第２３卷第５期 大学物理实验 Ｖｏ１．２３Ｎｎ ５ ２０１０年１Ｏ月 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲ 低 ＮＴ ０Ｆ Ｃ０ＬＬＥＧＥ Ｏｃｔ．２０１０ 文章编号：１００７－２９３４（２０１０）０５－００４９－０２ 迈克尔逊干涉测薄膜厚度 郑志远，樊振军，董爱国，邢 杰，张自力 （中国地质大学，北京１０００８３） 摘 要：在利用迈克尔逊干涉测量薄膜厚度的实验装置中加入了压力传感器。该设计光路可以在 无需已知薄膜透射率、折射率等物理参数的情况下，测得薄膜厚度，而且基本消除了外界挤压对薄膜厚 度造成的误差影响。 关键词：迈克尔逊干涉，薄膜厚度，压力传感器 中图分类号：Ｏ４８４．５ 文献标志码：Ａ 迈克尔逊干涉实验是大学物理实验课程中的 数目的变化获得。条纹的变化是通过ＣＣＤ接计 重要实验之一。迈克尔逊干涉的一种应用是利用 算机，从而从计算机的屏幕上读出条纹的变化。 其干涉条纹测量薄膜厚度，这一点大家很熟悉，在 这方面也进行了大量的研究。但目前普遍存在的 问题是要求薄膜是透明或半透明，并要求已知薄 膜的透射率或折射率。利用这一点在课堂上让学 生进行仪器的调节和使用学习是可以的，但在现 ： 器 实实验中却并不实用。此外，在利用迈克尔逊测 量薄膜厚度时，绝大多数报道文献并没有考虑到 薄膜在受到外界挤压等条件下，薄膜本身形变对 ＣＣＤ 测量结果的影响。为了解决以上问题，实验在光 路设计中加入了压力传感器，并以普通 纸为 图１ 实验装置示意图 测量对象进行了厚度测量。 １实验装置及结果 实验装置是在天津拓普公司ＷＭＧ－１型迈克 尔逊干涉仪的基础上进行了改进，示意图如图１ 所示。在Ｍ。全反镜的后面加入了压力传感器， 而Ｍｚ与传感器之间便是薄膜的放置位置。将薄 圈２压力传藤器 膜放于该位置后，向Ｍ２方向轻轻移动传感器，当 薄膜接触到传感器的触头后，传感器发出报警声 在这一实验装置中，最大的特点是压力传感 （图２为压力传感器图片）。此时Ｍ２与传感器之 器的使用，它的使用可以很好的解决以下三个问 间的距离便是薄膜的厚度。将薄膜取出后，向传 题：一是由于Ｍｓ全反镜与传感器之间的挤压造 感器方向移动Ｍ２，直至Ｍｚ压迫传感器发出报警 成的薄膜变形对结果的影响；二是定位问题，即当 声。Ｍ。移动的距离即薄膜厚度便通过干涉条纹 薄膜取走后，Ｍｓ全反镜移动的精确距离；三是无 需事先获取被测薄膜折射率及透射率等物理参 收稿日期：２０１０－０５－１７ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０９０５０４９） 迈克尔逊干涉测薄膜厚度 数。实验中使用的压力传感器的分辨率为 ０．０１ Ｎ，当外界压力超过该分辨率时压力传感器 便发出报警声音。０．０１ Ｎ的分辨率对于一般的 固体薄膜基本造不成形变，即使有微小的形变也 长６３２．８ ｎｍ），选取一张普通的Ａ４纸作为测量对 象。通过计算机屏幕获得条纹数目的变化，由迈 克尔逊干涉公式中的每个条纹变化对应半个波 长，由此可得到纸张的厚度。表１为Ｈｅ－Ｎｅ激光 完全在误差范围之内。而且该分辨率使得定位问 作为入射光源时条纹的变化数据。由此可得到普 通Ａ４纸的厚度为８８．９１ ｍ。为了进一步提高测 量精度，实验又选取绿光作为人射光源（波长５３２ ｎｍ）进行了实验，得到条纹的变化如表２所示，得 题有了一个统一的标准，消除了不同操作人员之 间由于定位造成的实验误差。实验操作过程中为 了尽量消除旋进过程中回程差对结果的影响，操 作过程中Ｍ。只能向一个方向推进。 实验首先选取Ｈｅ－Ｎｅ激光作为入射光源（波 到 纸的厚度为８９．３８ ｍ。 表１ Ｈｅ－Ｎｅ激光作为入射光源测得的条纹变化数据（Ｘ＝６３２．８ｎｒｎ） 条纹平均变化数为３３６， 纸的厚度：８９．３８肛ｍ。 或折射率，或者说无论薄膜是透明还是不透明，都 ２结果分析 实验精度主要由人射激光的波长决定，而实 验误差主要来自两方面：多次测量的误差和螺旋 推杆的精度。 在不考虑纸张均匀性的前提下，测量１０００张 纸的厚度平均值约为９Ｏ．４９／２ｍ。在两种人射激 光波长条件下，其相对百分误差分别为： ９Ｏ．可以测量出其厚度。从而避免了薄膜本身这些物 理量对实验结果的影响，这一点在实验中也显得 更加方便和实用。 参考文献： ［１３鄢仁文，周汉枢．迈克尔逊干涉测薄膜厚度［Ｊ］．福清 分校学报，２００９，１２（９６）：４３－４６． ［２３蒋礼，罗少轩，阳艳等．用迈克尔逊干涉仪测量全息 干板膜厚度ｉ－Ｊ３．应用光学，２００６，２７（３）：２５ｏ－２５３． ４９ ：１．７５％ 一１．２３％ “ ［３］李季平，吴启元，刘小廷，等．激光等密度等倾干涉 条纹法测定透明介质的厚度和折射率［Ｊ］．物理实 验，２０（３）：３８－４０． ９Ｏ４９ ．Ｆ４３王浩，邹积岩．薄膜厚度测量技术口］．微细加工技 术，１９９３，（１）：５５—６０． 对于普通物理实验中微米级的薄膜测量，该 实验装置的误差较小，显得方便实用。该装置适 用于微米级的薄膜测量，如果薄膜太厚，产生的干 涉条纹的数目越多，产生误差会较大。由于激光 波长本身的，对于纳米量级的厚度测量误差 也较大。 ［５］石一磊，苏俊宏，杨利红，等．基于相位偏移干涉术 的薄膜厚度测量方法ｌ－Ｊ３．应用光学，２００９，３０（１）； ７６－８０． ［６］陈凯，崔明启，郑雷等．ｎｌＴｌ量级薄膜厚度测量［Ｊ］．强 激光与粒子束，２００８，２０（２）：２５４—２５８． （下转第５３页） ３结 论 该测量方法的优点是不用已知薄膜的透射率 凹透镜激光法测量焦距的探究 可以作为测量凹透镜焦距的一种新方法。 参考文献： ４结 论 ［１３杨成伟．用激光为光源测量凹透镜焦距ＦＪＪ．实验科 学与技术，２００８． 此方法运用相似三角形原理，结合激光的特 ［２］黄羽中，欧阳艳东．测凹透镜焦距的新方法［Ｊ］．汕头 大学学报：自然科学版，１９９８． ［３３张志伟，孙丙西．一种测量薄凹透镜焦距的新方法 性，模拟出凹透镜虚物成虚像的光路，从而简便测 量出凹透镜的焦距，并且无需其他光学元件的辅 助，同时实验结果的精确度也较高，是一种可行的 ［Ｊ］．内蒙古民族大学学报：自然科学版，２００２． 测量凹透镜焦距的新方法。此方法可以作为大学 ［４］李建华．凹透镜焦距的测量方法口］．唐山师范学院 生的设计性、探究性和创新性实验。 学报，２００１． Ｔｈｅ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｃｏｎｃａｖｅ Ｌｅｎｓ Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｌｉｇｈｔ ＹＵ Ｔｉｎｇ，ＧＵ Ｊｕ－ｇｕａｎ，ＳＨＡＯ Ｚｏｎｇ－ｑｉａｎ，ＳＨＥＮ Ｙａｎ－ｌｉｎｇ （Ｈｕｚｈｏｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｚｈｏｕ ３１３０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｏｎｃａｖｅ ｌｅｎｓ ｏｆｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｃｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｕｒｉｆｖｅｒｓｉｔｙ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ，ｅｘｐｌｏｒｅ ａｎｄ ｉｎｎｏｖａｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ；ｃｏｎｃａｖｅ ｌｅｎｓ；ｆｏｃｕｓ （上接第５０页） Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｉｌｍ Ｔｈｉｃ￣ｅｓｓ ｂｙ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ’Ｓ Ｉｎｔｅｒｏｍｅｔｅｒ ＺＨＥＮＧ Ｚｈｉ－ｙｕａｎ，ＦＡＮ Ｚｈｅｎ－ｊｕｎ，ＤＯＮＧ Ａｉ－ｇｕｏ，ＸＩＮＧ Ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧ Ｚｉ—ｌｉ （Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｌｊｉｒ￣１０００８３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ’Ｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋ— ｎｅｓｓ．Ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ｅａｓｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｋｎｏｗｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｆｌｅｅ－ ｔｉｖｉｔｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ａｖｏｉｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ’Ｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ
