迈克尔逊干涉仪测量薄膜的折射率与厚度

1、 YYSZXB26迈克尔逊干涉仪测量薄膜的折射率与厚度杨修文,石义杰,路素彦(郧阳师范高等专科学校!物理系,湖北丹江口442700!摘!要用迈克尔逊干涉仪测量薄膜折射率与厚度的方法,原理简单.通过测出动镜的移动量及观察相应的干涉条纹变化现象,就能计算薄膜的厚度,有较高的测量精度.并基于此装置进行实际测量,理论和实际相符的较好.!关键词迈克尔逊干涉仪;薄膜厚度;干涉条纹!中图分类号O436.1!文献标识码A !文章编号10086072(2008030026021!引言迈克尔逊干涉仪是一种较为精密的测量仪器,不少文献都有介绍用它测量气体、固体折射率的方法16.现在我们介绍一种钠光作光源,用迈克逊干

2、涉仪测量薄膜厚度,其测量原理、方法简单.2!测量装置及原理7测量装置如图1所示.在钠光灯S 前加一块毛玻璃使之形成面光源,通过一准直透镜发出平行光照射迈克尔逊干涉仪,调节两个平面镜M 1、M 2,使观察屏上出现明暗相间的圆形干涉条纹.图1实验光路图由于钠光源中包含有波长相近的两种波长 1、 2,当动镜M 1缓慢移动时,观察屏中的条纹依次由清晰变模糊,再由模糊变清晰,条纹最模糊时,可见度最小,此时 1光波生成亮环的地方,恰好是 2光波生成暗环的地方,即:2dcos i k =2d =k 1 1=(k 2+1/2 2(1在M 1臂中垂直插入一折射率为n 、厚度为h 的透明薄膜A ,取空气的折射率为

3、1,M 1臂中增加的光程差 为:=2h(n-1(2(1式不再满足,条纹可见度最小的现象被破坏,继续沿原方向移动M 1动镜 d 距离,使再次出现可见度最小,则2h(n-1=2 d h= d/(n-1(3测出 d,知道n,就可计算出h 值.须注意的是,要使薄膜所增加的光程不超过在未插入薄膜的情况下相续两次出现可见度最小,即M 1动镜移动的距离 D 的两倍.因此2h(n-1<2 D 得!h< D/(n-1(4对于波长分别为 1和 2的两列光波,由于它们的波长不同,是互不干涉的,总的干涉场是 1和 2分别形成的干涉场的线性迭加.随M 1动镜的移动,迭加形成拍8.拍频 为:=1 =1 1-1

4、2(5由于 1# 2,在干涉场中它们的同级条纹不出现在同一位置上.随着光程差的增加,干涉条纹是从完全重合变到连成一片,又变到完全重合.而两次重合所对应的空间距离,正是拍频的波长 .对钠光源,由(5式知: =0.5788mm, D = /2=0.2894mm.若薄膜的折射率为1.47,则h < D/(n -1=0.2008年6月郧阳师范高等专科学校学报Jun.2008第28卷第3期Journal of Y unyang T eachers Co llege V ol.28No.3收稿日期2008-03-28基金项目湖北省教学研究资助项目(2003298作者简介杨修文(1966-,男,郧阳师

5、范高等专科学校物理系副教授,主要从事光电子、光纤通信及传感器方面的研究.616mm,即用本方法测量其厚度,其厚度不应超过0. 616mm,这个厚度对薄膜而言足够了.若测某一平面平行玻璃,其厚度不满足(4式,可先用游标卡尺粗测出其厚度H,再由H(n-1/ D,知道应出现最小可见度的次数k,则(k-1 D/(n-1+h(h为一个小于 D/(n-1的正数即为动镜M1移动的距离 d.3!实验结果与分析用阿贝折射仪测出待测的透明薄膜的折射率为1. 4836.在钠光照射下,将迈克尔逊干涉仪调节到最小可见度状态,薄膜插入中,再次将迈克尔逊干涉仪调节到最小可见度状态,测出动镜M1移动的距离 d,其结果如下表1

6、所示.表1迈克尔逊干涉仪最小可见度单位:mmd031.0185631.1066231.1595931.2404331.04678 d131.0064231.0943731.1472831.2283431.03458 d=d1-d00.012140.012250.012310.012090.01220 h0.025120.025350.025470.025020.02524! h=0.02524mm,用螺旋测微计测得的薄膜的平均厚度为h=0.025mm.用本方法测量薄膜的厚度,有两点不足,受迈克尔逊干涉仪精度的限制,当薄膜的厚度h< /4( 为光源波长,就无法测量;最小可见度位置判断不准确

7、也会引入较大的误差.虽然本方法有不足之处,但它简单易行,测量快,作为测量薄膜厚度的一种手段更为有效.参考文献1邓小燕,乔!蹻,潘永华,等.迈克尔逊干涉仪中补偿板与干涉条纹J.物理与工程,2006,(2.2袁剑辉,周烈生,赵福利,等.迈克尔逊干涉仪测量液体的折射率及仪器调节方法J.光学技术,1998,(1.3张宝颖,贺秀良,刘文辉,等.改进型迈克耳孙干涉仪J.物理实验,2004,(7.4陈淑清.用迈克尔逊干涉仪测气体浓度的方法J.大学物理实验,2002,(6.5周!晶.W SM-100型迈克尔逊干涉仪J.大学物理实验,1999,(6.6杨建宏,闫!进,等.离子镀装饰膜厚度测量技术J.太原重型机械

8、学院学报,1996,(3.7杨述武.普通物理实验(光学部分M.北京:高等教育出版社,2002.8粱绍荣,刘昌年,盛正华.普通物理学(第一分册M.北京:高等教育出版社,2002.%编校:胡军福&Refractive Index and Thickness of Michelson Interferometer Measure FilmYA NG Xiu-w en,SH I Yi-jie,LU Su-yan(Department of P hysics and Electro nic Eng ineer ing,Yunyang T eacher s'Colleg e,Danjian

9、g kou442700,China Abstract:T his pa per has intr oduced the easy and simple met ho d to deter mine film r efractiv e index and thickness by M ichelson interfer ometer.T he film thickness of hig h precision can be deter mined by determining the mot ion quantit y o f moving mir ro r and o bserv ing the relevant interfer ence fr ing e,o n w hich actual deter mination has been carr ied out,w hose theo ry a