Vékonyréteg-interferencia Megjegyzések: 9 tény, amit tudnod kell

Mi az a vékonyréteg-interferencia?

Vékony film interferencia definíció :

A vékonyréteg-interferencia arra a jelenségre utal, amikor egy vékony film felső és alsó oldaláról visszaverődő fényhullámok interferenciája lép fel. Ez az interferencia képes növelni vagy csökkenteni a filmről visszaverődő fényt.

Hogyan történik a vékonyréteg-interferencia?

Vékony film interferencia működik | Vékony film interferencia magyarázata

Az optika szerint a vékony film egy olyan vékony anyagréteget jelent, amelynek vastagsága az alábbi tartományba esik.nanométer nak nek mikrons. Amikor fényhullámok esnek a vékonyréteg felületére, akkor a hullámok vagy visszaverődnek az anyag felső felületéről, vagy áthaladnak rajta. Azok a fényhullámok, amelyeknek sikerül átjutniuk a felső felületen, visszaverődnek, vagy újra áthaladnak a vékony film alsó felületéről. Az anyag felületéről visszaverődő vagy áteresztő fény mennyiségét (mennyiségi leírás) a Fresnel-egyenletek szabályozzák.

Időnként a felső felületről visszaverődő fényhullámok kölcsönhatásba lépnek vagy interferálnak az alsó felületről visszaverődő fényhullámokkal, és interferenciamintát alkotnak. Az interferencia mértéke, amely lehet konstruktív vagy destruktív a két visszavert fényhullám között, a két fényhullám fáziskülönbségétől függ.

A két hullám közötti fáziskülönbség szintén függ a vékonyréteg szélességétől vagy vastagságától, a vékonyréteg törésmutatójától és attól, hogy a kezdeti fényhullám milyen szögben esik be az adott filmrétegre. Ezenkívül a film határának másik oldalán lévő közeg törésmutatója is szerepet játszik a fázis 180°-os vagy π radiános eltolódásában.

A fényhullám 180°-os fáziseltolódást szenvedhet az alsó határról való visszaverődés után, ha a fény által érintett közeg törésmutatója nagyobb, mint annak a közegnek a törésmutatója, amelyben a fény kezdetben haladt. Más szóval azt mondhatjuk, hogy ha n1 az első közeg törésmutatója, n2 pedig a filmanyag törésmutatója, és adott, hogy n1 < n2, akkor az 1-es közegből a 2-es közegbe terjedő fényhullám visszaverődés után π radiános fáziseltolódást szenvednek el.

Az ilyen közegből származó interferencia után megfigyelhető, hogy a fény interferencia-mintája vagy váltakozó világos és sötét sávokat, vagy a beeső fény típusától függően különböző színű sávokat (kromatikus vagy monokromatikus vagy fehér) alkot.

A vékonyréteg-interferencia hullámhossztól való függése

Konstruktív és destruktív interferencia feltétele vékony filmben

Vékony filmben a destruktív interferencia feltétele

A destruktív interferencia létrejöttének feltétele, azaz a visszavert fénysugarak interferálásához és kioltásához szükséges feltétel, hogy a film vastagsága a ráeső fény hullámhosszának 1/4-ének páratlan többszöröse legyen. Az ilyen hullámhossz-tartományba tartozó fényhullám nem tud visszaverődni, ezért teljes mértékben áteresztődik.

vékony flim
Pusztító interferencia. Kép forrása: JhbdelVékonyréteg interferencia 2. fázisCC BY-SA 3.0

Feltétel a konstruktív beavatkozás vékony filmekben

A feltétel ahhoz konstruktív beavatkozás A visszavert fénysugarak interferálásához és erősítéséhez szükséges feltétel, hogy a film vastagsága a ráeső fény hullámhosszának 1/2-e páratlan többszöröse legyen. Ilyen esetekben a fényhullámok vékonyréteg-határon történő visszaverődése megnő, a hullámok áteresztése pedig csökken.

vékony flim konstruktív
Konstruktív interferencia. Kép forrása: JhbdelVékonyréteg interferencia 1. fázisCC BY-SA 3.0

Mi az oka annak, hogy a vékony film fehér fényben elszíneződött?

A vékonyréteg-interferencia függése a fény színétől.

Az interferencia szintjének a hullámhossztól való függése miatt vékony filmeknél látható, hogy a több hullámhosszú fehér fény egyenetlenül verődik vissza és továbbad. A fehér fény bizonyos hullámhosszai vagy színei építő interferencia hatására felerősödnek, bizonyos hullámhosszak vagy színek pedig destruktív interferenciát szenvednek, és gyengülnek. A vékonyréteg-interferencia jelensége magyarázatot ad arra, hogy a szappanbuborékokból és olajfilmekből visszaverődés után többféle színű fény keletkezik.

Reflexiós bevonatok a vékonyréteg-interferencia szempontjából

A kameralencsékbe és szemüvegekbe beépített tükröződésgátló bevonatok a vékonyréteg-interferencia jelenségét is kiküszöbölik. Ezeket úgy tervezték, hogy a relatív fáziseltolódás a vékony film felső és alsó határán visszaverődő nyaláb között 180° legyen.

Tényezők, amelyektől a vékony filmek vastagsága függ:

A valódi filmvastagság vagy szélesség, amelyet a fényhullámok fednek le, miközben áthaladnak rajta, két fő tényezőtől függ: a törésmutatótól és a beérkező fényhullám beesési szögétől. Ha a közeg törésmutatója nő a levegő törésmutatójához képest, a fény sebessége csökken. Más szóval azt mondhatjuk, hogy a közegben a fény sebessége fordítottan arányos a közeg törésmutatójával.

Tudjuk, hogy A fény frekvenciája minden közegben azonos marad, ezért a sebesség változása a fény hullámhosszának változása miatt következik be. Emiatt a fóliákat úgy gyártják, hogy szem előtt tartják a hullámhosszt, amikor a fény áthalad a vékony filmen.

Ha a beesési szög nulla fok, vagy a fényhullámok normálisan esnek, a film vastagsága általában a beeső fény központi hullámhosszának 1/4-e vagy 1/2-e. Ha a beesési szög ferde, a film vastagságát a hullámhossz 1/4-ével vagy 1/2-ével beeső szög koszinuszának szorzata adja. Ez megmagyarázza, hogy a látószög megváltoztatásakor néha a színek változását látjuk. (Egy adott filmszélességnél a fény színe rövidebbről hosszabb hullámhosszra tolódik el, ha a beesési szöget normál helyzetből ferde felé döntjük.)

A vékonyréteg-interferencia által keltett fény színe:

A vékony filmen való áthaladás után építő vagy destruktív interferencia lép fel, ami szűk visszaverődési vagy átviteli sávszélességet generál. Ezen szűk sávszélességek kialakulása miatt nem tudunk szín alapján különbséget tenni a hullámhosszok között. A visszavert vagy áteresztett fény több hullámhossz keverékéből áll, amelyek hiányoznak a spektrum többi részéből.

Az ilyen látást prizmák vagy diffrakciós rácsok is generálják. Az ebben az esetben megfigyelt színek ritkán tartoznak a VIBGYOR (ibolya, indigó, kék, zöld, sárga, narancs, piros) spektrumhoz, és általában a barna, kékeszöld, arany, levendula, türkiz, élénkkék és bíbor árnyalatai.

A visszavert vagy áteresztett fényhullámot vékonyrétegen vizsgálhatjuk és elemezhetjük, hogy információt gyűjtsünk a vékonyréteg szélességéről vagy a vékonyréteg közeg operatív törésmutatójáról. A vékony fóliákat a kereskedelemben számos célra használják, például tükröződésgátló bevonatokhoz, tükröződésgátló kameralencsékhez, tükrökhöz és optikai szűrőkhöz.

Mi a vékonyréteg-interferencia Mi ad színt a szappanbuborékoknak és az olajfoltoknak?

Vékony film interferencia a szappanbuborékban:

A vékonyréteg-interferencia jelensége magyarázatot ad arra, hogy a szappanbuborékokból és olajfilmekből visszaverődés után többféle színű fény keletkezik. A vékony filmen való áthaladás után építő vagy destruktív interferencia lép fel, ami szűk visszaverődési vagy átviteli sávszélességet generál. Ezért a szappanbuborék felülete vékony filmként működik, és a szivárványhoz hasonló színspektrumot hoz létre.

Szappanbuborék égbolt 2
Vékonyréteg-interferencia szappanbuborékban. Kép forrása: Brocken InaglorySzappanbuborék égboltCC BY-SA 3.0

Honnan lehet tudni, hogy a vékonyréteg-interferencia építő vagy romboló hatású?

Vékonyréteg-interferencia származtatás | Vékonyréteg-interferencia egyenlet:

Tekintsünk egy olyan forgatókönyvet, amelyben a fényhullámok vékonyrétegű anyagra esnek. Ezek a fénysugarak a vékony film felső és alsó határairól is visszaverődnek. A visszaverődő fény optikai vastagságát vagy optikai útkülönbségét (OPD) meg kell mérni az interferencia feltételeinek meghatározásához.

Vékonyréteg-interferencia diagram

Vékony film interferencia
Az optikai útkülönbség diagramos ábrázolása vékony filmben. Kép forrása: NicoguaroVékony film interferenciaCC BY 4.0

Az alábbi sugárdiagramot figyelembe véve a két fényhullám közötti optikai útkülönbséget a következő képlet adja meg:

1

Itt,

2

Snell törvényét felhasználva azt mondhatjuk

3

Ezért

4

Konstruktív interferencia képlet vékony film | Pusztító interferencia képlet vékony film

Ha a két hullám közötti OPD vagy optikai útkülönbség egyenlő a fény adott hullámhosszának integrál többszörösével, azaz OPD = mλ, (ahol m egy egész szám), akkor destruktív interferencia léphet fel. A konstruktív interferencia eléréséhez a szükséges úthossz-különbség (2t) egyenlőnek kell lennie az adott hullámhossz felének integrál többszörösével.

Megfigyelhető azonban, hogy ez a konstruktív vagy destruktív interferencia állapota változhat a lehetséges fáziseltolódásoktól függően. Megfigyelhető azonban, hogy

Milyen alkalmazásai vannak a vékonyréteg-interferenciának?

Vékonyréteg-interferencia alkalmazása:

A vékonyréteg-interferencia jelenségét a következő alkalmazásokhoz használják:

  • Tükröződésgátló bevonatok: A tükröződésgátló bevonatokat az optikai rendszerek (tükrök, lencsék stb.) által visszavert fény kiküszöbölésére vagy korlátozására, valamint az ilyen rendszer által átbocsátott fény maximalizálására vagy fokozására használják. A tükröződésgátló bevonatot úgy kell megtervezni vagy gyártani, hogy az optikai rendszer által visszavert fény destruktív interferenciát, az optikai rendszer által átbocsátott fény pedig konstruktív interferenciát keltsen a beeső fény bizonyos színénél vagy hullámhosszánál.

A tükröződésgátló bevonatot általában úgy tervezték meg, hogy optikai szélessége vagy vastagsága egyenlő a beeső fényhullám negyed hullámhosszával, és a közeg törésmutatója a levegő törésmutatója és az üveg törésmutatója között van. Matematikailag ez a következő egyenletekkel igazolható:

nlevegő <nbevonatok <nüveg

d= λ/(4nbevonatok)

  • Optikai műszerek gyártása: A vékonyréteg-interferencia jelenségét széles körben használják optikai műszerek gyártásában. Az optikai alkatrészek, például a lencse vagy a tükör pontosságát úgy tesztelik, hogy a tervezés és gyártás során összehasonlítják őket egy mesterrel. Ezeket az optikai alkatrészeket úgy alakították ki, hogy a rendszer teljes felületén egy hullámhossznál kisebb pontosságuk legyen.
  • Kutatási célok: A vékonyréteg-interferencia információt szolgáltathat egy anyag törésmutatójáról, optikai vastagságáról, a különböző hullámhosszú fénnyel való kölcsönhatásról stb. Emiatt a vékonyréteg-interferenciát többféle optikai közeg elemzésére és összehasonlítására használják.

Vékonyréteg-interferencia kérdések | Vékonyréteg-interferencia-példa problémák | Vékonyréteg-interferenciával kapcsolatos numerikus adatok:

A komplex kamerákat több lencse és tükör sorozatának kombinációjával tervezték. Időnként a fénysugarak ezekről a lencsefelületekről visszaverődnek, és csökkentik a kép tisztaságát és felbontását. A lencsékről származó belső szórt visszaverődéseket a lencsék vékony magnézium-fluorid réteggel való bevonása korlátozza. A tükröződésgátló bevonat pusztító vékonyréteg-interferenciát okoz, és kiküszöböli a szórt fényt.

Vékonyréteg-interferencia gyakorlati problémák

Ön szerint mi lehet a lehető legvékonyabb filmszélesség, ha a bevonat törésmutatója 1.38, és az optimális működésre tervezett hullámhossz 550 nm, ami jellemzően a látható spektrumhoz tartozó legintenzívebb hullámhossz ? Az üveg törésmutatója 1.52.

Megoldás:

A destruktív interferencia eléréséhez itt

2t= λn2/2

Legyen a film hullámhossza λn2 és a

λn2= λ/n2

Ezért a vastagság t által lehet adni

t = (λ/n2)/4 = (550 nm/1.38) /4 = 99.6 nm

Jegyzet: Az ebben a kérdésben említetthez hasonló tükröződésgátló bevonófóliák az egyik leghatékonyabb módja annak, hogy a lehető legvékonyabb réteg használatával roncsoló interferenciát keltsünk. Ez egy szélesebb spektrumhoz és a beesési szögek szélesebb tartományához tartozó, csökkentett szórt fényintenzitást is biztosít.

A tükröződésgátló bevonat egy adott hullámhossz visszaverődését csökkentő funkciójáról kapta a nevét. Az említetttől eltérő hullámhosszak azonban részben áthaladhatnak a szűrőn, azaz nem törlődnek ki teljesen. Ezeket a tükröződésmentes bevonatokat autóablakok és napszemüvegek készítésére is használják.

Keresse meg egy szappanbuborék lehetséges három legkisebb optikai szélességét, amely a vörös spektrumhoz tartozó, 650 nm hullámhosszúságú fényben konstruktív interferenciát generál? A szappanbuborék törésmutatóját ebben az esetben a víz törésmutatójával egyenlőnek tekintjük.

Megoldás: Itt, n1 = n= 1.00 levegőre

n2 = 1.333 szappanra (vízzel egyenértékű).

 A szappanbuborék felső felületéről visszaverődő sugár λ/2-es eltolódása következik be. Az alsó felületről visszaverődő sugár nem tapasztal eltolódást.

A konstruktív interferencia eléréséhez a szükséges úthossz-különbség (2t) egyenlőnek kell lennie az adott hullámhossz felének integrál többszörösével.

Ezért az első három lehetséges hosszkülönbség értéke λn/2, 3λn/2 és 5λn/2.

A destruktív interferencia eléréséhez a szükséges úthossz-különbségnek egyenlőnek kell lennie az adott hullámhossz integrált többszörösével.

Ezért az első három lehetséges hosszkülönbség értéke 0, λnés 2λn.

Szóval,

Konstruktív interferencia mikor kerülhet sor 

2tc= λn/2, 3λn/2 és 5λn/2, és így tovább

Ezért a lehető legkisebb szerkezeti szélesség vagy vastagság tc egyenlő:

tc = λn/4 = (λ/n)/4 = (650 nm/1.333)/4 = 122 nm

A vastagság második lehetséges értéke, amely konstruktív interferenciát okozhat t'c = 3λn/4, Ezért t'c = 366 nm.

Hasonlóképpen, a vastagság harmadik lehetséges értéke, amely konstruktív interferenciát okozhat t′ ′c = 5λn/4, ezért t′ ′c = 610 nm.

Jegyzet: A fenti kérdésből megfigyelhető, hogy ha a beeső fény tisztán vörös volt, akkor világos és sötét sávokat figyelhettünk meg, amelyek vastagságában egyenletesen nőnek.

Az első lehetséges sötét sáv helyzete 0 vastagságnál lenne, majd az első lehetséges világos sáv 122 nm vastagságnál, majd a második sötét sáv 244 nm-nél, a világos sáv 366 nm-nél, a sötét sáv 488 nm-nél és a világos sáv. sáv 610 nm-en. Ha a szappanbuborék vastagsága egyenletesen változik, például sima ék, akkor a kapott szalagmintázat egyenletesen oszlik el a térben.

Miért nem látunk interferenciát a vastag filmekben?

A gyakorlati világban a fényforrások általában nem végtelenül kicsik. A fényhullámok meghatározott szélességű sugárként terjednek. Ez azt jelenti, hogy a fényhullámok az anyag felületére több szögtartományban esnek. Vékony filmeknél a szögek megközelítőleg azonos mértékű optikai útkülönbséget fednek le, és interferenciamintát generálnak.

A vastag rétegű anyagoknál azonban az optikai útkülönbség különböző szögekben nem azonos. Bizonyos szögekben a fényhullámok konstruktív interferenciát mutatnak, míg egyes szögek mutatnak pusztító interferencia. Az eredményül kapott minta ezért megszűnik, és nem látunk semmilyen interferenciát.

Miért van szükség széles fényforrásra a vékony film interferenciamintázatának megfigyeléséhez?

Ha egy keskeny fényforrást vagy egy pontszerű fényforrást veszünk figyelembe az interferencia megfigyeléséhez, akkor ez a vékony filmnek csak egy kis szelektív részét képes megvilágítani. Más szóval, az emberi szem a vékony filmnek csak egy bizonyos részét fogja látni. Emiatt meglehetősen lehetetlen lesz megfigyelni a teljes interferenciamintát.

Ezzel szemben, ha szélesebb fényforrást használunk, a fényhullámok jelentősen eltérő beesési szögben világítják meg a teljes felületet, és párhuzamos sugarat vernek vissza az emberi szemre. Ez segít a vékony film által alkotott teljes interferencia-minta megtekintésében.

Hogyan találja meg a vékony film minimális vastagságát?

A minimálisan szükséges vastagság t A vékonyréteg t = (λ/n2)/4 egyenlete adja meg. Ahol n2 a vékony film törésmutatója.

Következtetés: Ebben a vékonyréteg-interferencia megjegyzések oktatóanyagában befejeztük a vékonyréteg-interferencia, az egyenlet, a működés, a függőség, az alkalmazások, a problémák és a néhány gyakran ismételt kérdés megvitatását. Többet tudni a fényenergiáról kattints ide.

Is Read:

Írj hozzászólást