等厚干涉实验拓展研究+文献综述(2)
17世纪初，物理学家牛顿在制作天文望远镜时，偶然发现将一曲率半径大的凸透镜放在平面玻璃上时，其接触点出现明暗相间圆环花样，这是光的干涉现象，这种光学现象被称为“牛顿环”。由于牛顿是坚持光的微粒学说，未能对此做出解释。牛顿环的干涉应用材料的球面度，平整度及光洁度的检验。
牛顿环干涉实验是大学普通物理实验中的一个基本实验[2]. 通过该实验装置可以观察到等厚干涉现象, 加深对光的波动性的认识; 利用牛顿环可测量平凸透镜的曲率半径、入射光的波长; 根据牛顿环的花样和薄膜干涉原理可以判断光学平面的平面度或平面质量. 在实验室里, 虽然很容易观察到牛顿环干涉现象, 测量也不复杂, 然而实验过程中还是有许多问题值得我们去分析、讨论。
1.1 等厚干涉简介
利用普通光源获得相干光的方法是把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠如起来。由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光，所以它们将满足相干条件而成为相干光。获得相干光方法有两种。一种叫分波阵面法，另一种叫分振幅法[3]。
我们所讨论的等厚干涉就属于分振幅干涉现象。分振幅干涉就是利用透明薄膜上下表面对入射光的反射、折射，将入射能量(也可说振幅)分成若干部分，然后相遇而产生干涉。分振幅干涉分两类称等厚干涉，一类称等倾干涉。
要观察等厚干涉现象[15]，需满足（1）产生相干光的条件：频率相同，振动方向相同，相位差稳定，且在相干长度范围之内，其振幅不能过大。（2）光程和光程差：折射率n 和光所通过的几何路程r 的乘积nr 称为光程；两束光的光程之差称为光程差。需要特别注意的是：决定光波相位变化的不是几何路程，而是光程和光程差。
图1.1 薄膜中光线简化图
（1.1）
当波长为的单色光垂直入射到厚度为e 的空气薄膜表面时，在薄膜上下两个表面反射的光线1 和光线2 的光程差为 其中 是考虑到入射光在下表面反射有半波损失而在上表面反射没有半波损失。根据干涉条件，由上式可知，光程差取决于产生反射光的薄膜的厚度，同一干涉条纹对应着相同的空气膜的厚度，故称为等厚干涉。（3）等厚条纹与等厚干涉：厚度相同的地方，光程差相同，干涉条纹的级数也相同， 这种干涉条纹称为等厚条纹，相应的干涉现象称为等厚干涉。（4）牛顿环和劈尖干涉均属等厚干涉。
图1.2 牛顿环简化图
用一束单色平行光照射透明薄膜，薄膜上表面反射光与下表面反射光来自于同一入射光，满足相干条件。当入射光入射角不变，薄膜厚度不同发生变化，那么不同厚度处可满足不同的干涉明暗条件，出现干涉明暗条纹，相同厚度处一定满足同样的干涉条件，因此同一干涉条纹下对应同样的薄膜厚度。这种干涉称为等厚干涉，相应干涉条纹称为等厚干涉条纹。
下面分别讨论其原理及应用：牛顿环装置是一种经典的双波干涉装置，牛顿最早用它观察到光的干涉现象（但牛顿并不认为这是光波的干涉，而用光的微粒说解释它）。由该装置产生的环状干涉条纹称为牛顿环。牛顿环装置如图1.3所示。L为一平凸透镜,其球面A之半径r甚大（如1～2米）；G为平面玻璃片。在A、B两面之间形成空气薄膜。发自面光源S的光波（源波）由半反射镜D反射而进入L，然后在空气膜的上表面A发生反射和折射。反射波透过L进入上部空间为W1；折射波在面B上反射后亦经L进入上部空间为W2。面光源 S上的每个点发出的源波皆产生这样的一对波W1和W2。每一对波是相干波（见光的干涉），形成它们自己的一组干涉条纹。在空气薄膜附近，各组条纹的亮条纹和暗条纹位置分别对应重合，就是说，干涉条纹定域在薄膜附近。