Тонкопленочная интерференция

Интерференция тонкой пленки — это естественное явление, при котором световые волны, отраженные от верхней и нижней границ тонкой пленки, интерферируют друг с другом, увеличивая отражение на одних длинах волн и уменьшая его на других. Когда белый свет падает на тонкую пленку, этот эффект вызывает разноцветные отражения.

Интерференция тонких пленок объясняет множество цветов, наблюдаемых в свете, отраженном от мыльных пузырей и масляных пленок на воде . Это также механизм действия просветляющих покрытий, используемых на очках и объективах фотоаппаратов . Если толщина пленки намного больше длины когерентности падающего света, то интерференционная картина будет размыта из-за ширины линии источника света.

Отражение от тонкой пленки обычно не представляет собой отдельные длины волн, создаваемые дифракционной решеткой или призмой , а представляет собой смесь различных длин волн. Поэтому наблюдаемые цвета редко бывают цветами радуги, а скорее коричневыми, золотыми, бирюзовыми, бирюзовыми, ярко-синими, пурпурными и пурпурными. Изучение света, отраженного или прошедшего тонкой пленкой, может дать информацию о толщине пленки или эффективном показателе преломления пленочной среды. Тонкие пленки имеют множество коммерческих применений, включая просветляющие покрытия , зеркала и оптические фильтры .

Теория

Тонкопленочные помехи, вызванные размораживающим покрытием ITO на окне кабины Airbus .

В оптике тонкая пленка представляет собой слой материала толщиной от субнанометра до микрона . Когда свет падает на поверхность пленки, он либо передается, либо отражается от верхней поверхности. Прошедший свет достигает нижней поверхности и может снова передаваться или отражаться. Уравнения Френеля дают количественное описание того, какая часть света будет передаваться или отражаться на границе раздела. Свет, отраженный от верхней и нижней поверхностей, будет мешать. Степень конструктивной или деструктивной интерференции двух световых волн зависит от разницы их фаз. Эта разница, в свою очередь, зависит от толщины слоя пленки, показателя преломления пленки и угла падения исходной волны на пленку. Кроме того, фазовый сдвиг на 180° или $\pi$ радианы могут быть введены при отражении от границы в зависимости от показателей преломления материалов по обе стороны границы. Этот фазовый сдвиг возникает, если показатель преломления среды, через которую распространяется свет, меньше показателя преломления материала, на который он попадает. Другими словами, если $n_{1}<n_{2}$ и свет распространяется от материала 1 к материалу 2, то при отражении происходит фазовый сдвиг. Световой узор, 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 границы. Оптическая разность хода (OPD) отраженного света должна быть рассчитана, чтобы определить условия возникновения интерференции. Ссылаясь на лучевую диаграмму выше, OPD между двумя волнами выглядит следующим образом:

OPD=n_{2}({\overline {AB}}+{\overline {BC}})-n_{1}({\overline {AD}})

Где,

{\overline {AB}}={\overline {BC}}={\frac {d}{\cos(\theta _{2})}}

{\overline {AD}}=2d\tan(\theta _{2})\sin(\theta _{1})

Используя закон Снелла , $n_{1}\sin(\theta _{1})=n_{2}\sin(\theta _{2})$

{\begin{aligned}OPD&=n_{2}\left({\frac {2d}{\cos(\theta _{2})}}\right)-2d\tan(\theta _{2})n_{2}\sin(\theta _{2})\\&=2n_{2}d\left({\frac {1-\sin ^{2}(\theta _{2})}{\cos(\theta _{2})}}\right)\\&=2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})\\\end{aligned}}

Интерференция будет конструктивной, если оптическая разность путей равна целому кратному длине волны света, $\lambda$ .

2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

Это условие может измениться после рассмотрения возможных фазовых сдвигов, возникающих при отражении.

Монохроматический источник

Там, где 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 варьируется от одного места к другому, интерференция может измениться с конструктивной на деструктивную. Хороший пример этого явления, названный « кольцами Ньютона », демонстрирует интерференционную картину, которая возникает, когда свет отражается от сферической поверхности, прилегающей к плоской поверхности. 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 является широкополосным или белым, например, светом солнца, интерференционные картины выглядят как цветные полосы. Различные длины волн света создают конструктивную интерференцию для пленок разной толщины. Различные области пленки отображаются разными цветами в зависимости от локальной толщины пленки.

Фазовое взаимодействие

На рисунках показаны два падающих световых луча (А и В). Каждый луч создает отраженный луч (пунктирный). Интерес представляют отражения луча А от нижней поверхности и отражение луча В 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, наоборот, 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 луч А проходит в пленке, кратно длине волны луча в пленке, то два отраженных луча находятся в фазе и конструктивно интерферируют (как показано на первом рисунке). Если расстояние, пройденное лучом А, кратно половине длины волны света в пленке, лучи разрушительно 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 пленки и показателя киносреда. Различные возможные конфигурации пленки и соответствующие уравнения более подробно объяснены в примерах ниже.

Мыльный пузырь

В случае мыльного пузыря свет проходит через воздух и попадает на мыльную пленку. Воздух имеет показатель преломления 1 ( $n_{\rm {air}}=1$ ) и фильм имеет индекс больше 1 ( $n_{\rm {film}}>1$ ). Отражение, происходящее от верхней границы пленки (границы воздух-пленка), приведет к сдвигу фазы отраженной волны на 180°, поскольку показатель преломления воздуха меньше показателя преломления пленки ( $n_{\rm {air}}<n_{\rm {film}}$ ). Свет, который передается на верхнюю границу раздела «пленка-воздух», будет продолжать достигать нижней границы раздела «пленка-воздух», где он может отражаться или передаваться. Отражение, происходящее на этой границе, не изменит фазу отраженной волны, поскольку $n_{\rm {film}}>n_{\rm {air}}$ . Условие интерференции для мыльного пузыря следующее:

2n_{\rm {film}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda

для конструктивной интерференции отраженного света

2n_{\rm {film}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

для деструктивной интерференции отраженного света

Где $d$ толщина пленки, $n_{\rm {film}}$ – показатель преломления пленки, $\theta _{2}$ – угол падения волны на нижнюю границу, $m$ является целым числом, и $\lambda$ это длина волны света.

Масляная пленка

В случае тонкой масляной пленки слой масла находится поверх слоя воды. Масло может иметь показатель преломления около 1,5, а вода — 1,33. Как и в случае с мыльным пузырем, материалы по обе стороны масляной пленки (воздух и вода) имеют показатели преломления меньше, чем показатель пленки. $n_{\rm {air}}<n_{\rm {water}}<n_{\rm {oil}}$ . При отражении от верхней границы произойдет сдвиг фазы, поскольку $n_{\rm {air}}<n_{\rm {oil}}$ но никакого смещения при отражении от нижней границы, поскольку $n_{\rm {oil}}>n_{\rm {water}}$ . Уравнения интерференции будут такими же.

2n_{\rm {oil}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda

для конструктивной интерференции отраженного света

2n_{\rm {oil}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

для деструктивной интерференции отраженного света

Антибликовые покрытия

Антибликовое покрытие устраняет отраженный свет и максимально увеличивает проходящий свет в оптической системе. Пленка устроена таким образом, что отраженный свет создает деструктивную интерференцию, а проходящий свет создает конструктивную интерференцию для данной длины волны света. В простейшей реализации такого покрытия пленка создается так, что ее оптическая толщина $dn_{\rm {coating}}$ представляет собой четверть длины волны падающего света, а его показатель преломления больше, чем показатель воздуха, и меньше, чем показатель стекла.

n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}

d=\lambda /(4n_{\rm {coating}})

Фазовый сдвиг на 180° будет индуцирован при отражении как на верхней, так и на нижней границе раздела пленки, поскольку $n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}$ и $n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}$ . Уравнения интерференции отраженного света:

2n_{\rm {coating}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda

за конструктивное вмешательство

2n_{\rm {coating}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda

для деструктивного вмешательства

Если оптическая толщина $dn_{\rm {coating}}$ равна четверти длины волны падающего света, и если свет падает на пленку при нормальном падении $(\theta _{2}=0)$ , отраженные волны будут совершенно не по фазе и будут разрушительно интерферировать. Дальнейшее уменьшение отражения возможно за счет добавления большего количества слоев, каждый из которых предназначен для соответствия определенной длине волны света.

Интерференция проходящего света вполне конструктивна для этих пленок.

На природе

Структурная окраска, обусловленная тонкими пленочными слоями, широко распространена в природе. Крылья многих насекомых из-за своей минимальной толщины действуют как тонкие пленки. Это хорошо видно по крыльям многих мух и ос. У бабочек тонкопленочная оптика заметна, когда само крыло не покрыто пигментированными чешуйками, как это имеет место у голубых пятен на крыльях бабочки Aglais io . ^{[ 1 ]} Глянцевый вид цветков лютика обусловлен еще и тонкой пленкой. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} а также блестящие перья на груди райской птицы . ^{[ 4 ]}

Синие пятна на крыльях европейской бабочки-павлина ( Aglais io ) возникли из-за интерференции тонких пленок. ^{[ 1 ]}
Блеск цветков лютика обусловлен тонкопленочной интерференцией. ^{[ 2 ]}

Приложения

Тонкие пленки коммерчески используются в просветляющих покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Их можно спроектировать так, чтобы контролировать количество света, отражаемого или пропускаемого поверхностью для заданной длины волны. Эталон Фабри -Перо использует интерференцию тонких пленок, чтобы выборочно выбирать, какие длины волн света могут проходить через устройство. Эти пленки создаются посредством процессов осаждения, при которых материал контролируемым образом добавляется к подложке. Методы включают химическое осаждение из паровой фазы и различные физического осаждения из паровой фазы методы .

Тонкие пленки встречаются и в природе. имеется слой ткани У многих животных за сетчаткой — Tapetum lucidum , который помогает собирать свет. Эффекты тонкопленочной интерференции можно также увидеть в нефтяных пятнах и мыльных пузырях. Спектр отражения тонкой пленки имеет отчетливые колебания, и экстремумы спектра можно использовать 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, $\rho$ , системы измеряется. Затем проводится анализ модели, в ходе которого информация используется для определения толщины слоя пленки и показателей преломления.

Интерферометрия двойной поляризации — это новый метод измерения показателя преломления и толщины тонких пленок молекулярного масштаба, а также того, как они изменяются при стимуляции.

История

Радужность, вызванная интерференцией тонких пленок, является широко наблюдаемым явлением в природе и встречается у множества растений и животных. Одно из первых известных исследований этого явления было проведено Робертом Гуком в 1665 году. В «Микрографии» Гук предположил, что переливчатость перьев павлина вызвана тонкими чередующимися слоями пластины и воздуха. В 1704 году Исаак Ньютон в своей книге «Оптика» заявил , что переливчатость павлиньего пера возникает из-за того, что прозрачные слои пера очень тонкие. ^{[ 5 ]} В 1801 году Томас Янг дал первое объяснение конструктивного и деструктивного взаимодействия. Вклад Янга оставался незамеченным до работы Огюстена Френеля , который помог создать волновую теорию света в 1816 году. ^{[ 6 ]} Однако объяснить переливчатость можно было очень мало до 1870-х годов, когда Джеймс Максвелл и Генрих Герц помогли объяснить электромагнитную природу света . ^{[ 5 ]} После изобретения интерферометра Фабри-Перо в 1899 году механизмы тонкопленочной интерференции удалось продемонстрировать в более широком масштабе. ^{[ 6 ]}

В большинстве ранних работ ученые пытались объяснить переливчатость у таких животных, как павлины и жуки-скарабеи , как некую форму цвета поверхности, например, краситель или пигмент, который может изменять свет при отражении под разными углами. В 1919 году лорд Рэлей предположил, что яркие, меняющиеся цвета вызваны не красками или пигментами, а микроскопическими структурами, которые он назвал « структурными цветами ». ^{[ 5 ]} В 1923 году К. У. Мейсон заметил, что бородки павлиньего пера состоят из очень тонких слоев. Некоторые из этих слоев были цветными, а другие — прозрачными. Он заметил, что нажатие на усик меняет цвет в сторону синего, а набухание химическим веществом — в сторону красного. Он также обнаружил, что отбеливание пигментов перьев не устранило переливчатость. 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 переливчатости. Первое исследование радужных перьев с помощью электронного микроскопа произошло в 1939 году и выявило сложные тонкопленочные структуры, а исследование морфо- бабочки в 1942 году выявило чрезвычайно крошечный набор тонкопленочных структур в нанометровом масштабе. ^{[ 5 ]}

Первое производство тонкопленочных покрытий произошло совершенно случайно. В 1817 году Йозеф Фраунгофер обнаружил, что, потускнев стекло , азотной кислотой он может уменьшить отражения на поверхности. В 1819 году, наблюдая, как слой спирта испаряется с листа стекла, Фраунгофер заметил, что цвета появляются незадолго до полного испарения жидкости, и пришел к выводу, что любая тонкая пленка прозрачного материала будет давать цвета. ^{[ 6 ]}

В технологии тонкопленочных покрытий был достигнут небольшой прогресс до 1936 года, когда Джон Стронг начал испарять флюорит для создания просветляющих покрытий на стекле. В 1930-е годы усовершенствования вакуумных насосов сделали возможными такие методы вакуумного осаждения , как распыление . В 1939 году Уолтер Х. Геффкен создал первые интерференционные фильтры с использованием диэлектрических покрытий. ^{[ 6 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Ставенга, генеральный директор (2014). «Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурные цвета многих насекомых и птиц». Материалы сегодня: Труды . 1 : 109–121. дои : 10.1016/j.matpr.2014.09.007 .
^ Jump up to: ^а ^б Ван Дер Коой, CJ; Эльзенга, JTM; Дейкстерхейс, Дж.; Ставенга, генеральный директор (2017). «Функциональная оптика глянцевых цветов лютика» . Журнал интерфейса Королевского общества . 14 (127): 20160933. doi : 10.1098/rsif.2016.0933 . ПМЦ 5332578 . ПМИД 28228540 .
^ Ван Дер Коой, CJ; Уилтс, Б.Д.; Леертауэр, Х.Л.; Стаал, М.; Эльзенга, JTM; Ставенга, генеральный директор (2014). «Радужные цветы? Вклад поверхностных структур в оптическую передачу сигналов» (PDF) . Новый фитолог . 203 (2): 667–73. дои : 10.1111/nph.12808 . ПМИД 24713039 .
^ Ставенга, генеральный директор; Леертауэр, Х.Л.; Маршалл, Нью-Джерси; Осорио, Д. (2010). «Драматические изменения цвета райской птицы, вызванные уникальной структурой бородочек перьев на груди» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 278 (1715): 2098–104. дои : 10.1098/rspb.2010.2293 . ПМК 3107630 . ПМИД 21159676 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Структурные цвета в мире природы Шуичи Киношита – World Scientific Publishing, 2008, страницы 3–6.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Тонкопленочные оптические фильтры Хью Ангус Маклауд – Издательство Института физики, 2001 г., страницы 1–4.
^ Структурные цвета в царстве природы Шуичи Киношита - World Scientific Publishing 2008, стр. 165-167.

Дальнейшее чтение

Фаулз, Грант Р. (1989), «Многолучевая интерференция», Введение в современную оптику , Дувр
Грейвенкамп, Джон (1995), «Интерференция», Справочник по оптике , МакГроу – Хилл
Хехт, Юджин (2002), «Интерференция», Оптика , Эддисон Уэсли
Книттл, Зденек (1976), Оптика тонких пленок; Оптическая многослойная теория , Wiley, Bibcode : 1976otf..book.....K
Д.Г. Ставенга, Тонкая пленочная и многослойная оптика обуславливает структурную окраску многих насекомых и птиц. Материалы сегодня: Труды, 1С, 109 – 121 (2014).

[stavenga-1] Jump up to: ^а ^б ^с Ставенга, генеральный директор (2014). «Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурные цвета многих насекомых и птиц». Материалы сегодня: Труды . 1 : 109–121. дои : 10.1016/j.matpr.2014.09.007 .

[buttercup-2] Jump up to: ^а ^б Ван Дер Коой, CJ; Эльзенга, JTM; Дейкстерхейс, Дж.; Ставенга, генеральный директор (2017). «Функциональная оптика глянцевых цветов лютика» . Журнал интерфейса Королевского общества . 14 (127): 20160933. doi : 10.1098/rsif.2016.0933 . ПМЦ 5332578 . ПМИД 28228540 .

[3] Ван Дер Коой, CJ; Уилтс, Б.Д.; Леертауэр, Х.Л.; Стаал, М.; Эльзенга, JTM; Ставенга, генеральный директор (2014). «Радужные цветы? Вклад поверхностных структур в оптическую передачу сигналов» (PDF) . Новый фитолог . 203 (2): 667–73. дои : 10.1111/nph.12808 . ПМИД 24713039 .

[4] Ставенга, генеральный директор; Леертауэр, Х.Л.; Маршалл, Нью-Джерси; Осорио, Д. (2010). «Драматические изменения цвета райской птицы, вызванные уникальной структурой бородочек перьев на груди» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 278 (1715): 2098–104. дои : 10.1098/rspb.2010.2293 . ПМК 3107630 . ПМИД 21159676 .

[autogenerated1-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Структурные цвета в мире природы Шуичи Киношита – World Scientific Publishing, 2008, страницы 3–6.

[autogenerated2001-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Тонкопленочные оптические фильтры Хью Ангус Маклауд – Издательство Института физики, 2001 г., страницы 1–4.

[7] Структурные цвета в царстве природы Шуичи Киношита - World Scientific Publishing 2008, стр. 165-167.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]