WikiSort.ru - Не сортированное

Интерфере́нция в тóнких плёнках – явление, которое возникает в результате разделения луча света при отражении от верхней и нижней границ тонкой плёнки. В результате возникают две световые волны, которые могут интерферировать. Тонкоплёночная интерференция объясняет цветовую палитру, видимую в свете, отраженном от мыльных пузырей и масляных плёнок на воде. Это явление также является основополагающим механизмом, используемым в объективах камер, зеркалах, оптических фильтрах и антибликовых покрытиях.

Теория

Луч света длиной волны ${\displaystyle \lambda }$ , распространяющийся в воздушной среде с показателем преломления ${\displaystyle n_{1}=1}$ при падении на поверхность пленки с показателем преломления ${\displaystyle n_{2}>n_{1}}$ разделится на два луча. Часть отражается на верхней поверхности, а часть преломляется. Преломлённый луч достигает нижней границы, затем отражается от нее и снова преломившись, выходит в воздушную среду когерентным с первым лучом. В силу условия когерентности двух лучей наблюдается интерференционная картина, которая определяется оптической разностью хода между интерферирующими лучами:

${\displaystyle \Delta =L_{2}-L_{1}=n_{2}(OC+CB)-n_{1}(AO+{\frac {\lambda _{0}}{2}})}$ .

(1)

${\displaystyle \ \mathrm {OC} =\mathrm {CB} ={\frac {d}{\cos(r)}}}$

${\displaystyle \ \mathrm {AO} =\mathrm {OB} \sin(i)}$

${\displaystyle \ \mathrm {OB} =2\cdot \mathrm {OK} =2\mathrm {d} \cdot \operatorname {tg(r)} }$

Учитывая закон преломления (закон Снеллиуса):

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

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

${\displaystyle \ \mathrm {AO} =\mathrm {OB} \cdot \sin(i)=2\mathrm {d} \cdot \operatorname {tg(r)} \cdot \sin(i)={\frac {2d\cdot n_{2}\cdot \sin ^{2}(r)}{\cos(r)}}}$ Подставляем в ${\displaystyle \ (1)}$

${\displaystyle \Delta =2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}+{\frac {\lambda _{0}}{2}}}$ .

Два луча дадут максимум, если ${\displaystyle \Delta =\pm m\lambda _{0}}$ и будет минимум, если ${\displaystyle \Delta =\pm (2m+1){\frac {\lambda _{0}}{2}}}$

Условие максимума интенсивности света при интерференции: ${\displaystyle \ 2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}+{\frac {\lambda _{0}}{2}}=m\lambda _{0};(m=0,1,2...)}$

Условие минимума интенсивности света при интерференции: ${\displaystyle \ 2d{\sqrt {n^{2}-\sin ^{2}i}}+{\frac {\lambda _{0}}{2}}=(2m+1){\frac {\lambda _{0}}{2}};(m=0,1,2...)}$

История

Тонкопленочная интерференция, является обычно наблюдаемым явлением в природе, которое встречается у разных растений и животных. Одно из первых известных исследований этого феномена было проведено Робертом Гуком в 1665 году. Гук постулировал, что радуга в павлиньих перьях была вызвана тонкими чередующимися слоями пластины и воздуха.

В 1816 году Френель дополнил волновую теорию света. Тем не менее, очень мало было объяснений радуги до 1870-х годов, когда Джеймс Максвелл и Генрих Герц помогли объяснить электромагнитную природу света.

После изобретения интерферометра Фабри—Перо в 1899 году механизмы тонкопленочных помех можно было продемонстрировать в более широком масштабе. Однако до начала 20 века ученые объясняли радужный окрас у различных животных, например павлины и жуки-скарабеи, наличием красителей или пигментов, которые изменяют цвет при разных углах наблюдения.

В 1919 году лорд Рэлей предположил, что яркие, меняющиеся цвета были вызваны не красителями, а микроскопическими структурами, которые он назвал « структурными цветами».

Первое производство тонкопленочных покрытий произошло совершенно случайно. В 1817 году Йозеф Фраунгофер обнаружил, что, потускнение стекла с азотной кислотой, может уменьшить отражения на поверхности.

В 1819 году, наблюдая, как слой спирта испаряется с листа стекла, Фраунгофер отметил, что цвета появились непосредственно перед тем, как жидкость полностью испарилась, и выяснилось, что любая тонкая пленка из прозрачного материала будет создавать цвета.

Небольшое продвижение было сделано в технологии тонкопленочного покрытия до 1936 года, когда Джон Стронг начал испарять флюорит, чтобы сделать антиотражающие покрытия на стекле.

В 1939 году Уолтер Х. Геффкен создал первые интерференционные фильтры с использованием диэлектрических покрытий.

Примечания

В коммерческих проектах тонкие пленки используются в антибликовых покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Они могут быть спроектированы для контроля количества света, отраженного или прошедшего на поверхности для определённой длины волны.

Эллипсометрия — это метод, который часто используется для измерения свойств тонких пленок. Поляризованный свет отражается от поверхности пленки и измеряется детектором. Затем проводится модельный анализ, в котором эта информация используется для определения толщины слоя пленки и показателей преломления. Двойная поляризационная интерферометрия является новым методом измерения показателя преломления и толщины тонких пленок молекулярного масштаба.

Литература

• Храмов Ю. А. Френель Огюстен Жан (Fresnel Augustin Jean) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — С. 283. — 400 с. — 200 000 экз. (в пер.)
• Интерференция света / М. Д. Галанин // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурную окраску многих насекомых и птиц. Materials today: Proceedings, 1S, 109 – 121 (2014).

Ссылки

• Stavenga, D. G.; Leertouwer, H. L.; Marshall, N. J.; Osorio, D. (2010) Изменения цвета у райской птицы, вызванные уникально структурированными бородками из перьев на груди
• Stavenga, D. G. (2014). Тонкая пленка и многослойная оптика вызывают структурные цвета многих насекомых и птиц. Materials Today: Proceedings. 1: 109. doi:10.1016/j.matpr.2014.09.007

См. также

• Интерференция волн
• Интерферометр
• Интерференция света