薄膜干涉图样的技术分析

薄膜干涉图样的技术分析

何伟

干涉现象在科学研究和工业技术上有着广泛的应用,如测量光波的波长,精确地测量长度、厚度和角度,检验试件表面的光洁度,研究机械零件内应力的分布以及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等

【空气膜干涉】在磨制各种镜面或其他精密部件时,对加工的表面的形状可用来作精确地检查。如果

被检查的表面是一个平面,可以在它的上面放一个透明的标准样板,并在一端垫一个薄片,使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个楔形的空所薄层,如图一所示,用单色光照射,入射光在空气层的上、下表面反射出两列光波,于是从反射光中就会看到干涉条纹,根据干涉条纹就可以判断表面的情况。为了便于分析,我们把标准样板与被检测面之间的水平交线命名为“交轴”,所对应的夹角叫作“空气楔角”。

在分析条纹的特点时,应该牢牢把握住两点:一是同一个亮(或暗)条纹所对应的空气膜厚度相同;二是相邻亮(或暗)条纹所对应的空气膜厚度成等差数列。被检测面如果平整光滑,干涉图样应该是宽度、间距都均匀的条纹,条纹走向应该与交轴平行,如图二所示。请根据图三到图十一的图样的特点并对照图二图样试分析检测面上所出现的问题。

图三弯曲处反映了其下面的检测面是一个“凹坑”。

图四弯曲处反映了其下面的检测面是一个“凸起”。

图五中间的两个条纹靠拢反映了其下面的检测面是一条与交轴平行的“沟”。

图六中间的两个条纹间距变大反映了其下面的检测面是一条与交轴平行的“坝”。

图七中的所有弯曲条纹反映了其下面的检测面是一条与交轴垂直的“沟”。

图八中的所有弯曲条纹反映了其下面的检测面是一条与交轴垂直的“坝”。

图九中的条纹疏密相间反映了其下面的检测面是一些与交轴平行的“沟”、“坝”相间的起伏波面。

图十中的条纹弯弯曲曲反映了其下面的检测面是一些与交轴垂直的“沟”、“坝”相间的起伏波面。

图十一说明被检测面是平整的,只是“空气楔角”要比图二所反映的“空气楔角”要大,致使条纹变细、变密。

【牛顿环】也是一种空气膜等厚干涉现象,最早为牛顿所发现。为了研究薄膜的颜色,牛顿曾经仔细研究过凸透镜和平面玻璃组成的实验装置。他的最有价值的成果是发现通过测量同心圆的半径就可算出凸透镜和平面玻璃板之间对应位置空气层的厚度;对应于亮环的空气层厚度与1、3、5…成比例,对应于暗环的空气层厚度与0、2、4…成比例。但由于他主张光的微粒说(光的干涉是光的波动性的一种表现)而未能对它作出正确的解释。直到十九世纪初,托马斯.杨才用光的干涉原理解释了牛顿环现象,并参考牛顿的测量结果计算了不同颜色的光波对应的波长和频率。

牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜,以其凸面放在一块光学玻璃平板(平晶)上构成的,如图十二所示。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加,若以平行单色光垂直照射到牛顿环上,则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差,它们在平凸透镜的凸面相遇后,将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环(如图十三所示),称为牛顿环。由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的,因此它属于等厚干涉。

图十二

单色光牛顿环的特点:相邻明环(或暗环)之间的距离随半径的增大而减小;不同波长对同一牛顿环实验装置所形成的牛顿环半径不同;空气薄膜的牛顿环的零级牛顿环为暗圆斑。若利用白光进行实验,则会出现彩色环形条纹。

可以想见如果把透镜换成顶角较大的圆锥玻璃(如图十四),那么呈现的干涉图样将如图十五所示,是一些间隔均匀、粗细均匀的环形条纹。

利用牛顿环同样可以用来检测表面的是否光洁、平整,也可以测量透镜的曲率半径,还可以用来检测两个工件拼接时的吻合程度等等。

相关文档
最新文档