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, отражённом от мыльных пузырей и масляных плёнок на воде. Это явление также является основополагающим механизмом, используемым в объективах камер, зеркалах, оптических фильтрах и антибликовых покрытиях.
Содержание
Теория [ править | править код ]
Луч света длиной волны λ <displaystyle lambda > 
, распространяющийся в воздушной среде с показателем преломления n 1 = 1 <displaystyle n_<1>=1> при падении на поверхность плёнки с показателем преломления n_<1>>"> n 2 > n 1 <displaystyle n_<2>>n_<1>> n_<1>>"/> разделится на два луча. Часть отражается на верхней поверхности, а часть преломляется. Преломлённый луч достигает нижней границы, затем отражается от неё 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:
 Учитывая закон преломления (закон Снеллиуса): sin ( i ) sin ( r ) = n 2 n 1 <displaystyle <frac <sin(i)><sin(r)>>=<frac <2>><1>>>> Получаем: sin ( i ) = n 2 ⋅ sin ( r ) <displaystyle sin(i)=n_<2>cdot sin(r)> A O = O B ⋅ sin ( i ) = 2 d ⋅ t g ( r ) ⋅ sin ( i ) = 2 d ⋅ n 2 ⋅ sin 2 ( r ) cos ( r ) <displaystyle mathrm Δ = 2 d n 2 − sin 2 i + λ 0 2 <displaystyle Delta =2d<sqrt <2>-sin ^<2>i>>+<frac <lambda _<0>><2>>> Два луча дадут максимум, если Δ = ± m λ 0 <displaystyle Delta =pm mlambda _<0>> Условие максимума интенсивности света при интерференции: 2 d n 2 − sin 2 i + λ 0 2 = m λ 0 ; ( m = 0 , 1 , 2. ) <displaystyle 2d<sqrt <2>-sin ^<2>i>>+<frac <lambda _<0>><2>>=mlambda _<0>;(m=0,1,2. )> Условие минимума интенсивности света при интерференции: 2 d n 2 − sin 2 i + λ 0 2 = ( 2 m + 1 ) λ 0 2 ; ( m = 0 , 1 , 2. ) <displaystyle 2d<sqrt <2>-sin ^<2>i>>+<frac <lambda _<0>><2>>=(2m+1)<frac <lambda _<0>><2>>;(m=0,1,2. )> История [ править | править код ]
Тонкоплёночная 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 [1]. 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 тонкоплёночных помех можно было продемонстрировать в более широком масштабе. Однако до начала XX века учёные 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» [2]. Первое производство тонкоплёночных 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 плёнка из прозрачного материала будет создавать цвета. Небольшое продвижение было сделано в технологии тонкоплёночного 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. Применение [ править | править код ]В коммерческих проектах тонкие плёнки используются в антибликовых покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Они могут быть спроектированы для контроля количества света, отражённого или прошедшего на поверхности для определённой длины волны. Эллипсометрия — это метод, который часто используется для измерения свойств тонких плёнок. Поляризованный свет отражается от поверхности плёнки и измеряется детектором. Затем проводится модельный анализ, в котором эта информация используется для определения толщины слоя плёнки и показателей преломления. Двойная поляризационная интерферометрия является новым методом измерения показателя преломления и толщины тонких плёнок молекулярного масштаба. Галерея [ править | править код ]
Яркая интерференционная картина наблюдается, когда свет отражается от верхней и нижней границ тонкой масляной пленки. Различные полосы образуются по мере уменьшения толщины плёнки от центральной точки стекания.
Цвета в свете отражаются от мыльного пузыря
Демонстрация разницы длины оптического пути для света, отражённого от верхней и нижней границ тонкой плёнки.
Тонкоплёночные помехи, вызванные размораживанием покрытия ITO на окне кабины Airbus.
Бензин на воде показывает образец ярких и тёмных полос при освещении лазерным светом 589 нм.
Конструктивное фазовое взаимодействие
Разрушительное фазовое взаимодействие
Интерференция в тонких плёнках в мыльном пузыре. Цвет зависит от толщины плёнки.
Падающий на мыльную плёнку свет в воздухе
Свет, падающий на масляную плёнку на воде
Свет, падающий на антибликовое покрытие на стекле
Голубые пятна на крыльях бабочки Павлиний глаз обусловлены интерференцией в тонких плёнках. [1]
Блеск цветов лютика обусловлен интерференцией в тонких плёнках. [2]
Оптическое окно с антибликовым покрытием. Под углом 45° покрытие немного толще падающего света, в результате чего центральная длина волны смещается в сторону красного, и на фиолетовом конце спектра появляются отражения. При 0°, для которого было разработано это покрытие, отражения практически не наблюдается.
Закалка цветов происходит при нагреве стали и на поверхности образуется тонкая плёнка оксида железа. Цвет указывает на температуру, которую достигла сталь, что сделало это одним из самых ранних практических применений интерференции в тонких плёнках.
Радужные интерференционные цвета в масляной плёнке Студенту: Аспиранту: ВАЖНО! 1. Если у Вас в номере зачетки или номере паспорта первыми идут нули (0), их нужно отбросить. Связь с администратором: Этот видеоурок доступен по абонементуУ вас уже есть абонемент? Войти
Название: «Наблюдение интерференции и дифракции света». Цель: экспериментально изучить интерференцию и дифракцию света. Оборудование: лампа с прямой нитью накала, 2 стеклянные пластины, проволочная рамка, мыльный раствор, штангенциркуль, плотная бумага, кусок батиста, капроновая нить, зажим. Опыт 1 Наблюдение картины интерференции с помощью стеклянных пластин. Берем две стеклянные пластины, перед этим тщательно их протираем, затем плотно складываем и сжимаем. Ту интерференционную картину, которую увидим в пластинах, нужно зарисовать. Чтобы увидеть изменение картины от степени сжатия стекол, необходимо взять устройство зажима и с помощью винтов сжать пластины. В результате этого картина интерференции изменяется. Опыт 2 Интрференция на тонких пленках. Чтобы пронаблюдать данный опыт, возьмем мыльную воду и проволочную рамку, затем посмотрим, как образуется тонкая пленка. Если рамку опустить в мыльную воду, то после поднятия в ней видна образовавшаяся мыльная пленка. Наблюдая в отраженном свете за этой пленкой, можно увидеть полосы интерференции. Опыт 3 Интерференция на мыльных пузырях. Для наблюдения воспользуемся мыльным раствором. Выдуваем мыльные пузыри. То, как пузыри переливаются, это и есть интерференция света (см. Рис. 1).
Рис. 1. Интерференция света в пузырях Картина, которую мы наблюдаем, может выглядеть следующим образом (см. Рис. 2).
Рис. 2. Интерференционная картина Это интерференция в белом свете, когда мы положили линзу на стекло и осветили ее простым белым светом. Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос) (см. Рис. 3).
Рис. 3. Использование светофильтров Теперь перейдем к наблюдению дифракции. Дифракция – это волновое явление, присущее всем волнам, которое наблюдается на краевых частях каких-либо предметов. Опыт 4 Дифракция света на малой узкой щели. Создадим щель между губками штангенциркуля, с помощью винтов передвигая его части. Для того чтобы пронаблюдать дифракцию света, зажмем между губками штангенциркуля лист бумаги, таким образом, чтобы потом этот лист бумаги можно было вытащить. После этого перпендикулярно подносим эту узкую щель вплотную к глазу. Наблюдая через щель яркий источник света (лампу накаливания), можно увидеть дифракцию света (см. Рис. 4).
Рис. 4. Дифракция света на тонкой щели Опыт 5 Дифракция на плотной бумаге Если взять плотный лист бумаги и сделать бритвой надрез, то, поднеся этот разрез бумаги вплотную к глазу и меняя расположение соседних двух листочков, можно наблюдать дифракцию света. Опыт 6 Дифракция на малом отверстии Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света (см. Рис. 5). Изменение дифракционной картины зависит от величины отверстия.
Рис. 5. Дифракция света на малом отверстии Опыт 7 Дифракция света на кусочке плотной прозрачной ткани (капрон, батист). Возьмем батистовую ленту и, расположив ее на небольшом расстоянии от глаз, посмотрим сквозь ленту на яркий источник света. Мы увидим дифракцию, т.е. разноцветные полосы и яркий крест, который будет состоять из линий дифракционного спектра. На рисунке представлены фотографии дифракции, которую мы наблюдаем (см. Рис. 6).
Рис. 6. Дифракция света Отчет: в нем должны быть представлены рисунки интерференции и дифракции, которые наблюдались в ходе работы. Изменение линий характеризует, как происходит та или иная процедура преломления и сложения (вычитания) волн. На основании дифракционной картины, полученной от щели, создан специальный прибор – дифракционная решетка. Она представляет собой набор щелей, через которые проходит свет. Этот прибор нужен для того, чтобы проводить детальные исследования света. Например, с помощью дифракционной решетки можно определить длину световой волны. Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта. «> |
1. Введение
