Интерференция в тонких плёнках

Интерфере́нция в то́нких 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.

Теория

Луч света длиной волны $\lambda$ , распространяющийся в воздушной среде с показателем преломления $n_{1}=1$ , при падении на поверхность плёнки с показателем преломления $n_{2}>n_{1}$ 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:

\Delta =L_{2}-L_{1}=n_{2}(OC+CB)-n_{1}(AO+{\frac {\lambda _{0}}{2}})

.

(1)

\ \mathrm {OC} =\mathrm {CB} ={\frac {d}{\cos(r)}}

\ \mathrm {AO} =\mathrm {OB} \sin(i)

\ \mathrm {OB} =2\cdot \mathrm {OK} =2\mathrm {d} \cdot \operatorname {tg(r)}

Учитывая закон преломления (закон Снеллиуса):

$\ {\frac {\sin(i)}{\sin(r)}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}$

Получаем: $\ \sin(i)=n_{2}\cdot \sin(r)$

\ \mathrm {AO} =\mathrm {OB} \cdot \sin(i)=2\mathrm {d} \cdot \operatorname {tg(r)} \cdot \sin(i)={\frac {2d\cdot n_{2}\cdot \sin ^{2}(r)}{\cos(r)}}

Подставляем в

\ (1)

$\Delta =2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}-{\frac {\lambda _{0}}{2}}$ .[1]

Два луча дадут максимум, если $\Delta =\pm m\lambda _{0}$ и будет минимум, если $\Delta =\pm (2m+1){\frac {\lambda _{0}}{2}}$

Условие максимума интенсивности света при интерференции: $\ 2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}-{\frac {\lambda _{0}}{2}}=m\lambda _{0};(m=0,1,2...)$

Условие минимума интенсивности света при интерференции: $\ 2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}-{\frac {\lambda _{0}}{2}}=(2m+1){\frac {\lambda _{0}}{2}};(m=0,1,2...)$

История

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 [2].

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» [3].

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

Яркая интерференционная картина наблюдается, когда свет отражается от верхней и нижней границ тонкой масляной пленки. Различные полосы образуются по мере уменьшения толщины плёнки от центральной точки стекания.
Цвета в свете отражаются от мыльного пузыря
Демонстрация разницы длины оптического пути для света, отражённого от верхней и нижней границ тонкой плёнки.
Тонкоплёночные помехи, вызванные размораживанием покрытия ITO на окне кабины Airbus.
Бензин на воде показывает образец ярких и тёмных полос при освещении лазерным светом 589 нм.
Конструктивное фазовое взаимодействие
Разрушительное фазовое взаимодействие
Интерференция в тонких плёнках в мыльном пузыре. Цвет зависит от толщины плёнки.
Падающий на мыльную плёнку свет в воздухе
Свет, падающий на масляную плёнку на воде
Свет, падающий на антибликовое покрытие на стекле
Голубые пятна на крыльях бабочки Павлиний глаз обусловлены интерференцией в тонких плёнках.^[1]
Блеск цветов лютика обусловлен интерференцией в тонких плёнках.^[2]
Оптическое окно с антибликовым покрытием. Под углом 45° покрытие немного толще падающего света, в результате чего центральная длина волны смещается в сторону красного, и на фиолетовом конце спектра появляются отражения. При 0°, для которого было разработано это покрытие, отражения практически не наблюдается.
Закалка цветов происходит при нагреве стали и на поверхности образуется тонкая плёнка оксида железа. Цвет указывает на температуру, которую достигла сталь, что сделало это одним из самых ранних практических применений интерференции в тонких плёнках.
Радужные интерференционные цвета в масляной плёнке
Интерференция на голубином зобе

См. также

Примечания

↑ Stavenga, D. G. Тонкая плёнка и многослойная оптика вызывают структурные цвета у многих насекомых и птиц (рус.) // Materials Today: Proceedings : журнал. — 2014. — Т. 1. — С. 109–121. — doi:10.1016/j.matpr.2014.09.007.
↑ 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^[англ.] : journal. — 2017. — Vol. 14, no. 127. — P. 20160933. — doi:10.1098/rsif.2016.0933. — PMID 28228540. — PMC 5332578. Архивировано 13 мая 2020 года.

Литература

Храмов Ю. А. Френель Огюстен Жан (Fresnel Augustin Jean) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука, 1983. — С. 283. — 400 с. — 200 000 экз.
Интерференция света / М. Д. Галанин // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
Тонкая плёнка и многослойная оптика вызывают структурную окраску многих насекомых и птиц. Materials today: Proceedings, 1S, 109—121 (2014).