薄膜干涉
Thin Film Interference
雨过天晴，汽车驶过积水的柏油马路，可能会在水坑表面留下一片片彩色的油膜，如图1所示。节假日我们也常会看到快乐的小孩吹着肥皂泡，五彩缤纷的彩球飘逸在空中，增添了节日祥和欢乐的氛围，如图2所示。油膜和肥皂泡本身并没有颜色，怎么会变成彩色呢？其实这是光的薄膜干涉现象造成的。
图1 彩色油膜
图2 飘逸在空中的肥皂泡
当光线照到油膜上时，一部分光被油膜外表面反射，另一部分进入油膜内部，在油膜内表面发生反射，这两束反射光相遇而产生干涉现象。在两束反射光相遇区域，有些点上的光线得到加强，而另一些点上的光线被减弱，甚至完全抵消。干涉加强或减弱取决于光波的波长和薄膜的厚度。阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种不同波长的光组成的复色光，而油膜各处的厚度也不均匀，不同波长的单色光照在油膜厚度不同的地方，有的会加强，有的则会减弱，甚至相互抵消。这样，油膜上有些地方就显得红一些，有些地方显得蓝一些，呈现出瑰丽的色彩。
不仅油膜，光线射入任何透明薄膜时，都会发生这种干涉现象。比如肥皂泡、蜻蜓或苍蝇的翅膀，在阳光的照射下，也显得色彩缤纷。
实验装置
将一根弹性塑料细棒围成环形，把它浸入肥皂液，慢慢提起，一张液体薄膜就形成了。薄膜竖直放置，用白光照射，我们可以看到彩色的干涉花样，如图3所示。
图3 观察到的薄膜干涉条纹
现象观察
仔细观察薄膜上的彩色花样，有如下特点：
1.薄膜最上端是暗的。
2.干涉条纹为彩色，膜的上半部分干涉条纹较疏，下半部分干涉条纹较密。(www.xing528.com)
3.靠近膜的底端，干涉条纹消失。
现象解密
薄膜有两个表面，面对观察者的面，我们把它叫做前表面，另一面为后表面。入射光线经前后两个表面的反射，两反射光相遇存在光程差，如光程差δ满足下式：
为相长干涉，产生亮纹。光程差δ满足下式：
为相消干涉，产生暗纹。
由于薄膜是竖直放置的，重力的作用使其上薄下厚。最上端薄膜的厚度已经小于波长，所以前后两束光的干涉只能是相消干涉，这就是上端看上去较暗的原因。上半部薄膜的厚度薄并增加得较慢，条纹间距较宽；下半部的薄膜的厚度厚并增加得较快，条纹间距较密。靠近底部看不到干涉条纹的原因有两个：一是条纹太密分不清楚；另一个是光的空间相干性所致，特别是普通光源的相干长度是很短的。复色光照明得到彩色条纹，如果用单色光照明，我们仅能看到明暗相间的单色条纹。
应用拓展
薄膜干涉在现代光学中有广泛的应用。光学仪器镜头的表面往往镀有一层或多层介质膜，称为增透膜或增反膜，就是利用干涉相消或干涉相长原理来达到所需效果。照相机的镜头看上去呈紫红色（如图4所示）就是因为镀了增透膜，让中间波长的光增透的缘故。利用空气膜可以测量微小长度、检查光学表面的加工质量等。迈克尔逊干涉仪、牛顿环等光学仪器中的干涉条纹是薄膜干涉的典型例子。
图4 镀有增透膜的照相机镜头
思考题
1.分析增反膜的原理，它是怎样达到增加反射光强度的目的的？分析时应注意半波损失的问题。
2.薄膜干涉属于等厚干涉还是属于等倾干涉？
3.上述肥皂膜中的彩色条纹随时间如何变化？为什么？
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