Interferencja cienkowarstwowa - Thin-film interference

Kolorowy wzór interferencyjny jest obserwowany, gdy światło odbija się od górnej i dolnej granicy cienkiej warstwy oleju. Różne pasma tworzą się, gdy grubość folii zmniejsza się od centralnego punktu odpływu.
Kolory w świetle odbitym od bańki mydlanej
Sprzęgacz wyjścia lasera jest pokryty wieloma ułożonymi warstwami, aby osiągnąć współczynnik odbicia 80% przy 550 nm. Po lewej: Lustro jest silnie odblaskowe na żółto i zielono, ale wysoce przepuszczalne na czerwony i niebieski. Po prawej: Lustro przepuszcza 25% światła laserowego 589 nm.

Interferencja cienkowarstwowa to naturalne zjawisko, w którym fale świetlne odbite przez górną i dolną granicę cienkiej warstwy interferują ze sobą, wzmacniając lub zmniejszając odbite światło . Gdy grubość błony jest nieparzystą wielokrotnością jednej czwartej długości fali światła na niej, fale odbite z obu powierzchni zakłócają się i wzajemnie znoszą. Ponieważ fala nie może zostać odbita, jest całkowicie transmitowanazamiast. Gdy grubość jest wielokrotnością połowy długości fali światła, dwie odbite fale wzmacniają się nawzajem, zwiększając odbicie i zmniejszając transmisję. W ten sposób, gdy białe światło, które składa się z szeregu długości fal, pada na folię, niektóre długości fal (kolory) są intensyfikowane, podczas gdy inne są osłabiane . Interferencja cienkowarstwowa wyjaśnia wielobarwność widzianą w świetle odbitym od baniek mydlanych i warstwy oleju na wodzie . Jest to również mechanizm działania powłok antyodblaskowych stosowanych w okularach i obiektywach aparatów .

Rzeczywista grubość folii zależy zarówno od jej współczynnika załamania, jak i od kąta padania światła. Prędkość światła jest wolniejsza w medium o wyższym indeksie; w ten sposób folia jest wytwarzana proporcjonalnie do długości fali podczas przechodzenia przez folię. Przy normalnym kącie padania grubość będzie zwykle równa ćwierć lub pół wielokrotności środkowej długości fali, ale przy skośnym kącie padania grubość będzie równa cosinusowi kąta w pozycji ćwierć lub pół długości fali, co uwzględnia zmieniające się kolory wraz ze zmianą kąta widzenia. (Dla dowolnej grubości, kolor zmieni się z krótszej na dłuższą, gdy kąt zmieni się z normalnego na ukośny.) Ta konstruktywna/destrukcyjna interferencja wytwarza wąskie pasma odbicia/transmisji, więc obserwowane kolory rzadko są oddzielnymi długościami fal, jak np. wytwarzany przez siatkę dyfrakcyjną lub pryzmat , ale mieszankę fal o różnych długościach, nieobecnych w widmie. Dlatego obserwowane kolory rzadko są kolorami tęczy, ale brązy, złoto, turkusy, cyraneczki, jasne błękity, fiolety i magenta. Badanie światła odbitego lub przepuszczonego przez cienką warstewkę może ujawnić informacje o grubości warstewki lub efektywnym współczynniku załamania nośnika warstewki. Cienkie folie mają wiele zastosowań komercyjnych, w tym powłoki antyrefleksyjne , lustra i filtry optyczne .

Teoria

Wykazanie różnicy długości drogi optycznej dla światła odbitego od górnej i dolnej granicy cienkiej warstwy.
Zakłócenia cienkowarstwowe spowodowane przez odszranianie ITO na oknie kokpitu Airbusa .

W optyce cienka warstwa to warstwa materiału o grubości w zakresie od subnametra do mikrona . Światło padające na powierzchnię folii jest przepuszczane lub odbijane od górnej powierzchni. Przepuszczane światło dociera do dolnej powierzchni i może ponownie zostać przepuszczone lub odbite. Te równania Fresnela przedstawia opis ilościowy ile światła będzie transmitowany lub odzwierciedlenie w interfejsie. Światło odbite od górnej i dolnej powierzchni będzie przeszkadzać. Stopień konstruktywnej lub destrukcyjnej interferencji między dwiema falami świetlnymi zależy od różnicy ich faz. Ta różnica z kolei zależy od grubości warstwy folii, współczynnika załamania folii i kąta padania oryginalnej fali na folię. Dodatkowo, przesunięcie fazowe o 180° lub radiany może być wprowadzone po odbiciu od granicy, w zależności od współczynników załamania materiałów po obu stronach granicy. To przesunięcie fazowe występuje, gdy współczynnik załamania światła ośrodka, przez który przechodzi światło, jest mniejszy niż współczynnik załamania materiału, w który uderza. Innymi słowy, jeśli światło przemieszcza się z materiału 1 do materiału 2, to po odbiciu następuje przesunięcie fazowe. Wzór światła, który wynika z tej interferencji, może wyglądać albo jako jasne i ciemne pasma, albo jako kolorowe pasma, w zależności od źródła padającego światła.

Weź pod uwagę światło padające na cienką warstwę i odbijane przez górną i dolną granicę. Różnica drogi optycznej (OPD) odbitego światła musi zostać obliczona w celu określenia warunków interferencji. Odnosząc się do powyższego diagramu promieni, OPD między dwiema falami wygląda następująco:

Gdzie,

Korzystając z prawa Snella ,

Zakłócenia będą konstruktywne, jeśli różnica dróg optycznych jest równa całkowitej wielokrotności długości fali światła, .

Ten stan może się zmienić po rozważeniu możliwych przesunięć fazowych, które pojawiają się po odbiciu.

Źródło monochromatyczne

Benzyna na wodzie pokazuje wzór jasnych i ciemnych prążków po oświetleniu światłem lasera 589 nm.

Tam, gdzie padające światło ma charakter monochromatyczny , wzory interferencyjne pojawiają się jako jasne i ciemne pasma. Jasne pasma odpowiadają obszarom, w których występuje konstruktywna interferencja pomiędzy odbitymi falami, a ciemne pasma odpowiadają obszarom destrukcyjnej interferencji. Ponieważ grubość folii zmienia się w zależności od miejsca, interferencja może zmieniać się z konstruktywnej na destrukcyjną. Dobry przykład tego zjawiska, zwany „ pierścieniami Newtona ”, pokazuje wzór interferencji, który powstaje, gdy światło odbija się od kulistej powierzchni przylegającej do powierzchni płaskiej. Koncentryczne pierścienie obserwuje się, gdy powierzchnia jest oświetlona światłem monochromatycznym. Zjawisko to jest wykorzystywane w przypadku płaskich powierzchni optycznych do pomiaru kształtu i płaskości powierzchni.

Źródło szerokopasmowe

Jeśli padające światło jest szerokopasmowe lub białe, na przykład światło słoneczne, wzory interferencyjne mają postać kolorowych pasów. Różne długości fal światła tworzą konstruktywną interferencję dla różnych grubości folii. Różne obszary folii mają różne kolory w zależności od lokalnej grubości folii.

Interakcja faz

Konstruktywna interakcja faz
Oddziaływanie fazy destrukcyjnej

Na rysunkach pokazano dwie padające wiązki światła (A i B). Każda wiązka wytwarza wiązkę odbitą (przerywaną). Odbicia będące przedmiotem zainteresowania to odbicie wiązki A od dolnej powierzchni i odbicie wiązki B od górnej powierzchni. Te odbite wiązki łączą się, tworząc wiązkę wypadkową (C). Jeżeli odbite wiązki są w fazie (jak na pierwszym rysunku) to wynikowa wiązka jest stosunkowo silna. Jeżeli natomiast odbite wiązki mają przeciwną fazę, to powstająca wiązka jest tłumiona (jak na drugim rysunku).

Zależność fazowa dwóch odbitych wiązek zależy od zależności między długością fali wiązki A w folii a grubością folii. Jeżeli całkowita wiązka odległości A przemieszczająca się w błonie jest całkowitą wielokrotnością długości fali wiązki w błonie, wówczas dwie odbite wiązki są w fazie i konstruktywnie zakłócają (jak pokazano na pierwszej figurze). Jeżeli odległość przebyta przez wiązkę A jest nieparzystą całkowitą wielokrotnością połowy długości fali światła w błonie, wiązki zakłócają destrukcyjnie (jak na drugim rysunku). Film pokazany na tych figurach odbija silniej przy długości fali wiązki światła na pierwszej figurze i słabiej przy długości fali wiązki na drugiej figurze.

Przykłady

Rodzaj interferencji, który występuje, gdy światło jest odbijane od cienkiej folii, zależy od długości fali i kąta padającego światła, grubości folii, współczynników załamania materiału po obu stronach folii oraz indeksu medium filmowe. Różne możliwe konfiguracje folii i związane z nimi równania są wyjaśnione bardziej szczegółowo w poniższych przykładach.

Bańka mydlana

Interferencja cienkiej warstwy w bańce mydlanej. Kolor zmienia się w zależności od grubości folii.
Światło padające na folię mydlaną w powietrzu

W przypadku bańki mydlanej światło przechodzi przez powietrze i uderza w mydlaną warstwę. Powietrze ma współczynnik załamania światła równy 1 ( ), a film ma współczynnik załamania większy niż 1 ( ). Odbicie, które występuje na górnej granicy warstewki (granica powietrze-powłoka) wprowadzi przesunięcie fazowe o 180° w odbitej fali, ponieważ współczynnik załamania powietrza jest mniejszy niż współczynnik załamania błony ( ). Światło, które jest przesyłane przez górną granicę pomiędzy błoną powietrzną i błoną, będzie kontynuowane do dolnej granicy błona-powietrze, gdzie może być odbite lub przepuszczone. Odbicie, które występuje na tej granicy, nie zmieni fazy fali odbitej, ponieważ . Warunkiem interferencji dla bańki mydlanej jest:

  do konstruktywnej interferencji światła odbitego
  do niszczącej interferencji światła odbitego

Gdzie jest grubość warstewki, jest współczynnikiem załamania warstewki, jest kątem padania fali na dolną granicę, jest liczbą całkowitą i jest długością fali światła.

Film olejny

Światło padające na film olejowy na wodzie

W przypadku cienkiego filmu olejowego warstwa oleju osadza się na warstwie wody. Olej może mieć współczynnik załamania światła bliski 1,5, a woda – 1,33. Podobnie jak w przypadku bańki mydlanej, materiały po obu stronach filmu olejowego (powietrze i woda) mają współczynniki załamania mniejsze niż indeks filmu. . Będzie przesunięcie fazowe po odbiciu od górnej granicy, ponieważ nie będzie przesunięcia po odbiciu od dolnej granicy, ponieważ . Równania dla interferencji będą takie same.

  do konstruktywnej interferencji światła odbitego
  do niszczącej interferencji światła odbitego

Powłoki antyrefleksyjne

Światło padające na powłokę antyrefleksyjną na szkle

Powłoka antyrefleksyjna eliminuje światło odbite i maksymalizuje przepuszczane światło w układzie optycznym. Folia jest zaprojektowana w taki sposób, że odbite światło wytwarza destrukcyjne zakłócenia, a światło przechodzące powoduje konstruktywne zakłócenia dla danej długości fali światła. W najprostszym wykonaniu takiej powłoki, folia jest tworzona tak, że jej grubość optyczna jest ćwierć długości fali padającego światła, a jej współczynnik załamania jest większy niż współczynnik powietrza i mniejszy niż współczynnik szkła.

Przesunięcie fazowe o 180° będzie indukowane po odbiciu zarówno na górnym, jak i dolnym interfejsie warstwy, ponieważ i . Równania na interferencję światła odbitego to:

  za konstruktywną ingerencję
  za niszczącą ingerencję

Jeżeli grubość optyczna jest równa ćwierć długości fali padającego światła i jeżeli światło pada na błonę przy normalnym padaniu , odbite fale będą całkowicie przesunięte w fazie i będą zakłócać destrukcyjnie. Dalsze zmniejszenie odbicia jest możliwe przez dodanie większej liczby warstw, z których każda jest zaprojektowana tak, aby pasowała do określonej długości fali światła.

Interferencja światła przechodzącego jest dla tych filmów całkowicie konstruktywna.

W naturze

Zabarwienie strukturalne spowodowane cienkowarstwowymi warstwami jest powszechne w świecie przyrody. Skrzydła wielu owadów ze względu na swoją minimalną grubość zachowują się jak cienkie warstwy. Jest to wyraźnie widoczne na skrzydłach wielu much i os. U motyli optyka cienkowarstwowa jest widoczna, gdy samo skrzydło nie jest pokryte pigmentowanymi łuskami, co ma miejsce w przypadku niebieskich plamek skrzydeł motyla Aglais io . Błyszczący wygląd kwiatów jaskry jest również zasługą cienkiej warstwy oraz lśniących piór na piersiach rajskiego ptaka .

Aplikacje

Okienko optyczne z powłoką antyodblaskową . Pod kątem 45° powłoka jest nieco grubsza w stosunku do padającego światła, powodując przesunięcie środkowej długości fali w kierunku czerwieni i pojawienie się odbić na fioletowym końcu widma. Przy 0°, dla którego ta powłoka została zaprojektowana, prawie nie obserwuje się odbicia.

Cienkie folie są stosowane komercyjnie w powłokach przeciwodblaskowych, lustrach i filtrach optycznych. Mogą być zaprojektowane tak, aby kontrolować ilość światła odbitego lub przepuszczonego na powierzchnię dla danej długości fali. Fabry-Perot etalon wykorzystuje cienką interferencyjnych do selektywnego wyboru długości fali światła, które mogą przechodzić przez urządzenie. Folie te powstają w procesach osadzania, w których materiał jest dodawany do podłoża w kontrolowany sposób. Metody obejmują chemiczne osadzanie z fazy gazowej oraz różne techniki fizycznego osadzania z fazy gazowej .

Cienkie filmy znajdują się również w przyrodzie. Wiele zwierząt posiada warstwę tkanki za siatkówką , Tapetum lucidum , która pomaga w zbieraniu światła. Efekty interferencji cienkowarstwowej można również zaobserwować w plamach oleju i bańkach mydlanych. Widmo odbicia z cienkiej folii wyposażony różne drgania i ekstrema częstotliwości może być używane do obliczania grubości cienkiej folii.

Elipsometria to technika często stosowana do pomiaru właściwości cienkich warstw. W typowym eksperymencie elipsometrycznym światło spolaryzowane jest odbijane od powierzchni folii i mierzone przez detektor. Mierzony jest zespolony współczynnik odbicia , , systemu. Następnie przeprowadzono analizę modelową, w której informacje te są wykorzystywane do określenia grubości warstwy folii i współczynników załamania.

Interferometria z podwójną polaryzacją to nowa technika pomiaru współczynnika załamania światła i grubości cienkich warstw w skali molekularnej oraz tego, jak zmieniają się one pod wpływem stymulacji.

Historia

Odpuszczania kolory są wytwarzane, gdy stal jest ogrzewana, a cienka warstwa tlenków żelaza na powierzchni. Kolor wskazuje temperaturę, jaką osiągnęła stal, co sprawiło, że jest to jedno z pierwszych praktycznych zastosowań interferencji cienkowarstwowej.
Opalizujące kolory interferencyjne w filmie olejowym

Opalizowanie wywołane interferencją cienkowarstwową jest powszechnie obserwowanym zjawiskiem w przyrodzie, występującym u różnych roślin i zwierząt. Jedno z pierwszych znanych badań tego zjawiska przeprowadził Robert Hooke w 1665 roku. W Micrographia Hooke postulował, że opalizację w pawich piórach powodowały cienkie, naprzemienne warstwy płyty i powietrza. W 1704 r. Isaac Newton stwierdził w swojej książce Opticks , że opalizacja w pawim piórze była spowodowana tym, że przezroczyste warstwy pióra były tak cienkie. W 1801 roku Thomas Young przedstawił pierwsze wyjaśnienie konstruktywnej i destrukcyjnej ingerencji. Wkład Younga pozostał w dużej mierze niezauważony do czasu pracy Augustina Fresnela , który pomógł ustalić falową teorię światła w 1816 roku. Jednak niewiele można było wyjaśnić opalizacji aż do lat 70. XIX wieku, kiedy James Maxwell i Heinrich Hertz pomogli wyjaśnić zjawisko elektromagnetyczne. natura światła . Po wynalezieniu interferometru Fabry'ego-Perota w 1899 r. można było zademonstrować mechanizmy interferencji cienkowarstwowej na większą skalę.

W większości wczesnych prac naukowcy próbowali wyjaśnić opalizację zwierząt, takich jak pawie i chrząszcze skarabeusz , jako pewną formę koloru powierzchni, taką jak barwnik lub pigment, który może zmieniać światło po odbiciu pod różnymi kątami. W 1919 roku Lord Rayleigh zaproponował, że jasne, zmieniające się kolory nie były spowodowane barwnikami lub pigmentami, ale mikroskopijnymi strukturami, które nazwał „ kolorami strukturalnymi ”. W 1923 CW Mason zauważył, że barbule w pawich piórach są wykonane z bardzo cienkich warstw. Niektóre z tych warstw były kolorowe, a inne przezroczyste. Zauważył, że naciśnięcie barbuli przesunęłoby kolor w kierunku niebieskiego, podczas gdy spęcznianie chemikaliami przesunęłoby go w kierunku czerwieni. Odkrył również, że wybielanie pigmentów z piór nie usuwało opalizacji. Pomogło to rozwiać teorię koloru powierzchni i wzmocnić teorię koloru strukturalnego.

W 1925 roku Ernest Merritt w swoim artykule A Spectrophotometric Study of Certain Cases of Structural Color po raz pierwszy opisał proces interferencji cienkowarstwowej jako wyjaśnienie opalizacji. Pierwsze badanie opalizujących piór za pomocą mikroskopu elektronowego miało miejsce w 1939 r., ujawniając złożone struktury cienkowarstwowe, podczas gdy badanie motyla morpho w 1942 r. ujawniło niezwykle maleńki zestaw struktur cienkowarstwowych w skali nanometrowej.

Pierwsza produkcja powłok cienkowarstwowych miała miejsce całkiem przypadkowo. W 1817 roku, Joseph Fraunhofer odkrył, że poprzez matowienie szkła z kwasem azotowym , mógł zredukować refleksy na powierzchni. W 1819 roku, po obserwowaniu, jak warstwa alkoholu ulatnia się z tafli szkła, Fraunhofer zauważył, że kolory pojawiły się tuż przed całkowitym wyparowaniem cieczy, dedukując, że każda cienka warstwa przezroczystego materiału da kolory.

Niewielki postęp poczyniono w technologii powlekania cienkowarstwowego aż do 1936 roku, kiedy John Strong zaczął odparowywać fluoryt w celu wykonania powłok antyrefleksyjnych na szkle. W 1930 ulepszenia próżniowe pompy wykonane przez osadzanie próżniowe metod jak rozpylanie jonowe , to możliwe. W 1939 roku Walter H. Geffcken stworzył pierwsze filtry interferencyjne wykorzystujące powłoki dielektryczne .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura