Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Optica » Lumina » Interferența pe straturi subțiri

Interferența pe straturi subțiri

postat în: Lumina 0
Interferența pe film subțire de ulei
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dieselrainbow.jpg

(Se observă un model de interferențe colorat atunci când lumina se reflectă din marginile de sus și de jos ale unui film subțire de ulei.)

Interferențele pe un strat subțire reprezintă un fenomen natural în care undele luminoase reflectate de limitele superioare și inferioare ale unui strat subțire interferează cu altele, intensificând sau reducând lumina reflectată. Atunci când grosimea stratului este un multiplu impar de un sfert de lungime de undă a luminii, undele reflectate de pe ambele suprafețe interferează anulându-se reciproc. Deoarece unda nu poate fi reflectată, este transmisă complet. Atunci când grosimea este un multiplu de jumătate de lungime de undă a luminii, cele două unde reflectate se întăresc una pe alta, mărind reflecția și reducând transmisia. Astfel, când lumina albă, care constă dintr-o gamă de lungimi de undă, este incidentă pe film, anumite lungimi de undă (culori) sunt intensificate, în timp ce altele sunt atenuate. Interferențele în strat subțire explică culorile multiple observate în lumina reflectată de bulele de săpun și filmele de ulei pe apă. Este, de asemenea, mecanismul din spatele acțiunii acoperirilor antireflecție utilizate pe ochelari și lentile de cameră.

Interferența într-o bulă de săpun
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Soap_bubble_sky.jpg

(Culori în lumina reflectată dintr-o bulă de săpun.)

Studierea luminii reflectate sau transmise de un strat subțire poate dezvălui informații despre grosimea stratului sau indicele de refracție efectiv al mediului stratului. Straturile subțiri au numeroase aplicații comerciale, incluzând acoperiri antireflexive, oglinzi și filtre optice.

Teorie

Lumina reflectată
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Thin_film_interference.svg

(Demonstrarea diferenței de lungime a căii optice pentru lumina reflectată de la limitele superioare și inferioare ale

stratului subțire. )

Un strat subțire este un strat de material cu grosime în intervalul sub-nanometric până la microni. Pe măsură ce lumina atinge suprafața unui strat, acesta este transmis sau reflectat la suprafața superioară. Lumina care este transmisă ajunge la suprafața de jos și poate fi din nou transmisă sau reflectată. Ecuațiile Fresnel oferă o descriere cantitativă a cantității de lumină care va fi transmisă sau reflectată la o interfață. Lumina reflectată de suprafețele superioare și inferioare va interfera. Gradul de interferență constructivă sau distructivă dintre cele două unde luminoase depinde de diferența dintre faza lor. Această diferență, la rândul ei, depinde de grosimea stratului, de indicele de refracție al stratului și de unghiul de incidență al undei originale pe strat. În plus, o deplasare de fază de 180° sau π poate fi introdusă la reflexie la o limită în funcție de indicii de refracție ai materialelor de pe ambele părți ale limitei. Această schimbare de fază apare dacă indicele de refracție al mediului prin care trece lumina este mai mic decât indicele de refracție al materialului pe care îl luminează. Cu alte cuvinte, dacă n1 < n2 și lumina se deplasează de la materialul 1 la materialul 2, atunci apare o schimbare de fază după reflexie. Modelul luminii care rezultă din această interferență poate apărea fie ca benzi luminoase și întunecate, fie ca benzi colorate, în funcție de sursa luminii incidentate.

Airbus
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:LHcockpitWindow.jpg

(Interferențe de strat subțire cauzate de acoperirea de dezgheț ITO pe o fereastră a cabinei Airbus. )

Sursă monocromatică

Benzina pe apă
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Thin_film_interference_gasoline_on_water_@_589nm.jpg

(Benzina pe apă prezintă un model de franjuri strălucitoare și întunecate atunci când este iluminată cu lumină laser de 589nm. )

În cazul în care lumina incidentă este monocromatică, modelele de interferențe apar ca benzi luminoase și întunecate. Tabelele de lumină corespund regiunilor în care interferențele constructive se produc între undele reflectate și benzile întunecate corespund regiunilor distructive de interferență. Deoarece grosimea stratului variază de la o locație la alta, interferența se poate schimba de la constructiv la distructiv. Un bun exemplu al acestui fenomen, denumit „inelele lui Newton”, demonstrează modelul de interferență care rezultă atunci când lumina se reflectă dintr-o suprafață sferică adiacentă unei suprafețe plane. Inelele concentrice sunt observate atunci când suprafața este iluminată cu lumină monocromatică. Acest fenomen este folosit cu planșe optice pentru măsurarea formei și a planeității suprafețelor.

Sursa de bandă largă

Dacă lumina incidentă este în bandă largă sau albă, cum ar fi lumina de la soare, modelele de interferențe apar ca benzi colorate. Diferitele lungimi de undă ale luminii creează interferențe constructive pentru diferite grosimi ale stratului. Diferitele regiuni ale stratului apar în culori diferite, în funcție de grosimea stratului local.

Interacțiunea de fază

Interacțiune în fază constructivă
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Thin_film_interf erence_phase_1.svg 

(Interacțiune în fază constructivă. )

Interacțiune în fază distructivă
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Thin_film_interference_phase_2.svg 

(Interacțiune în fază distructivă.)

Cifrele arată două fascicule de lumină incidentă (A și B). Fiecare fascicul produce un fascicul reflectat (punctat). Reflexiile de interes sunt reflectarea fasciculului A de pe suprafața inferioară și reflectarea fasciculului B de pe suprafața superioară. Aceste fascicule reflectate se combină pentru a produce un fascicul rezultat (C). Dacă fluxurile reflectate sunt în fază (ca în prima figură) fasciculul rezultat este relativ puternic. Dacă, pe de altă parte, fascicolele reflectate au o fază opusă, fasciculul rezultat este atenuat (ca în figura a doua).

Relația de fază dintre cele două raze reflectate depinde de relația dintre lungimea de undă a fasciculului A din strat și grosimea stratului. Dacă fasciculul pe distanța totală A care se deplasează în strat este un multiplu întreg al lungimii de undă a fasciculului din strat, atunci cele două fascicule reflectate sunt în fază și se amestecă constructiv (așa cum este reprezentat în prima figură). Dacă distanța parcursă de fasciculul A este un multiplu impar întreg de jumătate de lungime de undă a luminii din film, fasciculele interferează distructiv (la fel ca în figura a doua). Astfel, filmul prezentat în aceste figuri reflectă mai puternic la lungimea de undă a fasciculului de lumină din prima figură și mai puțin puternic la cea a fasciculului din figura a doua.

Aplicații

O fereastră optică acoperită cu un antireflex(O fereastră optică acoperită cu un antireflex. La un unghi de 45°, acoperirea este puțin mai groasă decât lumina incidentă, determinând lungimea de undă centrală să se deplaseze spre roșu, iar reflexiile apar la capătul purpuriu al spectrului. La 0°, pentru care acest strat de acoperire a fost proiectat, aproape nici o reflexie nu este observată.)

Peliculele subțiri sunt utilizate comercial în antireflexie, în oglinzi și filtre optice. Acestea pot fi proiectate pentru a controla cantitatea de lumină reflectată sau transmisă la o suprafață pentru o anumită lungime de undă dată. Un etalon Fabry-Pérot profită de interferența stratului subțire pentru a alege în mod selectiv ce lungimi de undă de lumină sunt permise să transmită prin dispozitiv. Aceste straturi sunt create prin procedee de depunere în care materialul este adăugat la un substrat într-o manieră controlată. Metodele includ depunerea chimică a vaporilor și diferite tehnici de depunere fizică prin vapori.

Straturile subțiri se găsesc și în natură. Multe animale au un strat de țesut în spatele retinei, tapetum lucidum, care ajută la colectarea de lumină. Efectele interferențelor stratului subțire pot fi observate și în sulurile de ulei și bulele de săpun. Spectrul de reflexie al unui strat subțire prezintă oscilații distincte, iar extrema spectrului poate fi folosită pentru a calcula grosimea stratului subțire.

Elipsometria este o tehnică adesea folosită pentru a măsura proprietățile straturilor subțiri. Într-un experiment tipic de elipsometrie, lumina polarizată se reflectă pe o suprafață de strat și este măsurată de un detector. Se măsoară raportul complex de reflexie, ρ, al sistemului. O analiză a modelului este efectuată apoi, în care această informație este utilizată pentru a determina grosimea stratului și indicii de refracție.

Interferometria dublă de polarizare este o tehnică emergentă pentru măsurarea indicelui de refracție și a grosimii straturilor subțiri pe scară moleculară și modul în care acestea se schimbă atunci când sunt stimulate.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *