Co je interference tenkého filmu?
Definice interference tenkého filmu :
Rušením tenkého filmu se rozumí jev, kdy dochází k rušení světelných vln, které se odrážejí od horní a dolní strany tenkého filmu. Toto rušení je schopné buď zvýšit nebo snížit světlo odražené od filmu.
Jak dochází k rušení tenkého filmu?
Rušení tenkého filmu funguje | Vysvětlení interference tenkého filmu
Podle optiky tenký film označuje tenkou vrstvu materiálu, který má tloušťku v rozsahunanometrů na mikrons. Když světelné vlny dopadají na povrch tenkého filmu, pak se vlny buď odrážejí zpět od horního povrchu materiálu, nebo se přes něj přenášejí. Světelné vlny, kterým se podaří přenášet přes horní povrch, mohou trpět odrazem nebo opětovným přenosem ze spodního povrchu tenkého filmu. Množství světla (kvantitativní popis), které se může odrážet nebo přenášet z povrchů materiálu, se řídí Fresnelovými rovnicemi.
Světelné vlny, které se odrážejí od horního povrchu, občas interagují nebo interferují se světelnými vlnami, které se odrážejí od spodního povrchu, a vytvářejí interferenční obrazec. Úroveň interference, která může být buď konstruktivní, nebo destruktivní mezi dvěma odrazenými světelnými vlnami, závisí na fázovém rozdílu dvou světelných vln.
Fázový rozdíl mezi dvěma vlnami opět závisí na šířce nebo tloušťce vrstvy tenkého filmu, indexu lomu tenkého filmu a úhlu, pod kterým počáteční světelná vlna dopadá na danou vrstvu filmu. Kromě toho index lomu média na druhé straně hranice filmu také hraje roli při posunu fáze o 180 ° nebo π radiánů.
Světelná vlna může trpět fázovým posunem o 180 ° po odrazu od spodní hranice, pokud je index lomu média, na které světlo dopadá, větší než index lomu média, ve kterém se světlo původně pohybovalo. Jinými slovy, můžeme říci, že pokud n1 je index lomu prvního média a n2 je index lomu filmového materiálu a je dáno, že n1 <n2, pak světelná vlna putující z média 1 do média 2 může trpí odrazem fázového posunu π radiánů.
Po interferenci z takového média se pozoruje, že interferenční obrazec světla vytváří buď alternativní světlé a tmavé pruhy, nebo pruhy různých barev podle typu dopadajícího světla (chromatické nebo monochromatické nebo bílé).
Závislost interference tenkého filmu na vlnové délce
Podmínka pro konstruktivní a destruktivní interference v tenkém filmu
Podmínka pro destruktivní interference v tenkém filmu
Podmínkou vzniku destruktivního rušení, tj. Podmínkou nezbytnou k tomu, aby se paprsky odraženého světla vzájemně rušily a rušily, je to, že tloušťka filmu musí být lichým násobkem 1/4 vlnové délky dopadajícího světla. Světelná vlna patřící do takového rozsahu vlnových délek se nemůže odrážet, a proto je zcela přenášena.
Podmínka pro konstruktivní interference v tenkých filmech
Podmínkou pro konstruktivní interference to znamená, že podmínkou nezbytnou pro to, aby se odražené světelné paprsky vzájemně rušily a zesilovaly, je, že tloušťka filmu musí být lichým násobkem 1/2 vlnové délky světla dopadajícího na něj. V takových případech se odraz světelných vln od hranice tenkého filmu zvyšuje a přenos vlnění se snižuje.
Co je příčinou toho, že je tenký film vidět zbarven v bílém světle?
Závislost interference tenkého filmu na barvě světla.
Vzhledem k závislosti úrovně interference na vlnové délce u tenkých vrstev je vidět, že bílé světlo, které obsahuje řadu vlnových délek, se odráží a přenáší nerovnoměrně. Určité vlnové délky nebo barvy bílého světla se zesílí po konstruktivní interferenci a některé vlnové délky nebo barvy trpí destruktivní interferencí a jsou zeslabeny. Fenomén interference tenkého filmu nám poskytuje vysvětlení o výskytu více barev světla z mýdlových bublin a olejových filmů po odrazu.
Antireflexní vrstvy z hlediska interference tenkého filmu
Antireflexní povlaky zabudované do čoček a brýlí fotoaparátu také fungují na fenoménu interference tenkého filmu. Jsou navrženy tak, aby relativní fázový posun mezi paprskem odraženým na horní a dolní hranici tenkého filmu byl 180 °.
Faktory, na kterých závisí tloušťka tenkých vrstev:
Skutečná tloušťka nebo šířka filmu, která je při průchodu světelnými vlnami pokryta, závisí na dvou hlavních faktorech: indexu lomu a úhlu dopadu přicházející světelné vlny. Když se index lomu média zvýší ve srovnání s indexem lomu vzduchu, rychlost světla se sníží. Jinými slovy, můžeme říci, že rychlost světla v médiu je nepřímo úměrná indexu lomu média.
Víme, že frekvence světla zůstává stejná pro každé médium, proto ke změně rychlosti dochází v důsledku změny vlnové délky světla. Z tohoto důvodu jsou filmy vyráběny s ohledem na vlnovou délku, jak světlo prochází tenkým filmem.
Když je úhel dopadu nula stupňů nebo světelné vlny normálně klesají, je tloušťka filmu obvykle 1/4 nebo 1/2 střední vlnové délky dopadajícího světla. Když je úhel dopadu šikmý, je tloušťka filmu dána součinem kosinu úhlu dopadu s 1/4 nebo 1/2 vlnové délky. To vysvětluje, proč někdy vidíme změnu barvy, když měníme úhel pohledu. (U dané šířky filmu se barva světla posouvá z kratších na delší vlnové délky, když nakloníme úhel dopadu z normální polohy do šikmé.)
Barva světla generovaného interferencí tenkého filmu:
Po průchodu tenkým filmem dochází ke konstruktivnímu nebo destruktivnímu rušení, které vytváří úzký odraz nebo šířku pásma přenosu. Vzhledem k tvorbě těchto úzkých šířek pásma nemůžeme rozlišovat mezi vlnovými délkami na základě barvy. Odražené nebo procházející světlo obsahuje směs několika vlnových délek, které chybí ve zbývající části spektra.
Takové pozorování je také generováno hranoly nebo difrakčními mřížkami. Barvy pozorované v tomto případě zřídka patří do spektra VIBGYOR (fialová, indigo, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) a jsou to obvykle odstíny hnědé, šedozelené, zlaté, levandule, tyrkysové, jasně modré a purpurové.
Můžeme zkoumat a analyzovat vlnu odraženého nebo procházejícího světla tenkým filmem, abychom získali informace o šířce tenkého filmu nebo o provozním indexu lomu média tenkého filmu. Tenké fólie se komerčně používají pro řadu účelů, jako jsou antireflexní vrstvy, antireflexní čočky fotoaparátu, zrcadla a optické filtry.
Co je to interference tenkého filmu Co dává barvu mýdlovým bublinám a úniku oleje?
Rušení tenkého filmu v mýdlové bublině:
Fenomén interference tenkého filmu nám poskytuje vysvětlení o výskytu více barev světla z mýdlových bublin a olejových filmů po odrazu. Po průchodu tenkým filmem dochází ke konstruktivnímu nebo destruktivnímu rušení, které vytváří úzký odraz nebo šířku pásma přenosu. Povrch mýdlové bubliny proto působí jako tenký film a vytváří barevné spektrum podobné duhové.
Jak víte, zda je interference tenkého filmu konstruktivní nebo destruktivní?
Derivace tenkého filmu | Rovnice interference tenkého filmu:
Uvažujme o scénáři, ve kterém světelné vlny dopadají na tenkovrstvý materiál. Tyto světelné paprsky se odrážejí od horní i dolní hranice tenkého filmu. Pro získání podmínek pro interferenci by se měla měřit optická tloušťka nebo rozdíl optické dráhy (OPD) světla, které se odráží.
Tenký film interferenční diagram
Vzhledem k níže uvedenému paprskovému diagramu je rozdíl optické dráhy mezi dvěma světelnými vlnami dán vztahem:
Zde,
Použitím Snellova zákona to můžeme říci
Proto,
Tenký film s konstrukčním interferenčním vzorcem | Tenký film s destruktivní interferencí
Když je rozdíl OPD nebo optické dráhy mezi dvěma vlnami roven integrálnímu násobku dané vlnové délky světla, tj. OPD = mλ, (kde m je celé číslo), může dojít k destruktivní interferenci. Pro získání konstruktivní interference je požadovaný rozdíl délky dráhy (2t) by se měl rovnat integrálnímu násobku poloviny dané vlnové délky.
Je však pozorováno, že tato podmínka konstruktivního nebo destruktivního rušení se může měnit v závislosti na možných fázových posunech. Je však zjištěno, že
Jaké jsou aplikace interference tenkého filmu?
Aplikace interference tenkého filmu:
Fenomén interference tenkého filmu se používá pro následující aplikace:
- Antireflexní vrstvy: Antireflexní vrstvy se používají k eliminaci nebo omezení světla odraženého optickým systémem (zrcadla, čočky atd.) A k maximalizaci nebo zesílení světla přenášeného takovým systémem. Antireflexní vrstva je navržena nebo vyrobena takovým způsobem, že světlo odražené optickým systémem generuje destruktivní interference a světlo přenášené optickým systémem generuje konstruktivní interference pro určitou barvu nebo vlnovou délku dopadajícího světla.
Antireflexní vrstva je typicky navržena tak, že její optická šířka nebo tloušťka se rovná čtvrtvlnové délce dopadající světelné vlny a index lomu média leží mezi indexem lomu vzduchu a indexem lomu skla. Matematicky to lze prokázat rovnicemi:
nvzduch <npovlaků <nsklo
d = λ / (4npovlaků)
- Výroba optických přístrojů: Fenomén rušení tenkého filmu je široce používán pro výrobu optických přístrojů. Optické součásti, jako je čočka nebo zrcadlo, jsou testovány na přesnost porovnáním s předlohou při jejich navrhování a výrobě. Tyto optické komponenty jsou tvarovány takovým způsobem, že mají přesnost menší než vlnová délka po celém povrchu systému.
- Výzkumné účely: Tenkovrstvá interference může poskytnout informace o indexu lomu materiálu, jeho optické tloušťce, interakci s různými vlnovými délkami světla atd. Z tohoto důvodu se tenkovrstvá interference používá k analýze a porovnání několika různých optických médií.
Otázky týkající se interference tenkého filmu | Problémy s interferencemi tenkých filmů | Číselné údaje týkající se interference tenkého filmu:
Složité kamery jsou navrženy pomocí kombinace řady několika objektivů a zrcadel. Světelné paprsky se občas odrážejí od těchto povrchů čoček a snižují jasnost a rozlišení obrazu. Tyto vnitřní rozptýlené odrazy od čoček jsou omezeny potažením čoček tenkou vrstvou fluoridu hořečnatého. Antireflexní vrstva způsobuje destruktivní interference tenkého filmu a eliminuje rozptýlené světlo.
Problémy s praxí rušení tenkých vrstev
Co podle vás může být nejtenčí možná šířka filmu, pokud je index lomu povlaku roven 1.38 a vlnová délka, na kterou je navržen tak, aby optimálně fungovala, je 550 nm, což je obvykle nejintenzivnější vlnová délka patřící do viditelného spektra ? Index lomu skla se bere jako 1.52.
Řešení:
Pro získání destruktivního rušení zde
2t = λn2/2
Nechť je vlnová délka ve filmu λn2 a je dán
λn2= λ / n2
Proto tloušťka t může být dáno
t = (λ / n2) / 4 = (550 nm / 1.38) / 4 = 99.6 nm
Poznámka: Antireflexní potahové fólie, jako je ten, který je zmíněn v této otázce, jsou považovány za jeden z nejúčinnějších způsobů vytváření destruktivní interference s použitím nejtenčí možné vrstvy. To také poskytuje sníženou rozptýlenou intenzitu světla patřícího do širšího spektra a v širším rozsahu dopadajících úhlů.
Antireflexní vrstva je pojmenována po své funkci snižování odrazu určité vlnové délky. Jiné než zmíněné vlnové délky však mohou filtrem částečně projít, tj. Nejsou zcela zrušeny. Tyto antireflexní vrstvy se také používají k výrobě automobilových oken a slunečních brýlí.
Najděte tři nejmenší možnou optickou šířku mýdlové bubliny, která může generovat konstruktivní interferenci pro světlo patřící do červeného spektra o vlnové délce 650 nm? Index lomu mýdlové bubliny se v tomto případě považuje za rovný lomu vody.
Řešení: Zde, n1 = n3 = 1.00 pro vzduch
& n2 = 1.333 pro mýdlo (ekvivalent k vodě).
U paprsku, který se odráží od horního povrchu mýdlové bubliny, dochází k posunu λ / 2. Paprsek, který trpí odrazem od spodního povrchu, nezaznamená žádný posun.
Pro získání konstruktivní interference je požadovaný rozdíl délky dráhy (2t) by se měl rovnat integrálnímu násobku poloviny dané vlnové délky.
Proto jsou první tři možné hodnoty rozdílu délek λn / 2, 3λn / 2 a 5λn / 2.
Pro získání destruktivního rušení by se požadovaný rozdíl délky dráhy měl rovnat integrálnímu násobku dané vlnové délky.
Proto jsou první tři možné hodnoty rozdílu délek 0, λna 2λn.
Takže,
Konstruktivní rušení může proběhnout kdy
2tc = λn / 2, 3λn / 2 a 5λn / 2 atd
Proto nejmenší možná konstruktivní šířka nebo tloušťka tc je rovný:
tc = λn / 4 = (λ / n) / 4 = (650 nm / 1.333) / 4 = 122 nm
Druhá možná hodnota tloušťky, která může poskytnout konstruktivní interference, je t'c = 3 λn/ 4, Proto t'c = 366 nm.
Podobně třetí možná hodnota tloušťky, která může poskytnout konstruktivní interference, je t′ ′c = 5 λn/ 4, proto, t′ ′c = 610 nm.
Poznámka: Z výše uvedené otázky můžeme pozorovat, že pokud dopadající světlo bylo čistě červené, pak jsme mohli pozorovat světlé a tmavé pásy, které se rovnoměrně zvětšují, pokud jde o tloušťku.
Pozice prvního možného tmavého pásma by byla v tloušťce 0, pak by první možný jasný pás mohl být umístěn v tloušťce 122 nm, pak druhý tmavý pás v 244 nm, jasný pás v 366 nm, tmavý pás v 488 nm a jasný pásmo při 610 nm. Pokud by mýdlová bublina měla rovnoměrnou změnu tloušťky v celém rozsahu, například hladký klín, pak by získaný vzor pásu byl rovnoměrně rozložen v prostoru.
Proč nevidíme interference v tlustých filmech?
Světelné zdroje nejsou v praktickém světě obecně považovány za nekonečně malé. Světelné vlny se pohybují jako paprsek o určité šířce. To znamená, že světelné vlny dopadají na povrch materiálu v různých úhlech. U tenkých filmů pokrývají úhly přibližně stejné množství rozdílu optické dráhy a vytvářejí interferenční obrazec.
U tlustovrstvých materiálů však rozdíl optické dráhy v různých úhlech není stejný. V určitých úhlech světelné vlny vykazují konstruktivní interferenci, zatímco některé úhly ukazují destruktivní rušení. Výsledný vzor se proto ruší a nejsme schopni vidět žádnou interferenci.
Proč je potřebný široký zdroj světla, aby bylo možné pozorovat interferenční obraz tenkého filmu?
Pokud vezmeme v úvahu úzký zdroj nebo bodový zdroj světla pro pozorování interference, pak bude schopen osvětlit pouze malou selektivní část tenkého filmu. Jinými slovy, lidské oko bude schopno vidět pouze určitou část tenkého filmu. Z tohoto důvodu bude celkem nemožné pozorovat celý interferenční obrazec.
Na rozdíl od toho, když používáme širší zdroj světla, světelné vlny osvětlují celý povrch ve značně odlišných úhlech dopadu a odrážejí zpět paralelní paprsek do lidského oka. To pomáhá při sledování celého interferenčního obrazce tvořeného tenkým filmem.
Jak zjistíte minimální tloušťku tenkého filmu?
Minimální požadovaná tloušťka t tenkého filmu je dáno rovnicí t = (λ / n2) / 4. Kde n2 je index lomu tenkého filmu.
Závěr: V tomto tutoriálu s poznámkami o rušení tenkého filmu jsme skončili s diskusí o rušení tenkého filmu, rovnice, práce, závislost, aplikace, problémy a několik často kladených otázek. Chcete-li vědět více o světelné energii klikněte zde.
Také čtení:
Ahoj, jsem Sanchari Chakraborty. Vystudoval jsem elektroniku.
Vždy rád zkoumám nové vynálezy v oblasti elektroniky.
Jsem horlivý student, v současné době investuji do oblasti aplikované optiky a fotoniky. Jsem také aktivním členem SPIE (Mezinárodní společnost pro optiku a fotoniku) a OSI (Optical Society of India). Moje články jsou zaměřeny na přiblížení kvalitních vědeckých výzkumných témat jednoduchým, ale informativním způsobem. Věda se vyvíjí od nepaměti. Takže se snažím nahlédnout do evoluce a představit ji čtenářům.
Pojďme se připojit
