Интерференция тонкой пленки

Интерференция тонких пленок — это естественное явление, при котором световые волны , отраженные верхней и нижней границами тонкой пленки, интерферируют друг с другом, увеличивая отражение на некоторых длинах волн и уменьшая на других. Когда белый свет падает на тонкую пленку, этот эффект приводит к появлению цветных отражений.

Интерференция тонкой пленки объясняет множественные цвета, видимые в свете, отраженном от мыльных пузырей и масляных пленок на воде . Это также механизм, лежащий в основе действия антибликовых покрытий, используемых на очках и объективах камер . Если толщина пленки намного больше длины когерентности падающего света, то интерференционная картина будет размыта из-за ширины линии источника света.

Отражение от тонкой пленки обычно не является отдельными длинами волн, как это происходит с дифракционной решеткой или призмой , а скорее представляет собой смесь различных длин волн. Поэтому наблюдаемые цвета редко являются цветами радуги, а скорее коричневыми, золотыми, бирюзовыми, сине-зелеными, ярко-синими, пурпурными и пурпурными. Изучение света, отраженного или прошедшего через тонкую пленку, может дать информацию о толщине пленки или эффективном показателе преломления среды пленки. Тонкие пленки имеют множество коммерческих применений, включая антибликовые покрытия , зеркала и оптические фильтры .

Теория

Тонкопленочные помехи, вызванные антиобледенительным покрытием ITO на окне кабины Airbus .

В оптике тонкая пленка представляет собой слой материала толщиной в диапазоне от субнанометра до микрона . Когда свет падает на поверхность пленки, он либо передается, либо отражается на верхней поверхности. Прошедший свет достигает нижней поверхности и может снова передаваться или отражаться. Уравнения Френеля дают количественное описание того, какая часть света будет передана или отражена на границе раздела. Свет, отраженный от верхней и нижней поверхностей, будет интерферировать. Степень конструктивной или деструктивной интерференции между двумя световыми волнами зависит от разницы в их фазе. Эта разница, в свою очередь, зависит от толщины слоя пленки, показателя преломления пленки и угла падения исходной волны на пленку. Кроме того, при отражении на границе может быть введен фазовый сдвиг на 180° или радиан в зависимости от показателей преломления материалов по обе стороны границы. Этот фазовый сдвиг происходит, если показатель преломления среды, через которую проходит свет, меньше показателя преломления материала, на который он падает. Другими словами, если и свет движется из материала 1 в материал 2, то при отражении происходит сдвиг фаз. Картина света, которая возникает в результате этой интерференции, может выглядеть либо как светлые и темные полосы, либо как цветные полосы в зависимости от источника падающего света. $\пи$ $n_{1}<n_{2}$

Рассмотрим свет, падающий на тонкую пленку и отраженный как верхней, так и нижней границей. Оптическая разность хода (OPD) отраженного света должна быть рассчитана для определения условия интерференции. Ссылаясь на диаграмму лучей выше, OPD между двумя волнами выглядит следующим образом:

OPD=n_{2}({\overline {AB}}+{\overline {BC}})-n_{1}({\overline {AD}})

Где,

{\overline {AB}}={\overline {BC}}={\frac {d}{\cos(\theta _{2})}}

{\overline {AD}}=2d\tan(\theta _{2})\sin(\theta _{1})

Используя закон Снеллиуса , $n_{1}\sin(\theta _{1})=n_{2}\sin(\theta _{2})$

{\begin{aligned}OPD&=n_{2}\left({\frac {2d}{\cos(\theta _{2})}}\right)-2d\tan(\theta _{2})n_{2}\sin(\theta _{2})\\&=2n_{2}d\left({\frac {1-\sin ^{2}(\theta _{2})}{\cos(\theta _{2})}}\right)\\&=2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})\\\end{aligned}}

Интерференция будет конструктивной, если оптическая разность хода равна целому кратному длины волны света . $\лямбда$

2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

Это условие может измениться после рассмотрения возможных фазовых сдвигов, возникающих при отражении.

Монохроматический источник

Если падающий свет по своей природе монохроматичен , интерференционные картины выглядят как светлые и темные полосы. Светлые полосы соответствуют областям, в которых происходит конструктивная интерференция между отраженными волнами, а темные полосы соответствуют областям деструктивной интерференции. Поскольку толщина пленки варьируется от одного места к другому, интерференция может меняться от конструктивной к деструктивной. Хороший пример этого явления, называемый « кольцами Ньютона », демонстрирует интерференционную картину, которая возникает при отражении света от сферической поверхности, прилегающей к плоской поверхности. Концентрические кольца наблюдаются, когда поверхность освещается монохроматическим светом. Это явление используется с оптическими плоскостями для измерения формы и плоскостности поверхностей.

Источник широкополосного доступа

Если падающий свет широкополосный или белый, например, свет от солнца, интерференционные узоры выглядят как цветные полосы. Различные длины волн света создают конструктивную интерференцию для разной толщины пленки. Различные области пленки выглядят разными цветами в зависимости от локальной толщины пленки.

Фазовое взаимодействие

На рисунках показаны два падающих световых луча (A и B). Каждый луч создает отраженный луч (пунктир). Интересующие нас отражения — это отражение луча A от нижней поверхности и отражение луча B от верхней поверхности. Эти отраженные лучи объединяются, чтобы создать результирующий луч (C). Если отраженные лучи находятся в фазе (как на первом рисунке), результирующий луч относительно силен. Если, с другой стороны, отраженные лучи имеют противоположную фазу, результирующий луч ослабевает (как на втором рисунке).

Фазовое соотношение двух отраженных лучей зависит от соотношения между длиной волны луча A в пленке и толщиной пленки. Если общее расстояние, пройденное лучом A в пленке, является целым кратным длины волны луча в пленке, то два отраженных луча находятся в фазе и конструктивно интерферируют (как показано на первом рисунке). Если расстояние, пройденное лучом A, является нечетным целым кратным половины длины волны света в пленке, то лучи деструктивно интерферируют (как показано на втором рисунке). Таким образом, пленка, показанная на этих рисунках, сильнее отражает на длине волны светового луча на первом рисунке и слабее на длине волны луча на втором рисунке.

Примеры

Тип интерференции, возникающей при отражении света от тонкой пленки, зависит от длины волны и угла падающего света, толщины пленки, показателей преломления материала по обе стороны пленки и показателя преломления среды пленки. Различные возможные конфигурации пленки и соответствующие уравнения более подробно объясняются в примерах ниже.

мыльный пузырь

В случае мыльного пузыря свет проходит через воздух и попадает на мыльную пленку. Воздух имеет показатель преломления 1 ( ), а пленка имеет показатель больше 1 ( ). Отражение, которое происходит на верхней границе пленки (граница воздух-пленка), внесет сдвиг фазы на 180° в отраженную волну, поскольку показатель преломления воздуха меньше показателя преломления пленки ( ). Свет, который передается на верхнюю границу раздела воздух-пленка, продолжит движение к нижней границе раздела пленка-воздух, где он может быть отражен или передан. Отражение, которое происходит на этой границе, не изменит фазу отраженной волны, поскольку . Условие интерференции для мыльного пузыря следующее: $n_{\rm {воздух}}=1$ $n_{\rm {фильм}}>1$ $n_{\rm {воздух}}<n_{\rm {пленка}}$ $n_{\rm {film}}>n_{\rm {air}}$

2n_{\rm {film}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda

для конструктивной интерференции отраженного света

2n_{\rm {film}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

для деструктивной интерференции отраженного света

Где — толщина пленки, — показатель преломления пленки, — угол падения волны на нижнюю границу, — целое число, — длина волны света. $д$ $n_ {\rm {фильм}}$ $\тета _{2}$ $м$ $\лямбда$

Масляная пленка

В случае тонкой масляной пленки слой масла находится поверх слоя воды. Масло может иметь показатель преломления около 1,5, а вода — 1,33. Как и в случае мыльного пузыря, материалы по обе стороны масляной пленки (воздух и вода) имеют показатели преломления, которые меньше показателя преломления пленки. . При отражении от верхней границы будет сдвиг фаз, поскольку , но при отражении от нижней границы сдвига не будет, поскольку . Уравнения для интерференции будут такими же. $n_{\rm {воздух}}<n_{\rm {вода}}<n_{\rm {масло}}$ $n_{\rm {воздух}}<n_{\rm {масло}}$ $n_{\rm {масло}}>n_{\rm {вода}}$

2n_{\rm {oil}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda

для конструктивной интерференции отраженного света

2n_{\rm {oil}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

для деструктивной интерференции отраженного света

Антибликовые покрытия

Антибликовое покрытие устраняет отраженный свет и максимизирует проходящий свет в оптической системе. Пленка разработана таким образом, что отраженный свет производит деструктивную интерференцию, а проходящий свет производит конструктивную интерференцию для заданной длины волны света. В простейшей реализации такого покрытия пленка создается таким образом, что ее оптическая толщина составляет четверть длины волны падающего света, а ее показатель преломления больше показателя воздуха и меньше показателя стекла. $dn_{\rm {покрытие}}$

n_{\rm {воздух}}<n_{\rm {покрытие}}<n_{\rm {стекло}}

d=\lambda /(4n_{\rm {покрытие}})

Фазовый сдвиг на 180° будет вызван при отражении как на верхней, так и на нижней границах раздела пленки, поскольку и . Уравнения для интерференции отраженного света следующие: $n_{\rm {воздух}}<n_{\rm {покрытие}}$ $n_{\rm {покрытие}}<n_{\rm {стекло}}$

2n_{\rm {покрытие}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

для конструктивного вмешательства

2n_{\rm {покрытие}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda

для деструктивного вмешательства

Если оптическая толщина равна четверти длины волны падающего света и если свет падает на пленку при нормальном падении , отраженные волны будут полностью не в фазе и будут деструктивно интерферировать. Дальнейшее уменьшение отражения возможно путем добавления большего количества слоев, каждый из которых предназначен для соответствия определенной длине волны света. $dn_{\rm {покрытие}}$ $(\theta _{2}=0)$

Интерференция проходящего света для этих пленок полностью конструктивна.

В природе

Структурная окраска, обусловленная тонкими слоями пленки, распространена в природе. Крылья многих насекомых действуют как тонкие пленки из-за своей минимальной толщины. Это отчетливо видно на крыльях многих мух и ос. У бабочек тонкопленочная оптика видна, когда само крыло не покрыто пигментированными чешуйками крыла, как это имеет место в случае синих пятен на крыльях бабочки Aglais io . ^[1] Глянцевый вид цветков лютика также обусловлен тонкой пленкой ^[2]^[3], а также блестящими перьями на груди райской птицы . ^[4]

Синие пятна на крыльях европейской павлиньи бабочки ( Aglais io ) возникают из-за тонкопленочной интерференции. ^[1]
Блеск цветков лютика обусловлен интерференцией тонкой пленки. ^[2]

Приложения

Тонкие пленки используются в коммерческих целях в антибликовых покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Они могут быть спроектированы для управления количеством света, отраженного или прошедшего через поверхность для заданной длины волны. Эталон Фабри-Перо использует интерференцию тонкой пленки для выборочного выбора длин волн света, которые могут проходить через устройство. Эти пленки создаются с помощью процессов осаждения, в которых материал добавляется к подложке контролируемым образом. Методы включают химическое осаждение из паровой фазы и различные методы физического осаждения из паровой фазы .

Тонкие пленки также встречаются в природе. У многих животных есть слой ткани позади сетчатки , Tapetum lucidum , который помогает собирать свет. Эффекты интерференции тонкой пленки можно также наблюдать в масляных пятнах и мыльных пузырях. Спектр отражения тонкой пленки характеризуется отчетливыми колебаниями, а экстремумы спектра можно использовать для расчета толщины тонкой пленки. ^[1]

Эллипсометрия — это метод, который часто используется для измерения свойств тонких пленок. В типичном эксперименте по эллипсометрии поляризованный свет отражается от поверхности пленки и измеряется детектором. Измеряется комплексный коэффициент отражения, , системы. Затем проводится анализ модели, в котором информация используется для определения толщины слоев пленки и показателей преломления. $\ро$

Двойная поляризационная интерферометрия — это новый метод измерения показателя преломления и толщины тонких пленок молекулярного масштаба, а также того, как они изменяются при стимуляции.

История

Иризация, вызванная тонкопленочной интерференцией, является широко распространенным явлением в природе, встречающимся у множества растений и животных. Одно из первых известных исследований этого явления было проведено Робертом Гуком в 1665 году. В «Микрографии» Гук постулировал, что иризация павлиньих перьев вызвана тонкими чередующимися слоями пластины и воздуха. В 1704 году Исаак Ньютон в своей книге «Оптика» заявил , что иризация павлиньих перьев обусловлена тем, что прозрачные слои в перьях были настолько тонкими. ^[5] В 1801 году Томас Янг дал первое объяснение конструктивной и деструктивной интерференции. Вклад Юнга оставался в значительной степени незамеченным до работы Огюстена Френеля , который помог создать волновую теорию света в 1816 году. ^[6] Однако очень мало объяснений можно было дать об иридизации до 1870-х годов, когда Джеймс Максвелл и Генрих Герц помогли объяснить электромагнитную природу света . ^[5] После изобретения интерферометра Фабри-Перо в 1899 году механизмы тонкопленочной интерференции можно было продемонстрировать в большем масштабе. ^[6]

В большинстве ранних работ ученые пытались объяснить радужность у животных, таких как павлины и жуки-скарабеи , как некоторую форму поверхностного цвета, например, красителя или пигмента, который может изменять свет при отражении под разными углами. В 1919 году лорд Рэлей предположил, что яркие, меняющиеся цвета были вызваны не красителями или пигментами, а микроскопическими структурами, которые он назвал « структурными цветами ». ^[5] В 1923 году Ч. У. Мейсон отметил, что бородки в пере павлина состоят из очень тонких слоев. Некоторые из этих слоев были цветными, а другие были прозрачными. Он заметил, что нажатие на бородку смещает цвет в сторону синего, в то время как разбухание ее химическим веществом смещает его в сторону красного. Он также обнаружил, что обесцвечивание пигментов из перьев не устраняет радужность. Это помогло развеять теорию поверхностного цвета и укрепить структурную теорию цвета. ^[7]

В 1925 году Эрнест Мерритт в своей статье «Спектрофотометрическое исследование некоторых случаев структурного цвета » впервые описал процесс интерференции тонкой пленки как объяснение радужности. Первое исследование радужных перьев с помощью электронного микроскопа произошло в 1939 году, выявив сложные тонкопленочные структуры, в то время как исследование бабочки морфо в 1942 году выявило чрезвычайно крошечный массив тонкопленочных структур в нанометровом масштабе. ^[5]

Первое производство тонкопленочных покрытий произошло совершенно случайно. В 1817 году Йозеф Фраунгофер обнаружил, что, потускнев стекло азотной кислотой , он может уменьшить отражения на поверхности. В 1819 году, наблюдая за испарением слоя спирта с листа стекла, Фраунгофер заметил, что цвета появляются непосредственно перед тем, как жидкость полностью испарится, сделав вывод, что любая тонкая пленка прозрачного материала будет давать цвета. ^[6]

Незначительный прогресс в технологии тонкопленочных покрытий наблюдался до 1936 года, когда Джон Стронг начал испарять флюорит , чтобы сделать антибликовые покрытия на стекле. В 1930-х годах усовершенствования вакуумных насосов сделали возможными методы вакуумного осаждения , такие как распыление . В 1939 году Уолтер Х. Геффкен создал первые интерференционные фильтры с использованием диэлектрических покрытий. ^[6]

Смотрите также

Ссылки

^ abc Stavenga, DG (2014). «Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурные цвета многих насекомых и птиц». Materials Today: Proceedings . 1 : 109–121. doi :10.1016/j.matpr.2014.09.007.
^ Аб Ван Дер Коой, CJ; Эльзенга, JTM; Дейкстерхейс, Дж.; Ставенга, генеральный директор (2017). «Функциональная оптика глянцевых цветов лютика». Журнал интерфейса Королевского общества . 14 (127): 20160933. doi :10.1098/rsif.2016.0933. ПМЦ 5332578 . ПМИД 28228540.
^ Ван Дер Коой, CJ; Уилтс, Б.Д.; Леертауэр, HL; Стаал, М.; Эльзенга, JTM; Ставенга, генеральный директор (2014). «Радужные цветы? Вклад поверхностных структур в оптическую передачу сигналов» (PDF) . Новый фитолог . 203 (2): 667–73. дои : 10.1111/nph.12808 . ПМИД 24713039.
^ Stavenga, DG; Leertouwer, HL; Marshall, NJ; Osorio, D. (2010). «Драматические изменения цвета у райской птицы, вызванные уникальной структурой бородок перьев груди». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 278 (1715): 2098–104. doi :10.1098/rspb.2010.2293. PMC 3107630. PMID 21159676 .
^ abcd Структурные цвета в мире природы Шуичи Киносита – World Scientific Publishing 2008 стр. 3–6
^ abcd Тонкопленочные оптические фильтры Хью Ангус Маклеод – Издательство Института физики 2001 Страницы 1–4
^ Структурные цвета в мире природы Шуичи Киносита - World Scientific Publishing 2008 Страница 165-167

Дальнейшее чтение

Фаулз, Грант Р. (1989), «Многолучевая интерференция», Введение в современную оптику , Довер
Грейвенкамп, Джон (1995), «Интерференция», Справочник по оптике , McGraw–Hill
Хехт, Юджин (2002), «Интерференция», Оптика , Эддисон Уэсли
Книттл, Зденек (1976), Оптика тонких пленок; Оптическая многослойная теория , Wiley, Bibcode :1976otf..book.....K
Д.Г. Ставенга, Тонкопленочная и многослойная оптика обуславливает структурные цвета многих насекомых и птиц. Материалы сегодня: Труды, 1S, 109–121 (2014).