Co to jest interferencja cienkowarstwowa?
Definicja interferencji cienkowarstwowej :
Interferencja cienkowarstwowa odnosi się do zjawiska, w którym dochodzi do interferencji fal świetlnych, które są odbijane przez górną i dolną stronę cienkiej warstwy. Ta interferencja może zwiększać lub zmniejszać światło odbite od folii.
Jak dochodzi do interferencji cienkiej folii?
Cienki film interferencyjny działa! | Wyjaśnienie interferencji cienkowarstwowej
Według optyki cienka warstwa odnosi się do cienkiej warstwy materiału o grubości w zakresie sub-nanometr do mikrons. Kiedy fale świetlne padają na powierzchnię cienkiej folii, są albo odbijane z powrotem od górnej powierzchni materiału, albo przepuszczane przez nią. Fale świetlne, którym uda się przejść przez górną powierzchnię, mogą ponownie ulec odbiciu lub przejściu od dolnej powierzchni cienkiej folii. Ilość światła (opis ilościowy), które może zostać odbite lub przepuszczone od powierzchni materiału, jest regulowana równaniami Fresnela.
Czasami fale świetlne odbijane przez górną powierzchnię oddziałują lub interferują z falami świetlnymi odbijanymi od dolnej powierzchni i tworzą wzór interferencyjny. Poziom interferencji, który może być konstruktywny lub destrukcyjny między dwiema odbitymi falami świetlnymi, zależy od różnicy faz dwóch fal świetlnych.
Różnica faz między dwiema falami jest ponownie zależna od szerokości lub grubości warstwy cienkiej folii, współczynnika załamania cienkiej folii i kąta, pod którym początkowa fala świetlna pada na daną warstwę folii. Co więcej, współczynnik załamania ośrodka po drugiej stronie granicy warstewki również odgrywa rolę w przesunięciu fazy o 180° lub π radianów.
Fala świetlna może cierpieć z powodu przesunięcia fazowego o 180° po odbiciu od dolnej granicy, jeśli współczynnik załamania ośrodka, w który pada światło, jest większy niż współczynnik załamania ośrodka, w którym początkowo podróżowało światło. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że jeśli n1 jest współczynnikiem załamania światła pierwszego ośrodka, a n2 jest współczynnikiem załamania materiału folii i założono, że n1 < n2, to fala świetlna biegnąca od ośrodka 1 do ośrodka 2 może po odbiciu ulegają przesunięciu fazowemu radianów π.
Po interferencji z takiego ośrodka obserwuje się interferencyjny wzór światła tworzący albo naprzemienne jasne i ciemne pasma lub pasma o różnych kolorach w zależności od rodzaju padającego światła (chromatyczne lub monochromatyczne lub białe).
Zależność interferencji cienkowarstwowej od długości fali
Warunek konstruktywnej i destrukcyjnej ingerencji w cienkie warstwy
Warunek destrukcyjnej ingerencji w cienką warstwę
Warunkiem wystąpienia destrukcyjnej interferencji, tj. warunkiem koniecznym, aby odbite promienie światła interferowały i znosiły się nawzajem, jest to, że grubość warstwy musi być nieparzystą wielokrotnością 1/4 długości fali padającego na nią światła. Fala świetlna należąca do takiego zakresu długości fal nie może zostać odbita i dlatego jest całkowicie przepuszczana.
Warunek dla konstruktywna ingerencja w cienkich foliach
Warunek dla konstruktywna ingerencja do wystąpienia, tj. warunkiem koniecznym, aby odbite promienie świetlne interferowały i wzmacniały się nawzajem, jest to, że grubość warstwy musi być nieparzystą wielokrotnością 1/2 długości fali padającego na nią światła. W takich przypadkach odbicie fal świetlnych przez granicę cienkowarstwową wzrasta, a transmisja fal maleje.
Jaka jest przyczyna tego, że cienki film jest widoczny w białym świetle?
Zależność interferencji cienkowarstwowej od barwy światła.
Ze względu na zależność poziomu interferencji od długości fali w cienkich warstwach widać, że białe światło, które obejmuje kilka długości fali, jest odbijane i transmitowane nierównomiernie. Pewne długości fal lub kolory światła białego ulegają wzmocnieniu po konstruktywnej interferencji, a niektóre długości fal lub kolory podlegają destrukcyjnym interferencjom i są osłabiane. Zjawisko interferencji cienkowarstwowej wyjaśnia występowanie wielu barw światła z baniek mydlanych i filmów olejowych po odbiciu.
Powłoki antyodblaskowe w zakresie interferencji cienkowarstwowej
Powłoki antyodbiciowe zastosowane w obiektywach i okularach aparatu działają również na zjawisko interferencji cienkowarstwowej. Są one zaprojektowane tak, aby względne przesunięcie fazowe pomiędzy wiązką odbitą na górnej i dolnej granicy cienkiej warstwy wynosiło 180°.
Czynniki, od których zależy grubość cienkich folii:
Rzeczywista grubość lub szerokość warstwy, którą pokrywają fale świetlne podczas przechodzenia przez nią, zależy od dwóch głównych czynników: współczynnika załamania światła i kąta padania wpadającej fali świetlnej. Gdy współczynnik załamania światła wzrasta w porównaniu do współczynnika załamania powietrza, prędkość światła maleje. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że prędkość światła w ośrodku jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika załamania ośrodka.
Wiemy, że częstotliwość światła pozostaje taka sama dla każdego ośrodka, dlatego zmiana prędkości następuje z powodu zmiany długości fali światła. Z tego powodu folie są produkowane z uwzględnieniem długości fali światła przechodzącego przez cienką folię.
Gdy kąt padania wynosi zero stopni lub fale świetlne normalnie opadają, grubość warstewki wynosi na ogół 1/4 lub 1/2 środkowej długości fali padającego światła. Gdy kąt padania jest ukośny, grubość folii jest wyrażona jako iloczyn cosinusa kąta padania przy 1/4 lub 1/2 długości fali. To wyjaśnia, dlaczego czasami widzimy różnice w kolorze, gdy zmieniamy kąt widzenia. (Dla danej szerokości błony kolor światła zmienia się z krótszych na dłuższe, gdy przechylamy kąt padania z pozycji normalnej do ukośnej.)
Barwa światła generowana przez interferencję cienkowarstwową:
Po przejściu przez cienką folię dochodzi do interferencji konstruktywnej lub destrukcyjnej, która generuje wąskie pasmo odbicia lub transmisji. Ze względu na powstawanie tych wąskich pasm nie możemy rozróżnić długości fal na podstawie koloru. Światło odbite lub przepuszczone stanowi mieszaninę kilku długości fal, których nie ma w pozostałej części widma.
Taka obserwacja jest również generowana przez pryzmaty lub siatki dyfrakcyjne. Kolory obserwowane w tym przypadku rzadko należą do spektrum VIBGYOR (fiolet, indygo, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwony) i są to zazwyczaj odcienie brązu, turkusu, złota, lawendy, turkusu, jasnego błękitu i magenty.
Możemy badać i analizować odbitą lub przepuszczaną falę świetlną za pomocą cienkiej warstwy, aby zebrać informacje o szerokości cienkiej warstwy lub współczynniku załamania cienkowarstwowego ośrodka. Cienkie folie są wykorzystywane komercyjnie do wielu celów, takich jak powłoki przeciwodblaskowe, soczewki przeciwodblaskowe kamer, lustra i filtry optyczne.
Co to jest interferencja cienkowarstwowa Co nadaje kolor bańkom mydlanym i wyciekom oleju?
Interferencja cienkiej warstwy w bańce mydlanej:
Zjawisko interferencji cienkiej warstwy wyjaśnia nam występowanie wielu barw światła z baniek mydlanych i filmu olejowego po odbiciu. Po przejściu przez cienką folię dochodzi do interferencji konstruktywnej lub destrukcyjnej, która generuje wąskie pasmo odbicia lub transmisji. Dlatego powierzchnia bańki mydlanej działa jak cienka warstwa i wytwarza widmo koloru podobne do tęczy.
Skąd wiesz, czy interferencja cienkowarstwowa jest konstruktywna czy destrukcyjna?
Wyprowadzenie interferencji cienkowarstwowej | Równanie interferencji cienkowarstwowej:
Rozważmy scenariusz, w którym fale świetlne padają na materiał cienkowarstwowy. Te promienie światła odbijają się od górnej i dolnej granicy cienkiej warstwy. W celu uzyskania warunków interferencji należy zmierzyć grubość optyczną lub różnicę ścieżek optycznych (OPD) światła, które jest odbijane.
Schemat interferencji cienkowarstwowej
Biorąc pod uwagę wykres promienia pokazany poniżej, różnica dróg optycznych między dwiema falami świetlnymi jest dana wzorem:
Tutaj,
Korzystając z prawa Snella możemy powiedzieć, że
Dlatego
Konstruktywna formuła interferencji cienki film | Destrukcyjna formuła interferencji cienki film
Gdy różnica OPD lub drogi optycznej między dwiema falami jest równa całkowitej wielokrotności danej długości fali światła, tj. OPD = mλ, (gdzie m jest liczbą całkowitą), może wystąpić destrukcyjna interferencja. Aby uzyskać konstruktywną interferencję, wymagana różnica długości ścieżki (2t) powinna być równa całkowitej wielokrotności połowy danej długości fali.
Jednak obserwuje się, że ten stan konstruktywnej lub destrukcyjnej interferencji może się zmieniać w zależności od możliwych przesunięć fazowych. Obserwuje się jednak, że
Jakie są zastosowania interferencji cienkowarstwowej?
Zastosowanie interferencji cienkowarstwowej:
Zjawisko interferencji cienkowarstwowej wykorzystywane jest w następujących zastosowaniach:
- Powłoki antyrefleksyjne: Powłoki antyodblaskowe są stosowane w celu wyeliminowania lub ograniczenia światła odbijanego przez układ optyczny (lustra, soczewki itp.) oraz maksymalizacji lub wzmocnienia światła przepuszczanego przez taki układ. Powłoka przeciwodblaskowa jest zaprojektowana lub wykonana w taki sposób, że światło odbite przez układ optyczny generuje destrukcyjne zakłócenia, a światło przepuszczane przez układ optyczny generuje konstruktywne zakłócenia dla określonej barwy lub długości fali padającego światła.
Zazwyczaj powłoka przeciwodblaskowa jest zaprojektowana tak, że jej szerokość optyczna lub grubość jest równa ćwierć długości fali padającej fali świetlnej, a współczynnik załamania ośrodka leży między współczynnikiem załamania światła a współczynnikiem załamania szkła. Matematycznie można to wykazać za pomocą równań:
npowietrze <npowłoki <nszkło
d=λ/(4npowłoki)
- Produkcja instrumentów optycznych: Zjawisko interferencji cienkowarstwowej jest szeroko stosowane w produkcji instrumentów optycznych. Komponenty optyczne, takie jak soczewka czy lustro, są testowane pod kątem ich dokładności, porównując je z wzorcem podczas ich projektowania i produkcji. Te elementy optyczne są ukształtowane w taki sposób, że mają dokładność mniejszą niż długość fali na całej powierzchni systemu.
- Cele badawcze: Interferencja cienkowarstwowa może dostarczyć informacji o współczynniku załamania materiału, jego grubości optycznej, interakcji z różnymi długościami fal światła itp. Z tego powodu interferencja cienkowarstwowa jest używana do analizowania i porównywania kilku różnych mediów optycznych.
Pytania dotyczące interferencji cienkowarstwowej | Przykładowe problemy z interferencją cienkowarstwową | Numeryczne związane z interferencją cienkowarstwową:
Złożone kamery są projektowane przy użyciu kombinacji serii kilku obiektywów i luster. Czasami promienie świetlne odbijają się od tych powierzchni soczewek i zmniejszają wyrazistość i rozdzielczość obrazu. Te wewnętrzne odbicia rozproszone od soczewek są ograniczone przez pokrycie soczewek cienką warstwą fluorku magnezu. Powłoka antyrefleksyjna powoduje destrukcyjne interferencje cienkowarstwowe i eliminuje rozproszone światło.
Problemy z praktyką interferencji cienkiej warstwy
Jaka według Ciebie może być najcieńsza możliwa szerokość filmu, jeśli współczynnik załamania powłoki wynosi 1.38, a długość fali, na której ma działać optymalnie, wynosi 550 nm, co jest typowo najintensywniejszą długością fali należącą do widma widzialnego ? Współczynnik załamania szkła przyjmuje się jako 1.52.
Rozwiązanie:
Aby uzyskać destrukcyjną ingerencję tutaj,
2t=λn2/2
Niech długość fali w filmie będzie λn2 i jest przez
λn2= λ/n2
Dlatego grubość t może być podany przez
t = (λ/n2)/4 = (550 nm/1.38) /4 =99.6 nm
Uwaga: Powłoki antyrefleksyjne, takie jak wspomniana w tym pytaniu, uważane są za jeden z najskuteczniejszych sposobów generowania niszczącej ingerencji przy użyciu jak najcieńszej warstwy. Zapewnia to również zmniejszoną intensywność światła rozproszonego należącego do szerszego spektrum i w szerszym zakresie kątów padania.
Powłoka antyrefleksyjna została nazwana od jej funkcji zmniejszania odbicia określonej długości fali. Jednak inne długości fal niż wymieniona mogą częściowo przechodzić przez filtr, tj. nie są całkowicie kasowane. Te powłoki antyrefleksyjne są również wykorzystywane do produkcji szyb samochodowych i okularów przeciwsłonecznych.
Znajdź trzy najmniejsze możliwe szerokości optyczne bańki mydlanej, które mogą generować konstruktywne zakłócenia dla światła z czerwonego widma o długości fali 650 nm? W tym przypadku współczynnik załamania bańki mydlanej jest równy współczynnikowi załamania wody.
Rozwiązanie: Tutaj, n1 = n3 = 1.00 dla powietrza
& n2 = 1.333 dla mydła (odpowiednik wody).
Dla promienia odbitego od górnej powierzchni bańki mydlanej następuje przesunięcie o λ/2. Promień, który ulega odbiciu od dolnej powierzchni, nie ulega przesunięciu.
Aby uzyskać konstruktywną interferencję, wymagana różnica długości ścieżki (2t) powinna być równa całkowitej wielokrotności połowy danej długości fali.
Dlatego pierwsze trzy możliwe wartości różnicy długości to λn/2, 3λn/2 i 5λn/2.
Aby uzyskać interferencję destrukcyjną, wymagana różnica długości ścieżki powinna być równa całkowitej wielokrotności danej długości fali.
Dlatego pierwsze trzy możliwe wartości różnicy długości to 0, λn, oraz 2λn.
Więc,
Konstruktywna ingerencja może mieć miejsce, kiedy
2tc= λn/2, 3λn/2, 5λn/2 itd.
Dlatego najmniejsza możliwa szerokość lub grubość konstrukcyjna tc jest równe:
tc= λn/4 = (λ/n)/4 = (650 nm/1.333)/4 =122 nm
Drugą możliwą wartością grubości, która może zapewnić konstruktywną ingerencję, jest t'c = 3λn/4, Dlatego t'c = 366 nm.
Podobnie, trzecią możliwą wartością grubości, która może zapewnić konstruktywną ingerencję, jest t''c = 5λn/4 zatem t''c = 610 nm.
Uwaga: Z powyższego pytania możemy zaobserwować, że jeśli padające światło było czysto czerwone, to moglibyśmy zaobserwować jasne i ciemne pasma, które zwiększają się równomiernie pod względem grubości.
Pozycja pierwszego możliwego ciemnego pasma miałaby grubość 0, następnie pierwsze możliwe jasne pasmo mogłoby mieć grubość 122 nm, następnie drugie ciemne pasmo przy 244 nm, jasne pasmo przy 366 nm, ciemne pasmo przy 488 nm i jasne pasmo przy 610 nm. Jeżeli bańka mydlana miałaby jednorodną zmienność grubości, taką jak gładki klin, wówczas uzyskany wzór pasm byłby równomiernie rozłożony w przestrzeni.
Dlaczego nie widzimy ingerencji w grubych filmach?
Źródła światła na ogół nie są nieskończenie małe w praktycznym świecie. Fale świetlne rozchodzą się jako wiązka o określonej szerokości. Oznacza to, że fale świetlne padają na powierzchnię materiału pod różnymi kątami. W przypadku cienkich folii kąty pokrywają w przybliżeniu taką samą różnicę ścieżek optycznych i generują wzór interferencyjny.
Jednak w przypadku materiałów grubowarstwowych różnica ścieżek optycznych pod różnymi kątami nie jest taka sama. Pod pewnymi kątami fale świetlne wykazują konstruktywną interferencję, podczas gdy pod pewnymi kątami widać Niszczące zakłócenia. Wynikowy wzór zostaje zatem skasowany i nie widzimy żadnych zakłóceń.
Dlaczego do obserwacji wzoru interferencyjnego przez cienką warstwę potrzebne jest szerokie źródło światła?
Jeśli weźmiemy pod uwagę wąskie źródło lub punktowe źródło światła do obserwacji interferencji, to będzie ono w stanie oświetlić tylko niewielką selektywną część cienkiej błony. Innymi słowy, ludzkie oko będzie w stanie zobaczyć tylko pewną część cienkiej warstwy. Z tego powodu obserwowanie całego wzoru interferencji będzie raczej niemożliwe.
W przeciwieństwie do tego, gdy używamy szerszego źródła światła, fale świetlne oświetlają całą powierzchnię pod znacznie różnymi kątami padania i odbijają równoległą wiązkę do ludzkiego oka. Pomaga to w obejrzeniu całego wzoru interferencyjnego utworzonego przez cienką warstwę.
Jak znaleźć minimalną grubość cienkiej folii?
Minimalna wymagana grubość t cienkiej warstwy jest wyrażona równaniem t = (λ/n2)/4. Gdzie n2 jest współczynnikiem załamania cienkiej warstwy.
Wniosek: W tym samouczku dotyczącym interferencji cienkowarstwowej zakończyliśmy dyskusję na temat interferencji cienkowarstwowej, równań, pracy, zależności, zastosowań, problemów i kilku często zadawanych pytań. Aby dowiedzieć się więcej o energii świetlnej kliknij tutaj.
Przeczytaj także:
Cześć, jestem Sanchari Chakraborty. Zrobiłem magisterium z elektroniki.
Zawsze lubię odkrywać nowe wynalazki w dziedzinie elektroniki.
Jestem chętnym uczniem, obecnie inwestuję w dziedzinę optyki stosowanej i fotoniki. Jestem także aktywnym członkiem SPIE (Międzynarodowe stowarzyszenie optyki i fotoniki) oraz OSI (Indyjskie Towarzystwo Optyczne). Moje artykuły mają na celu przybliżenie tematów badań naukowych wysokiej jakości w prosty, ale pouczający sposób. Nauka ewoluuje od niepamiętnych czasów. Próbuję więc wykorzystać tę ewolucję i przedstawić ją czytelnikom.
Połączmy się przez