Интерференция в тонких плёнках

Интерфере́нция в тóнких плёнках — явление, которое возникает в результате разделения луча света при отражении от верхней и нижней границ тонкой плёнки. В результате возникают две световые волны, которые могут интерферировать. Тонкоплёночная интерференция объясняет цветовую палитру, видимую в свете, отражённом от мыльных пузырей и масляных плёнок на воде. Это явление также является основополагающим механизмом, используемым в объективах камер, зеркалах, оптических фильтрах и антибликовых покрытиях.

Интерференция отражённого света от поверхности мыльного пузыря

Теория

Луч света длиной волны , распространяющийся в воздушной среде с показателем преломления , при падении на поверхность плёнки с показателем преломления разделится на два луча. Часть отражается на верхней поверхности, а часть преломляется. Преломлённый луч достигает нижней границы, затем отражается от неё и, снова преломившись, выходит в воздушную среду когерентным с первым лучом. В силу условия когерентности двух лучей, наблюдается интерференционная картина, которая определяется оптической разностью хода между интерферирующими лучами:

. (1)
Интерференция в тонких плёнках

Учитывая закон преломления (закон Снеллиуса):

Получаем:

Подставляем в

.

Два луча дадут максимум, если и будет минимум, если

Условие максимума интенсивности света при интерференции:

Условие минимума интенсивности света при интерференции:

История

Интерференция на перьях павлина
Лазерный выходной соединитель покрыт множеством плёнок, уложенных друг на друга, для достижения отражательной способности 80 % при 550 нм. Слева: Зеркало обладает высокой отражающей способностью к жёлтому и зелёному цветам, но с высокой степенью пропускания к красному и синему. Справа: Зеркало пропускает 25 % лазерного излучения 589 нм.

Тонкоплёночная интерференция является обычно наблюдаемым явлением в природе, которое встречается у разных растений и животных. Одно из первых известных исследований этого феномена было проведено Робертом Гуком в 1665 году. Гук постулировал, что радуга в павлиньих перьях была вызвана тонкими чередующимися слоями пластины и воздуха .

В 1816 году Френель дополнил волновую теорию света. Тем не менее, очень мало было объяснений радуги до 1870-х годов, когда Джеймс Максвелл и Генрих Герц помогли объяснить электромагнитную природу света.

После изобретения интерферометра Фабри — Перо в 1899 году механизмы тонкоплёночных помех можно было продемонстрировать в более широком масштабе. Однако до начала XX века учёные объясняли радужный окрас у различных животных, например павлины и жуки-скарабеи, наличием красителей или пигментов, которые изменяют цвет при разных углах наблюдения.

В 1919 году лорд Рэлей предположил, что яркие, меняющиеся цвета были вызваны не красителями, а микроскопическими структурами, которые он назвал «структурными цветами» .

Первое производство тонкоплёночных покрытий произошло совершенно случайно. В 1817 году Йозеф Фраунгофер обнаружил, что потускнение стекла с азотной кислотой может уменьшить отражения на поверхности.

В 1819 году, наблюдая как слой спирта испаряется с листа стекла, Фраунгофер отметил, что цвета появились непосредственно перед тем, как жидкость полностью испарилась, и выяснилось, что любая тонкая плёнка из прозрачного материала будет создавать цвета.

Небольшое продвижение было сделано в технологии тонкоплёночного покрытия в 1936 году, когда Джон Стронг начал испарять флюорит, чтобы сделать антиотражающие покрытия на стекле.

В 1939 году Уолтер Х. Геффкен создал первые интерференционные фильтры с использованием диэлектрических покрытий.

Применение

В коммерческих проектах тонкие плёнки используются в антибликовых покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Они могут быть спроектированы для контроля количества света, отражённого или прошедшего на поверхности для определённой длины волны.

Эллипсометрия — это метод, который часто используется для измерения свойств тонких плёнок. Поляризованный свет отражается от поверхности плёнки и измеряется детектором. Затем проводится модельный анализ, в котором эта информация используется для определения толщины слоя плёнки и показателей преломления. Двойная поляризационная интерферометрия является новым методом измерения показателя преломления и толщины тонких плёнок молекулярного масштаба.

Галерея

См. также

Примечания

  1. Stavenga, D. G. Тонкая плёнка и многослойная оптика вызывают структурные цвета у многих насекомых и птиц // Materials Today: Proceedings : журнал. — 2014. Т. 1. С. 109–121. doi:10.1016/j.matpr.2014.09.007.
  2. Van Der Kooi, C. J.; Elzenga, J.T.M.; Dijksterhuis, J.; Stavenga, D.G. Функциональная оптика глянцевых цветов лютика (англ.) // Journal of the Royal Society Interface : journal. — 2017. Vol. 14, no. 127. P. 20160933. doi:10.1098/rsif.2016.0933. PMID 28228540.

Литература

Ссылки

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.