为减少光学元件表面反射损失，可在光学元件表面镀上一层介质薄膜，利用薄膜干涉相消，从而增加光的透射，这种薄膜称为增透膜。

要让反射光完全干涉相消，除满足在增透膜上下表面反射的两相干光的光程差δ=外，还需满足两相干光振幅相等条件，理论计算表明当时，两相干反射1、2的振幅相等，如图1-25所示。若光学元件的玻璃折射率n3=1.5，由上式可知镀膜的折射率应为n2=1.22，在上下表面反射的光波均是由光疏介质入射光密介质，均有半波损失，故两相干光的光程无须考虑半波损失，考虑正入射情形，当时，可知增透膜厚度应为

图1-25 增透膜

因而，在光学元件表面镀上一层折射率为，膜层厚度为的 薄膜时，可实现反射光的完全干涉相消，但实际中，n=1.22这个条件是不能满足的，现在常用的镀层薄膜是氟化镁(n=1.35)，虽不能精确满足上述要求，但仍能使玻璃的反射率降至1%左右。

类似地，为使反射光增强，减少吸收，可镀上适当厚度和折射率的介质薄膜，使反射光产生干涉相长，这种薄膜称为增反膜。