26) Интерференция в тонких плёнках. Вывод формулы для разности хода (см. Предыдущий вопрос). Полосы равной толщины. Кольца Ньютона. Метод контроля качества обработки поверхности.

Интерференционные полосы на поверхности плёнки в виде клина имеют равную освещённость на всех точках поверхности, соответствующих одинаковым толщинам плёнки. Интерференционные полосы параллельны ребру клина. Их называют интерференционными полосами равной толщины.

Полосы равной толщины можно получить, если положить плосковыпуклую линзу с большим радиусом кривизны R на плосковыпуклую пластинку. Между ними также образуется воздушный клин. В этом случае полосы равной толщины будут иметь вид колец, которые называются кольцами Ньютона; разность хода интерферирующих лучей, так же и в предыдущем случае, будет определяться по формуле:

(26.1)

Определим радиус k-го кольца Ньютона: из треугольника ABC имеем , откуда, пренебрегая b 2, так как R>> b, получим .

 

Подставляем это выражение в формулу (26.1):

(26.3)

Если эта разность хода равна целому числу длин волн (условие максимума интерференции), то для радиуса k-го светлого кольца Ньютона в отраженном свете или тёмного в проходящем имеем:

. (26.4)

Произведя аналогичные несложные выкладки, получим формулу для определения радиусов тёмных колец в отражённом свете (или светлых в проходящем):

(26.5).

При прохождении света через линзы или призмы на каждой из поверхности световой поток частично отражается. В сложных оптических системах, где много линз и призм, проходящий световой поток значительно уменьшается, кроме того, появляются блики. Так, было установлено, что в перископах подводных лодок отражается до 50% входящего в них света. Для устранения этих дефектов применяется приём, который называется просветлением оптики. Сущность этого приёма заключается в том, что оптические поверхности покрываются тонкими плёнками, создающими интерференционные явления. Назначение пленки заключается в гашении отраженного света.

Метод контроля качества обработки поверхности.

Кратко

С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 1/10 длины волны, т.е. с точностью до 10-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности размером до 10-6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.

Очень подробно

В интерференционных методах для получения информации о шероховатости поверхности используется интерференция двух или большего числа когерентных пучков света. Приборы, использующие это физическое явление, получили название оптических профилометров.

В оптическом профилометре (интерференционном микроскопе) свет проходит через делительную призму, после чего одна часть пучка попадает на образец, шероховатость которого измеряется, а другая – на опорное зеркало. Когда лучи, отраженные от этих поверхностей, встречаются и интерферируют, получается интерференционная картина, состоящая из набора полос. В местах выступов и впадин на исследуемой поверхности интерференционные полосы искривляются, как это показано на рисунке 26.2.

Рисунок 26.2 – Характерная интерференционная картина при наличии микронеровностей на исследуемой поверхности

Каждая интерференционная полоса представляет собой изображение полосы профиля поверхности, при этом степень искривления полос характеризует неровность поверхности. Высоты микронеровностей на исследуемой поверхности определяют путем измерения искривления интерференционной полосы. При этом расстояние в одну полосу соответствует размеру микронеровностей профиля, равному длине волны света, то есть обычно /2 мкм. При измерении высоты выделенной микронеровности, как это показано на рисунке 26.3, используют формулу

= /2 мкм,

где – есть величина , выраженная в полосах.

Рисунок 26.3– Характерный изгиб интерференционных полос выделенной микронеровности из общей интерференционной картины

При ручном способе определения параметра визирную риску окуляр – микроскопа наводят на край полос по линиям , затем и затем и делают отсчёты по окулярному микрометру соответственно положению , и . Используя найденные значения , вычисляют величину

= /2 = /2 мкм.

Значение берётся по паспорту прибора, если применяется цветной светофильтр. Если же применяется белый свет, то берут = 0,6 мкм.

В тех случаях, когда необходимо определить и шаг микронеровностей, то его подсчитывают по формуле S=2a tg(a/2), где a - угол профиля, измеряемый при помощи окулярного микровинта измерительного микроскопа.

Если на испытуемой поверхности встречается бугор или впадина, то в этом месте изменяется разность хода между интерферирующими лучами, что вызывает искривление полос, пропорциональное высоте бугра или глубине впадины. Количество полос на спектре от синей до красной части зависит от разности хода лучей, которая вносится разностью толщин пластинок интерференционного объектива. Обычно используют = 5,5 мкм и тогда на спектре получается пять интерференционных полос. Высоту неровности определяют согласно формуле

= ,

где , и отсчёты длины волны при наведении на полосу, искривление той же полосы и следующую полосу соответственно.