工程光学课程设计

课程设计

工程光学课程设计

——波动光学部分

实际问题：

如何测量塑料透明薄膜的厚度（已知材料的折射率为n）

方案设计

因学习了利用劈尖等厚干涉可测量工件厚度，能否也利用此种方法测量薄膜厚度呢？

预设方案

一．测量原理：利用等厚干涉中的劈尖干涉测量

测量中照射光的波长已知

如图1所示，其同一条纹是由劈尖相同厚度处的反射光相干产生的,其形状决定于劈尖等厚点的轨迹,所以是直条纹。劈尖产生暗纹条件为

2ｅ＋λ/2=(2ｋ＋1)λ/2

与k级暗纹对应的劈尖厚度

e=kλ/2

设透明塑料薄片厚度d,从劈尖尖端到薄片距离L,相邻暗纹间距ΔL,则有

d=(L/ΔL)/(λ/2)

三．拟用仪器劈尖读数显微镜、钠光灯和电源

四、利用劈尖干涉测定塑料薄膜厚度步骤

将叠在一起的两块平板玻璃的一端插入一片待测的塑料薄膜，则两块玻璃板间即形成一空气劈尖，当用单色光垂直照射时，在劈尖薄膜上下两表面反射的两束光也将发生干涉，呈现出一组与两玻璃板交接线平行且间隔相等、明暗相间的干涉条纹，即等厚干涉条纹。

1．将被测透明塑料薄片夹于两玻璃板之间，用读数显微镜进行观察劈尖干涉的图象。

2．测量10错误！未找到引用源。20个暗纹间距,进而得出两暗纹的间距∆L 。

3．测量劈尖两块玻璃板交线到待测透明塑料薄片L 。测量次数至少五次。

4.暗纹间距∆L 、劈尖两块玻璃板交线到待测薄片或细丝的间距L 要进行多次测量，然后求平均值，再代入公式求出待测薄膜厚度。结果表达式为：

()d

d d ∆±= %100⨯∆=d E d d

此中测量方法的不足： 此方案理论看似可行，可实际实验中，却无法精确测量劈尖两块玻璃板交线到待测透明塑料薄片的距离L 因而此种方法行不通。

因从上述测量中发现等厚干涉条纹再有塑料薄片的地方的条纹与测量工件平整度很相似，故考虑能否用等效法即可测出薄膜厚度又可避免无法精确测量劈尖两块玻璃板交线到待测透明塑料薄片的距离所带来的困扰。

改进方案：

一． 测量原理及方法：利用等厚干涉中劈尖干涉测量

假设两块平板玻璃平整，并已知两块平板玻璃的材料相同，其折射率为错误！未找到引用源。，由于透明塑料薄膜很薄，因此可将其视为下面平板玻璃的凸起。

则可能会出现如图所示的干涉条纹

由公式2错误！未找到引用源。d+错误！未找到引用源。=kλ

可得错位一个级次凸起高度为Δd=错误！未找到引用源。

错位ΔN级次凸起高度为：

Δd=错误！未找到引用源。

则Δd即为待测塑料薄膜的相对厚度，

待测透明薄膜的实际厚度为：D=错误！未找到引用源。=

错误！未找到引用源。

其中n为待测塑料薄膜的折射率

由此只需从干涉条纹中读出错位的级次即可利用上述公式计算

此中测量方法的不足：

此种方案虽然解决了测量测量劈尖两块玻璃板交线到待测透明塑料薄片的距离的难题，利用等效法测量了薄膜的厚度，实验也易于实现。但塑料薄膜属于塑性材料，在玻璃板的挤压下很容易发生形变，造成很大的测量误差。这一意味着利用接触法测量塑料薄膜厚度的方案是行不通的。

考虑能否实现利用非接触法测量薄膜厚度？

方案三：

一．测量原理及方法：利用迈克尔干涉仪测量固体厚度两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的

移动，可能是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折

射率。

从光源S发出的一束光射向分束板P1（半反半透镜），被分成强度相等的(1)、(2)两束光，分别垂直地射到反射镜M1，M2上。经反射后，两束光沿原光路返回到G，这样在E方向合为一束光，发生干涉。M2固定不动，M1可在精密导轨上前后移动，从而可改变两束光之间的光程差。这时可在E方向观察到干涉条纹。

假定M1和M2相交与镜面中央，且交角很小，视场中的白光干涉条纹为直线性条纹，中央条纹正对着M1与M的交线位置。中央条纹所对应的1光和2光的光程差约为零。若在1光（或2光）光路中放入待测厚度（d）的塑料透明薄片，则两束光的光程差将增大Δ=2d（n-1）则中央条纹将出现在视场外。将M1朝着光程差减少的方向移动，当移动距离ΔL=错误！未找到引用源。时，则中央白光条纹将回到原处，读出移动距离ΔL，依据已知薄膜折射率n。由公式

d=错误！未找到引用源。即可算出透明塑料薄膜的厚度

上述测量存在的不足：

1.为看到较好的等厚干涉条纹，要求塑料薄膜必须较平整，

且一般为硬质材料的测量。而实验中简单的插入薄膜并不

能保证薄膜的平整性，而且而把薄膜贴在

M镜上，膜与镜

2

之间也容易产生气泡，影响测量的精确性。

2.由于白光的相干长度很小,彩色条纹只有几条，必需耐心细

致地缓慢调节微动手轮，如果移动过快，条纹一晃而过，

难于察觉。

方案三改进：

改进后实验图为：

P为放置薄膜的U型插槽，根据测量的需要可以将不同的待测薄膜方便的放入其中，而且可以保证薄膜的平整度，从而减小由于薄膜的非平整度所带来的影响。

可以采用已知波长的单色光照射。