Интерференция тонких пленок - это естественное явление, при котором световые волны, отраженные верхней и нижней границами тонкой пленки, интерферируют друг с другом, усиливая или уменьшая отраженный свет . Когда толщина пленки нечетно кратна одной четверти длины волны света на ней, отраженные волны от обеих поверхностей интерферируют, подавляя друг друга. Поскольку волна не может быть отражена, она полностью передаетсявместо. Когда толщина кратна половине длины волны света, две отраженные волны усиливают друг друга, увеличивая отражение и уменьшая передачу. Таким образом, когда на пленку падает белый свет, состоящий из диапазона длин волн, определенные длины волн (цвета) усиливаются, а другие ослабляются . Интерференция тонких пленок объясняет появление множества цветов в свете, отраженном от мыльных пузырей и масляных пленок на воде . Это также механизм действия антиотражающих покрытий, используемых на очках и линзах фотоаппаратов .
Истинная толщина пленки зависит как от ее показателя преломления, так и от угла падения света. Скорость света ниже в среде с более высоким индексом; таким образом, пленка изготавливается пропорционально длине волны, когда она проходит через пленку. При нормальном угле падения толщина обычно будет в четверть или половину кратной центральной длины волны, но при наклонном угле падения толщина будет равна косинусу угла в положениях четверти или половины длины волны. который учитывает изменение цветов при изменении угла обзора. (Для любой определенной толщины цвет будет сдвигаться с более короткой длины волны на более длинную при изменении угла с нормального на наклонный.) Эта конструктивная / деструктивная интерференция дает узкую полосу отражения / передачи, поэтому наблюдаемые цвета редко являются отдельными длинами волн, например создается дифракционной решеткой или призмой , но смесью волн различной длины, отсутствующей в спектре. Таким образом, наблюдаемые цвета редко бывают радужными, это коричневые, золотые, бирюзовые, бирюзовые, яркие синие, пурпурные и пурпурные цвета. Изучение света, отраженного или прошедшего через тонкую пленку, может выявить информацию о толщине пленки или эффективном показателе преломления пленочного носителя. Тонкие пленки находят множество коммерческих применений, включая антиотражающие покрытия , зеркала и оптические фильтры .
Теория
В оптике тонкая пленка - это слой материала толщиной от субнанометра до микрона . Когда свет падает на поверхность пленки, он либо проходит, либо отражается от верхней поверхности. Передаваемый свет достигает нижней поверхности и может снова проходить или отражаться. Уравнения Френеля дают количественное описание того, какая часть света будет проходить или отражаться на границе раздела. Свет, отраженный от верхней и нижней поверхностей, будет мешать. Степень конструктивного или деструктивного взаимодействия двух световых волн зависит от разницы в их фазах. Эта разница, в свою очередь, зависит от толщины слоя пленки, показателя преломления пленки и угла падения исходной волны на пленку. Дополнительно сдвиг фазы на 180 ° илирадианы могут быть введены при отражении от границы в зависимости от показателей преломления материалов по обе стороны от границы. Этот фазовый сдвиг происходит, если показатель преломления среды, через которую проходит свет, меньше показателя преломления материала, на который он падает. Другими словами, еслии свет проходит от материала 1 к материалу 2, затем при отражении происходит фазовый сдвиг. Образец света, возникающий в результате этой интерференции, может проявляться либо в виде светлых и темных полос, либо в виде цветных полос, в зависимости от источника падающего света.
Рассмотрим свет, падающий на тонкую пленку и отраженный как от верхней, так и от нижней границ. Разность оптических путей (OPD) отраженного света должна быть рассчитана для определения условий интерференции. Ссылаясь на лучевую диаграмму выше, OPD между двумя волнами выглядит следующим образом:
Где,
Используя закон Снеллиуса ,
Помехи будут конструктивными, если разность оптических путей равна целому кратному длине волны света, .
Это состояние может измениться после рассмотрения возможных фазовых сдвигов, возникающих при отражении.
Монохроматический источник
Если падающий свет является монохроматическим по своей природе, интерференционные картины выглядят как светлые и темные полосы. Светлые полосы соответствуют областям, в которых возникает конструктивная интерференция между отраженными волнами, а темные полосы соответствуют областям деструктивной интерференции. Поскольку толщина пленки меняется от одного места к другому, интерференция может меняться от конструктивной до деструктивной. Хороший пример этого явления, получившего название « кольца Ньютона» , демонстрирует интерференционную картину, которая возникает, когда свет отражается от сферической поверхности, смежной с плоской поверхностью. Концентрические кольца наблюдаются при освещении поверхности монохроматическим светом. Это явление используется с оптическими плоскостями для измерения формы и плоскостности поверхностей.
Широкополосный источник
Если падающий свет широкополосный или белый, например свет от солнца, интерференционные картины выглядят как цветные полосы. Световые волны различной длины создают конструктивную интерференцию для пленок разной толщины. Различные участки пленки имеют разные цвета в зависимости от местной толщины пленки.
Фазовое взаимодействие
На рисунках показаны два падающих световых луча (A и B). Каждый луч дает отраженный луч (пунктир). Интересующие нас отражения - это отражение луча A от нижней поверхности и отражение луча B от верхней поверхности. Эти отраженные лучи объединяются в результирующий луч (C). Если отраженные лучи синфазны (как на первом рисунке), результирующий луч будет относительно сильным. Если, с другой стороны, отраженные лучи имеют противоположную фазу, результирующий луч ослабляется (как на втором рисунке).
Фазовое соотношение двух отраженных лучей зависит от соотношения между длиной волны луча А в пленке и толщиной пленки. Если общее расстояние, которое проходит луч A в пленке, является целым числом, кратным длине 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 числом, кратным половине длины волны света в пленке, лучи деструктивно интерферируют (как на втором рисунке). Таким образом, пленка, показанная на этих рисунках, сильнее отражается на длине волны светового луча на первом рисунке и менее сильно 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 от пленки и показателя преломления фильм средний. Различные возможные конфигурации пленки и соответствующие уравнения более подробно поясняются в примерах ниже.
Мыльный пузырь
В случае мыльного пузыря свет проходит через воздух и попадает на мыльную пленку. Воздух имеет показатель преломления 1 () и пленка имеет индекс больше 1 (). Отражение, которое происходит на верхней границе пленки (граница воздух-пленка), приведет к сдвигу фазы на 180 ° в отраженной волне, потому что показатель преломления воздуха меньше, чем показатель пленки (). Свет, который передается через верхнюю границу раздела воздух-пленка, будет продолжаться до нижней границы раздела пленка-воздух, где он может отражаться или проходить. Отражение, которое происходит на этой границе, не изменит фазу отраженной волны, потому что. Условие интерференции для мыльного пузыря следующее:
- для конструктивной интерференции отраженного света
- для деструктивной интерференции отраженного света
Где толщина пленки, - показатель преломления пленки, - угол падения волны на нижнюю границу, целое число, а длина волны света.
Масляная пленка
В случае тонкой масляной пленки слой масла располагается 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 от масляной пленки (воздух и вода) имеют показатели преломления меньше, чем показатель пленки.. При отражении от верхней границы будет фазовый сдвиг, потому что но никакого сдвига при отражении от нижней границы, потому что . Уравнения для интерференции будут такими же.
- для конструктивной интерференции отраженного света
- для деструктивной интерференции отраженного света
Антибликовые покрытия
Антибликовое покрытие устраняет отраженный свет и увеличивает пропускаемый свет в оптической системе. Пленка сконструирована таким образом, что отраженный свет создает деструктивную интерференцию, а проходящий свет создает конструктивную интерференцию для данной длины волны света. В простейшем варианте такого покрытия пленка создается так, чтобы ее оптическая толщина представляет собой четверть длины волны падающего света, а его показатель преломления больше показателя воздуха и меньше показателя стекла.
Фазовый сдвиг на 180 ° будет индуцироваться при отражении как от верхней, так и от нижней границы раздела пленки, потому что а также . Уравнения интерференции отраженного света:
- за конструктивное вмешательство
- 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 за счет добавления большего количества слоев, каждый из которых соответствует определенной длине волны света.
Для этих пленок полностью конструктивна интерференция проходящего света.
В природе
Структурная окраска из-за тонкопленочных слоев обычна в мире природы. Крылья многих насекомых действуют как тонкие пленки из-за своей минимальной толщины. Это хорошо видно по крыльям многих мух и ос. У бабочек тонкопленочная оптика видна, когда само крыло не покрыто пигментированными чешуйками крыльев, как в случае с синими пятнами на крыльях бабочки Aglais io . [1] Блестящий вид цветов лютика также обусловлен тонкой пленкой [2] [3], а также блестящими перьями на груди райской птицы . [4]
Блеск цветов лютика обусловлен тонкопленочной интерференцией. [2]
Приложения
Тонкие пленки коммерчески используются в просветляющих покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Они могут быть спроектированы для управления количеством света, отраженного или прошедшего на поверхности для заданной длины волны. Фабри-Перо использует преимущества тонкой пленки помех , чтобы выборочно выбирать , какие длины волн света разрешено передавать через устройство. Эти пленки создаются посредством 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. Многие животные имеют слой ткани позади сетчатки , в Lucidum тапетума , что помогает в легком сборе. Эффекты интерференции тонких пленок также можно увидеть в нефтяных пятнах и мыльных пузырях. Спектр отражения тонкой пленки особенность различных колебаний и экстремумы спектра может быть использованы 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. Комплексный коэффициент отражения,, системы измеряется. Затем проводится модельный анализ, в котором эта информация используется для определения толщины слоя пленки и показателей преломления.
Интерферометрия с двойной поляризацией - это новый метод измерения показателя преломления и толщины тонких пленок молекулярного масштаба, а также их изменения при стимуляции.
История
Радужность, вызванная интерференцией тонких пленок, часто наблюдается в природе и встречается у различных растений и животных. Одно из первых известных исследований этого явления было проведено Робертом Гук в 1665 году. В Micrographia Гук постулировал, что радужность павлиньих перьев вызывается тонкими, чередующимися слоями пластины и воздуха. В 1704 году Исаак Ньютон в своей книге « Оптика» заявил , что переливчатость павлиньего пера была вызвана тем, что прозрачные слои перья были очень тонкими. [5] В 1801 году Томас Янг дал первое объяснение конструктивного и деструктивного вмешательства. Вклад Янга оставался практически незамеченным до работы Огюстена Френеля , который помог установить волновую теорию света в 1816 году. [6] Однако очень мало объяснения радужной оболочки можно было дать до 1870-х годов, когда Джеймс Максвелл и Генрих Герц помогли ей объяснить электромагнитную природу света . [5] После изобретения интерферометра Фабри – Перо в 1899 году механизмы интерференции тонких пленок можно было продемонстрировать в более крупном масштабе. [6]
В большинстве ранних работ ученые пытались объяснить радужность у таких животных, как павлины и жуки-скарабеи , как некоторую форму цвета поверхности, такую как краситель или пигмент, который может изменять свет при отражении под разными углами. В 1919 году лорд Рэлей предположил, что яркие меняющиеся цвета не были вызваны красителями или пигментами, а были вызваны микроскопическими структурами, которые он назвал « структурными цветами ». [5] В 1923 году Ч. У. Мейсон заметил, что бородки в павлиньем перье сделаны из очень тонких слоев. Некоторые из этих слоев были цветными, а другие - прозрачными. Он заметил, что нажатие на бородку сместит цвет в сторону синего, а при набухании химическим веществом - в красный. Он также обнаружил, что отбеливание пигментов перьев не устраняет радужную окраску. Это помогло развеять теорию цвета поверхности и укрепить теорию структурного цвета. [7]
В 1925 году Эрнест Мерритт в своей статье «Спектрофотометрическое исследование некоторых случаев структурного цвета» впервые описал процесс интерференции тонких пленок как объяснение иридесценции. Первое исследование радужных перьев под электронным микроскопом произошло в 1939 году и выявило сложные тонкопленочные структуры, в то время как исследование морфо- бабочки в 1942 году выявило чрезвычайно крошечный массив тонкопленочных структур в нанометровом масштабе. [5]
Первое производство тонкопленочных покрытий произошло совершенно случайно. В 1817 году Джозеф Фраунгофера обнаружил , что, потускнение стекла с азотной кислотой , он может уменьшить отражения на поверхности. В 1819 году, наблюдая, как слой спирта испаряется с листа стекла, Фраунгофер заметил, что цвета появляются непосредственно перед тем, как жидкость полностью испаряется, и сделал вывод, что любая тонкая пленка прозрачного материала дает цвета. [6]
Незначительный прогресс был достигнут в технологии тонкопленочных покрытий до 1936 года, когда Джон Стронг начал испарение флюорита для создания просветляющих покрытий на стекле. В 1930-х годах усовершенствования вакуумных насосов сделали возможными методы вакуумного осаждения , такие как распыление . В 1939 году Вальтер Х. Геффкен создал первые интерференционные фильтры с диэлектрическими покрытиями. [6]
Смотрите также
- Рефлектометрическая интерференционная спектроскопия
- Тонкопленочная оптика
- Трансфер-матричный метод (оптика)
Рекомендации
- ^ а б в Ставенга, Д.Г. (2014). «Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурную окраску многих насекомых и птиц». Материалы сегодня: Материалы . 1 : 109–121. DOI : 10.1016 / j.matpr.2014.09.007 .
- ^ а б Ван Дер Кой, CJ; Эльзенга, JTM; Dijksterhuis, J .; Ставенга, Д.Г. (2017). «Функциональная оптика глянцевых цветов лютика» . Журнал Интерфейса Королевского общества . 14 (127): 20160933. DOI : 10.1098 / rsif.2016.0933 . PMC 5332578 . PMID 28228540 .
- ^ Ван Дер Кой, CJ; Wilts, BD; Leertouwer, HL; Стаал, М .; Эльзенга, JTM; Ставенга, Д.Г. (2014). «Радужные цветы? Вклад поверхностных структур в оптическую сигнализацию» (PDF) . Новый фитолог . 203 (2): 667–73. DOI : 10.1111 / nph.12808 . PMID 24713039 .
- ^ Stavenga, DG; Leertouwer, HL; Маршалл, штат Нью-Джерси; Осорио, Д. (2010). «Резкое изменение цвета райской птицы из-за уникальной структуры бородок грудных перьев» . Труды Королевского общества B: биологические науки . 278 (1715): 2098–104. DOI : 10.1098 / rspb.2010.2293 . PMC 3107630 . PMID 21159676 .
- ^ a b c d Структурные цвета в царстве природы Сюичи Киношита - World Scientific Publishing 2008, страницы 3–6
- ^ a b c d Тонкопленочные оптические фильтры Хью Ангус Маклауд - Издательство Института физики, 2001 г. Страницы 1–4
- ^ Структурные цвета в области природы По Шуичи Kinoshita - World Scientific Publishing 2008 Page 165-167
дальнейшее чтение
- Фаулз, Грант Р. (1989), "Многолучевая интерференция", Введение в современную оптику , Дувр.
- Грейвенкамп, Джон (1995), «Интерференция», Справочник по оптике , McGraw – Hill
- Хехт, Юджин (2002), «Интерференция», Оптика , Эддисон Уэсли
- Knittl, Zdeněk (1976), Оптика тонких пленок; Оптическая многослойная теория , Wiley, Bibcode : 1976otf..book ..... K
- Д.Г. Ставенга, Тонкая пленка и многослойная оптика определяют структурную окраску многих насекомых и птиц. Материалы сегодня: Труды, 1С, 109 - 121 (2014).