白光照射劈尖時的干涉現象及特征
當白光照射到劈尖上時,我們確實能夠觀察到干涉條紋,這是因為不同波長的光(即不同顏色的光)在劈尖上的干涉位置不同,波長較短的光對應的劈尖厚度較小,根據薄膜干涉的原理,劈尖干涉能夠精確地測定平面的平直度,其精度甚至可以達到幾分之一波長的程度,從而從條紋的彎曲變化中檢測出微小的隆起或下陷。
劈尖干涉中,除了零級暗紋外,我們只能觀察到有限條干涉條紋,根據公式λ?k = λ?(k?)來判斷出現的條紋級次,除了這些條紋外,其余部分將呈現彩色,由于光的色散,牛頓環也只呈現出有限個同心圓環,并且由于光的色散,這些牛頓環應該是彩色的,牛頓環的最高級次都是暗紋。
當白光通過這種薄膜時,由于不同波長的光被不同程度地干涉,我們觀察到的是彩色的干涉條紋,劈尖干涉可以分為三種類型:等厚干涉、等傾干涉和等程干涉,牛頓環和楔形平板干涉就屬于等厚干涉。
使用一個曲率半徑很大的凸透鏡的凸面與平面玻璃接觸,在日光或白光照射下,可以看到接觸點為暗點,周圍為彩色圓環,而使用單色光照射時,則表現為單色圓圈,這是由于透鏡下表面和玻璃上表面反射的光線相互干涉形成的,至于反射光的牛頓環,指的是在透鏡和玻璃接觸面上形成的干涉條紋。
牛頓環的明暗與反射光的牛頓環在明暗上是相反的,半波損牛頓環(暗環)將局部內凹還是局部外凸?答案是局部外凸,這是因為當厚度變小,干涉條紋級別變低時,條紋會外凸移動,白光照射時能否看到牛頓環?答案是能看到中央少數幾環。
干涉條紋的特點與表現
單色光的干涉條紋是明暗相間的直條紋,相鄰亮紋和暗紋間隔相等,且間距均勻,中央是亮條紋,白光的干涉條紋中,除中央亮紋外,其余各級亮條紋都帶有顏色,顏色排列以零級亮條紋為中心左右對稱,第一條亮紋中離中央亮紋最近的是紫光,最遠的是紅光。
干涉條紋的特點包括:同心圓環、明暗交替、波紋形狀、色彩變化和線性增長,同心圓環是牛頓環條紋的主要特征,中心為暗環或亮環,逐漸向外擴展,相鄰兩個圓環之間的區域會出現明暗交替的條紋,即相鄰區域有明亮的光斑和暗淡的區域。
雙光束干涉條紋的亮暗紋寬度近似相等,亮暗紋過渡平緩,不夠鮮明,對比度較差;而多光束干涉條紋非常細,條紋明暗分辨清晰,對比度非常好,干涉條紋的主要特點是干涉光強度極大和極小值的位置由光程差決定,與R無關;干涉條紋的細銳程度由R決定。
在白光下,零光程差的干涉圖樣亮度均勻分布,這是因為零光程差意味著所有波長的光線在同一時刻到達干涉條紋,從而在同一時刻發生干涉,零級明條紋在白光下具有最大亮度。
白光干涉的原理與應用
白光能夠干涉的原因有以下幾點:
- 補償板的作用:在兩個反射鏡等臂時光程相等,如果沒有補償板,一路反射光通過A三次,而另一路透射光只通過A一次,這會影響復色光的測量結果,白光干涉只有在兩臂光程差為零的微小范圍內發生,所以不加補償板就無法達到零光程差,也就無法實現白光干涉。
- 相干光源:兩列頻率相同、相位差恒定、振動方向一致的相干光源能產生光干涉,點A和點B的干涉條紋高度峰值之間的差即為高度差。
- 均勻分布:在白光下,零光程差的干涉圖樣亮度均勻分布,這是因為零光程差意味著所有波長的光線在同一時刻到達干涉條紋,從而在同一時刻發生干涉,零級明條紋在白光下具有最大亮度。
- 精密光學儀器:白光干涉儀是基于干涉原理設計的精密光學儀器,通過測量兩束相干光之間的光程差來測定物理量,這種儀器的靈敏性體現在,光程差的微小變化都會導致干涉條紋的明顯移動,從而反映光程的改變。
- 光源頻率寬度適中:白光LED因其雙頻特性,更適合峰值掃描而非相移干涉,壓電材料PZT的使用雖然可以微調掃描位移,但其非線性效應對精度的影響不容忽視,高級控制器如PI公司的產品可以補償阿貝誤差,保證測量的準確性。
- 顯微鏡捕捉干涉條紋:通過分析其變化,測量出表面的三維形貌,精度可達納米級別,這種儀器的優勢在于其非接觸式的快速測量能力,特別適用于精密零部件的關鍵表面粗糙度、微小形貌輪廓以及尺寸測量,在三維測量領域,白光干涉儀是公認的高精度設備之一,能夠提供極其精確的測量結果。
光的干涉與衍射的區別
1. 現象不同:光的干涉是滿足相干條件的光在空間里相互疊加而形成的明暗相間的條紋;光的衍射是光在傳播空間里偏離直線傳播而形成的明暗相間的條紋。
2. 產生條件不同:要產生光的干涉,必須滿足相干條件,即頻率相同(相差恒定、振動方向相同);而光的衍射不需要滿足相干條件。
3. 原理不同:光的干涉是相干波在空間某處相遇后,因位相不同,相互之間產生干涉作用,引起相互加強或減弱的物理現象;光的衍射是光線遇到物體邊緣時通過散射繼續在空間中傳播的現象。
4. 觀察到的結果不同:光的干涉產生的條紋是明暗相間的,而光的衍射產生的條紋也是明暗相間的,但它們的形狀和分布有所不同。