Interferencia en películas delgadas

La interferencia en películas delgadas es un fenómeno que ocurre como resultado de la separación de un haz de luz al reflejarse desde los límites superior e inferior de una película delgada. El resultado son dos ondas de luz que pueden interferir . La interferencia de película delgada explica la paleta de colores que se ve en la luz reflejada por las burbujas de jabón y las películas de aceite en el agua. Este fenómeno también es el mecanismo subyacente utilizado en lentes de cámara, espejos, filtros ópticos y revestimientos antirreflectantes.

Teoría

Un haz de luz de longitud de onda , propagándose en un medio aéreo con índice de refracción , al caer sobre la superficie de una película con índice de refracción, se dividirá en dos haces. Una parte se refleja en la superficie superior y una parte se refracta. El haz refractado alcanza el límite inferior, luego se refleja en él y, refractado de nuevo, sale al aire en coherencia con el primer haz. Debido a la condición de coherencia de dos haces, se observa un patrón de interferencia, que está determinado por la diferencia de camino óptico entre los haces de interferencia: $\lambda$ $n_{1}=1$ ${\displaystyle n_{2}>n_{1))$

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

(una)

\ \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)}

Dada la ley de la refracción (ley de Snell ):

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

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

\ \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)))

Sustituir en

{\ estilo de visualización \ (1)}

$\Delta =2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}-{\frac {\lambda_{0}}{2}}$ . [una]

Dos haces darán un máximo si y habrá un mínimo si ${\ estilo de visualización \ Delta = \ pm m \ lambda _ {0))$ $\Delta =\pm (2m+1){\frac {\lambda _{0}}{2}}$

La condición para la máxima intensidad de luz durante la interferencia: $\ 2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}-{\frac {\lambda _{0}}{2}}=m\lambda _{0};( m=0,1,2...)$

La condición para la intensidad mínima de la luz durante la interferencia: $\ 2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}-{\frac {\lambda _{0}}{2}}=(2m+1){\frac { \lambda _{0}}{2}};(m=0,1,2...)$

Historia

La interferencia de película delgada es un fenómeno comúnmente observado en la naturaleza que ocurre en varias plantas y animales. Uno de los primeros estudios conocidos de este fenómeno fue realizado por Robert Hooke en 1665. Hooke postuló que el arcoíris en las plumas del pavo real era causado por delgadas capas alternas de placa y aire [2] .

En 1816, Fresnel completó la teoría ondulatoria de la luz . Sin embargo, hubo muy pocas explicaciones del arcoíris hasta la década de 1870, cuando James Maxwell y Heinrich Hertz ayudaron a explicar la naturaleza electromagnética de la luz.

Después de la invención del interferómetro Fabry-Perot en 1899, los mecanismos de interferencia de película delgada pudieron demostrarse a mayor escala. Sin embargo, hasta principios del siglo XX, los científicos explicaban el color iridiscente en varios animales, como pavos reales y escarabajos, por la presencia de tintes o pigmentos que cambian de color en diferentes ángulos de visión.

En 1919, Lord Rayleigh sugirió que los colores brillantes y cambiantes no se debían a los tintes, sino a estructuras microscópicas, a las que llamó "colores estructurales" [3] .

La primera producción de recubrimientos de película delgada sucedió por accidente. En 1817, Joseph Fraunhofer descubrió que empañar el vidrio con ácido nítrico podía reducir los reflejos de la superficie.

En 1819, mientras observaba cómo se evaporaba una capa de alcohol de una hoja de vidrio, Fraunhofer notó que los colores aparecían justo antes de que el líquido se evaporara por completo y descubrió que cualquier película delgada de material transparente creaba colores.

Se hizo un pequeño avance en la tecnología de recubrimiento de película delgada en 1936 cuando John Strong comenzó a vaporizar fluorita para hacer recubrimientos antirreflectantes sobre vidrio.

En 1939, Walter H. Geffken creó los primeros filtros de interferencia utilizando recubrimientos dieléctricos.

Aplicación

En proyectos comerciales, las películas delgadas se utilizan en revestimientos antirreflectantes, espejos y filtros ópticos. Pueden diseñarse para controlar la cantidad de luz reflejada o transmitida en una superficie para una determinada longitud de onda.

La elipsometría es una técnica que se utiliza a menudo para medir las propiedades de películas delgadas. La luz polarizada se refleja en la superficie de la película y se mide con un detector. Luego se lleva a cabo un análisis del modelo, en el que esta información se utiliza para determinar el espesor de la capa de película y los índices de refracción. La interferometría de polarización dual es una técnica novedosa para medir el índice de refracción y el espesor de películas delgadas a escala molecular.

Galería

Se observa un patrón de interferencia brillante cuando la luz se refleja desde los límites superior e inferior de la fina película de aceite. Se forman diferentes rayas a medida que el espesor de la película disminuye desde el punto de goteo central.
Los colores de la luz se reflejan en la pompa de jabón.
Demostración de la diferencia en la longitud del camino óptico para la luz reflejada desde los límites superior e inferior de una película delgada.
Interferencia de película delgada provocada por la descongelación del revestimiento de ITO en una ventana de cabina de Airbus .
La gasolina en el agua muestra un patrón de bandas brillantes y oscuras cuando se ilumina con luz láser de 589 nm.
Interacción de fase constructiva
Interacción de fase destructiva
Interferencia en películas delgadas en una pompa de jabón. El color depende del grosor de la película.
Luz cayendo sobre una película de jabón en el aire.
Luz que cae sobre una película de aceite en el agua
Luz que cae sobre la capa antirreflectante del vidrio
Las manchas azules en las alas de la mariposa pavo real se deben a la interferencia de películas delgadas. [una]
El brillo de las flores del ranúnculo se debe a la interferencia en películas delgadas. [2]
Ventana óptica con revestimiento antirreflectante. En un ángulo de 45°, la capa es ligeramente más gruesa que la luz incidente, lo que hace que la longitud de onda central se desplace hacia el rojo y aparezcan reflejos en el extremo violeta del espectro. A 0°, para el que fue diseñado este recubrimiento, prácticamente no hay reflexión.
El endurecimiento de los colores se produce cuando el acero se calienta y se forma una fina película de óxido de hierro en la superficie. El color indica la temperatura que ha alcanzado el acero, lo que la convierte en una de las primeras aplicaciones prácticas de interferencia en películas delgadas.
Colores de interferencia iridiscentes en una película de aceite

Véase también

Notas

↑ Stavenga, DG La película delgada y la óptica multicapa inducen colores estructurales en muchos insectos y pájaros // Materials Today: Proceedings: Journal. - 2014. - T. 1 . — S. 109–121 . -doi : 10.1016/ j.matpr.2014.09.007 . (Ruso)
↑ Van Der Kooi, CJ; Elzenga, JTM; Dijksterhuis, J.; Stavenga, DG Óptica Funcional de Flores de Ranúnculos Brillantes // Revista de la Interfaz de la Royal Society : diario. - 2017. - Vol. 14 , núm. 127 . — Pág. 20160933 . -doi : 10.1098/ rsif.2016.0933 . — PMID 28228540 .

Literatura

Khramov Yu. A. Fresnel Augustin Jean // Física: guía biográfica / ed. A. I. Akhiezer . - Ed. 2º, rev. y adicional — M .: Nauka , 1983. — S. 283. — 400 p. - 200.000 copias.
Interferencia de la luz / M. D. Galanin // Gran Enciclopedia Soviética: [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov. - 3ra ed. - M .: Enciclopedia soviética, 1969-1978.
La película delgada y la óptica multicapa dan lugar a la coloración estructural de muchos insectos y pájaros. Materiales hoy: Actas, 1S, 109-121 (2014).

Enlaces

diccionarios y enciclopedias	Britannica (en línea)