Wat is dunnefilminterferentie?
Dunne film interferentie definitie :
Dunne-filminterferentie verwijst naar het fenomeen waarbij interferentie optreedt van de lichtgolven die worden gereflecteerd door de boven- en onderkant van een dunne film. Deze interferentie kan het door de film gereflecteerde licht vergroten of verkleinen.
Hoe gebeurt dunnefilminterferentie?
Dunne film interferentie werkt | Uitleg over dunne film interferentie
Volgens de optica verwijst een dunne film naar een dunne laag van een materiaal met een dikte in het bereik van sub-nanometer naar microns. Wanneer lichtgolven op het dunne filmoppervlak vallen, worden de golven ofwel teruggekaatst vanaf het bovenoppervlak van het materiaal of erdoorheen doorgelaten. De lichtgolven die door het bovenoppervlak worden doorgelaten, kunnen weer last krijgen van reflectie of transmissie vanaf het onderoppervlak van de dunne film. De hoeveelheid licht (kwantitatieve beschrijving) die kan worden gereflecteerd of doorgelaten door de oppervlakken van het materiaal wordt bepaald door de Fresnel-vergelijkingen.
Soms interageren de lichtgolven die door het bovenoppervlak worden gereflecteerd of interfereren met de lichtgolven die worden gereflecteerd door het bodemoppervlak en vormen een interferentiepatroon. Het interferentieniveau dat zowel constructief als destructief kan zijn tussen de twee gereflecteerde lichtgolven is afhankelijk van het faseverschil van de twee lichtgolven.
Het faseverschil tussen de twee golven is weer afhankelijk van de breedte of dikte van de dunne filmlaag, de brekingsindex van de dunne film en de hoek waaronder de initiële lichtgolf invalt op de gegeven filmlaag. Bovendien speelt de brekingsindex van het medium aan de andere kant van de filmgrens ook een rol bij het verschuiven van de fase met 180° of π radialen.
Een lichtgolf kan last hebben van een faseverschuiving van 180° na reflectie vanaf de ondergrens als de brekingsindex van het medium dat het licht treft groter is dan de brekingsindex van het medium waarin het licht zich aanvankelijk voortbewoog. Met andere woorden, we kunnen zeggen dat als n1 de brekingsindex van het eerste medium is en n2 de brekingsindex van het filmmateriaal is en gegeven wordt dat n1 < n2, dan kan de lichtgolf die van medium 1 naar medium 2 gaat, lijden aan een faseverschuiving van π radialen na reflectie.
Na de interferentie van een dergelijk medium wordt waargenomen dat het interferentiepatroon van licht ofwel afwisselende heldere en donkere banden of banden van verschillende kleuren vormt op basis van het type invallend licht (chromatisch of monochromatisch of wit).
Afhankelijkheid van dunnefilminterferentie op golflengte
Voorwaarde voor constructieve en destructieve interferentie in dunne film
Voorwaarde voor destructieve interferentie in dunne film
De voorwaarde voor het optreden van destructieve interferentie, dwz de voorwaarde die nodig is om de gereflecteerde lichtstralen te laten interfereren en elkaar opheffen, is dat de filmdikte een oneven veelvoud moet zijn van 1/4 van de golflengte van het invallende licht erop. De lichtgolf die bij zo'n golflengtebereik hoort, kan niet worden gereflecteerd en wordt dus volledig doorgelaten.
Voorwaarde voor constructieve interferentie in dunne films
De voorwaarde voor constructieve interferentie dwz de voorwaarde die nodig is om de gereflecteerde lichtstralen te laten interfereren en met elkaar te versterken, is dat de filmdikte een oneven veelvoud moet zijn van de helft van de golflengte van het invallende licht erop. In dergelijke gevallen neemt de reflectie van de lichtgolven door de dunne filmgrens toe en neemt de transmissie van golven af.
Wat is de oorzaak van het zien van een dunne film in wit licht?
Afhankelijkheid van dunnefilminterferentie van de kleur van het licht.
Vanwege de afhankelijkheid van het interferentieniveau van de golflengte in dunne films, wordt gezien dat wit licht dat een aantal golflengten omvat ongelijkmatig wordt gereflecteerd en doorgelaten. Bepaalde golflengten of kleuren van wit licht worden geïntensiveerd na constructieve interferentie en bepaalde golflengten of kleuren lijden aan destructieve interferentie en worden verzwakt. Het fenomeen Dunne film interferentie geeft ons een verklaring over het optreden van meerdere kleuren licht van zeepbellen en oliefilms na reflectie.
Antireflectiecoatings in termen van dunnefilminterferentie
De antireflectiecoatings die in cameralenzen en -brillen zijn verwerkt, werken ook op het fenomeen dunnefilminterferentie. Deze zijn zo ontworpen dat de relatieve faseverschuiving tussen de bundel die wordt gereflecteerd aan de boven- en ondergrenzen van een dunne film 180° is.
Factoren waarvan de dikte van dunne films afhankelijk is:
De werkelijke filmdikte of -breedte die wordt bedekt door de lichtgolven terwijl ze er doorheen gaan, is afhankelijk van twee belangrijke factoren: de brekingsindex en de invalshoek van de inkomende lichtgolf. Wanneer de brekingsindex van het medium toeneemt in vergelijking met de brekingsindex van lucht, neemt de lichtsnelheid af. Met andere woorden, we kunnen zeggen dat de lichtsnelheid in een medium omgekeerd evenredig is met de brekingsindex van het medium.
We weten dat lichtfrequentie blijft hetzelfde voor elk medium, daarom treedt de variatie in snelheid op als gevolg van de verandering in golflengte van licht. Om deze reden worden films vervaardigd waarbij rekening wordt gehouden met de golflengte wanneer licht door de dunne film reist.
Wanneer de invalshoek nul graden is of de lichtgolven normaal vallen, is de dikte van de film in het algemeen 1/4 of 1/2 van de centrale golflengte van het invallende licht. Wanneer de invalshoek schuin is, wordt de dikte van de film gegeven door het product van de cosinus van de invalshoek met 1/4 of 1/2 van de golflengte. Dit verklaart waarom we soms een variatie in kleur zien als we van kijkhoek veranderen. (Voor een gegeven filmbreedte verschuift de kleur van het licht van kortere naar langere golflengten wanneer we de invalshoek kantelen van de normale positie naar schuin.)
Kleur van licht gegenereerd door dunnefilminterferentie:
Na het passeren van de dunne film treedt constructieve of destructieve interferentie op en dat genereert een smalle reflectie- of transmissiebandbreedte. Door de vorming van deze smalle bandbreedtes kunnen we geen onderscheid maken tussen golflengten op basis van kleur. Het gereflecteerde of doorgelaten licht bestaat uit een mengsel van verschillende golflengten die afwezig zijn in het resterende deel van het spectrum.
Een dergelijke waarneming wordt ook gegenereerd door prisma's of diffractieroosters. De kleuren die in dit geval worden waargenomen, behoren zelden tot het VIBGYOR-spectrum (Violet, Indigo, Blauw, Groen, Geel, Oranje, Rood) en zijn meestal tinten bruin, groenblauw, goud, lavendel, turkoois, helderblauw en magenta.
We kunnen de gereflecteerde of doorgelaten lichtgolf door een dunne film onderzoeken en analyseren om informatie te verzamelen over de breedte van de dunne film of de operationele brekingsindex van het dunnefilmmedium. Dunne films worden commercieel gebruikt voor een aantal doeleinden, zoals antireflectiecoatings, antireflectiecameralenzen, spiegels en optische filters.
Wat is dunnefilminterferentie Wat geeft de kleur aan zeepbellen en olievlekken?
Dunne filminterferentie in zeepbel:
Het fenomeen dunne film interferentie geeft ons een verklaring over het optreden van meerdere kleuren licht van zeepbellen en oliefilms na reflectie. Na het passeren van de dunne film treedt constructieve of destructieve interferentie op en dat genereert een smalle reflectie- of transmissiebandbreedte. Daarom werkt het zeepbeloppervlak als een dunne film en produceert het een kleurenspectrum dat lijkt op dat van een regenboog.
Hoe weet u of dunnefilminterferentie constructief of destructief is?
Dunne film interferentie afleiding | Dunne film interferentie vergelijking:
Laten we eens kijken naar een scenario waarin lichtgolven invallen op dunnefilmmateriaal. Deze lichtstralen worden gereflecteerd door zowel de boven- als ondergrenzen van de dunne film. De optische dikte of het optische padverschil (OPD) van het licht dat wordt gereflecteerd, moet worden gemeten om de voorwaarden voor interferentie te verkrijgen.
Dunne film interferentie diagram
Gezien het onderstaande straaldiagram, wordt het optische padverschil tussen de twee lichtgolven gegeven door:
Hier
Door de wet van Snell te gebruiken, kunnen we zeggen dat:
daarom
Constructieve interferentie formule dunne film | Destructieve interferentie formule dunne film
Wanneer het OPD of het optische padverschil tussen de twee golven gelijk is aan een geheel veelvoud van de gegeven golflengte van licht, dwz OPD = mλ, (waarbij m een geheel getal is), kan destructieve interferentie optreden. Voor het verkrijgen van constructieve interferentie moet het vereiste padlengteverschil (2t) moet gelijk zijn aan een geheel veelvoud van de helft van de gegeven golflengte.
Er wordt echter waargenomen dat deze toestand van constructieve of destructieve interferentie kan veranderen afhankelijk van de mogelijke faseverschuivingen. Er wordt echter opgemerkt dat
Wat zijn de toepassingen van dunnefilminterferentie?
Toepassing van dunnefilminterferentie:
Het fenomeen van dunnefilminterferentie wordt gebruikt voor de volgende toepassingen:
- Antireflectiecoatings: Antireflectiecoatings worden gebruikt om het door een optisch systeem (spiegels, lenzen, enz.) gereflecteerde licht te elimineren of te beperken en het door een dergelijk systeem doorgelaten licht te maximaliseren of te versterken. Een antireflectiecoating is zo ontworpen of vervaardigd dat het door het optische systeem gereflecteerde licht destructieve interferentie genereert en het door het optische systeem doorgelaten licht constructieve interferentie voor een bepaalde kleur of golflengte van invallend licht.
Typisch is een antireflectiecoating zo ontworpen dat de optische breedte of dikte gelijk is aan een kwart golflengte van de invallende lichtgolf en dat de brekingsindex van het medium tussen de brekingsindex van lucht en de brekingsindex van glas ligt. Wiskundig kan dit worden aangetoond door de vergelijkingen:
nlucht <ncoatings <nglas
d=λ/(4ncoatings)
- Optische instrumenten vervaardigen: Het fenomeen van dunnefilminterferentie wordt veel gebruikt voor het vervaardigen van optische instrumenten. Optische componenten zoals een lens of een spiegel worden getest op hun nauwkeurigheid door ze te vergelijken met een master tijdens het ontwerpen en vervaardigen ervan. Deze optische componenten zijn zo gevormd dat ze over het gehele oppervlak van het systeem een nauwkeurigheid hebben van minder dan een golflengte.
- Onderzoeksdoeleinden: Dunnefilminterferentie kan informatie verschaffen over de brekingsindex van een materiaal, de optische dikte, interactie met verschillende golflengten van licht, enz. Om deze reden wordt dunnefilminterferentie gebruikt voor het analyseren en vergelijken van verschillende optische media.
Vragen over interferentie met dunne film | Voorbeeldproblemen met dunne filminterferentie | Numeriek gerelateerd aan dunnefilminterferentie:
Complexe camera's worden ontworpen door een combinatie van series van verschillende lenzen en spiegels te gebruiken. Soms worden lichtstralen weerkaatst door deze lensoppervlakken en verminderen ze de helderheid en resolutie van het beeld. Deze interne verdwaalde reflecties van lenzen worden beperkt door de lenzen te coaten met een dunne laag magnesiumfluoride. De antireflectiecoating veroorzaakt destructieve dunnefilminterferentie en elimineert het strooilicht.
Praktijkproblemen met dunne filminterferentie
Wat volgens u de dunst mogelijke filmbreedte kan zijn, als de brekingsindex van de coating gelijk is aan 1.38 en de golflengte waarop deze is ontworpen om optimaal te werken 550 nm is, wat typisch de meest intense golflengte is die tot het zichtbare spectrum behoort ? De brekingsindex van glas wordt genomen als 1.52.
Oplossing:
Voor het verkrijgen van destructieve interferentie hier,
2t=n2/2
Laat de golflengte in de film λ . zijnn2 en wordt gegeven door
λn2= λ/n2
Daarom is de dikte t kan worden gegeven door
t = (λ/n2)/4 = (550 nm/1.38) /4 =99.6 nm
Opmerking: De antireflecterende coatingfilms zoals die in deze vraag worden genoemd, worden beschouwd als een van de meest efficiënte manieren om destructieve interferentie te genereren met het gebruik van de dunst mogelijke laag. Dit zorgt ook voor een verminderde strooiintensiteit van licht dat behoort tot een breder spectrum en over een breder bereik van invalshoeken.
Antireflecterende coating is genoemd naar zijn functie om de reflectie van een bepaalde golflengte te verminderen. Andere golflengten dan de genoemde kunnen echter gedeeltelijk door het filter gaan, dwz ze worden niet volledig opgeheven. Deze antireflectiecoatings worden ook gebruikt voor het maken van autoruiten en zonnebrillen.
Vind de drie kleinst mogelijke optische breedte van een zeepbel die constructieve interferentie kan genereren voor licht dat behoort tot het rode spectrum met een golflengte van 650 nm? De brekingsindex van de zeepbel wordt in dit geval gelijk geacht aan de brekingsindex van water.
Oplossing: Hier n1 = n3 = 1.00 voor lucht
& n2 = 1.333 voor zeep (gelijk aan water).
Er treedt een verschuiving van occurs/2 op voor de straal die wordt gereflecteerd door het bovenoppervlak van de zeepbel. De straal die last heeft van reflectie van het bodemoppervlak ervaart geen verschuiving.
Voor het verkrijgen van constructieve interferentie moet het vereiste padlengteverschil (2t) moet gelijk zijn aan een geheel veelvoud van de helft van de gegeven golflengte.
Daarom zijn de eerste drie mogelijke lengteverschilwaarden λn/2, 3λn/2 en 5λn/2.
Voor het verkrijgen van destructieve interferentie moet het vereiste padlengteverschil gelijk zijn aan het integrale veelvoud van de gegeven golflengte.
Daarom zijn de eerste drie mogelijke lengteverschilwaarden 0, λn, en 2λn.
Dus,
Constructieve interferentie kan plaatsvinden wanneer
2tc= λn/2, 3λn/2 en 5λn/2, enzovoort and
Daarom de kleinst mogelijke constructieve breedte of dikte tc is gelijk aan:
tc= λn/4 = (λ/n)/4 = (650 nm/1.333)/4 =122 nm
De tweede mogelijke diktewaarde die voor constructieve interferentie kan zorgen, is: t'c = 3λn/4, daarom t'c = 366nm.
Evenzo is de derde mogelijke diktewaarde die constructieve interferentie kan bieden: t′ ′c = 5λn/4 dus t′ ′c = 610nm.
Opmerking: Uit de bovenstaande vraag kunnen we opmaken dat als het invallende licht puur rood was, we heldere en donkere banden zouden kunnen waarnemen die uniform toenemen in termen van dikte.
De positie van de eerste mogelijke donkere band zou een dikte van 0 hebben, dan zou de eerste mogelijke heldere band kunnen worden gepositioneerd op een dikte van 122 nm, dan zou de tweede donkere band op 244 nm, een heldere band op 366 nm, een donkere band op 488 nm en helder kunnen zijn. band bij 610 nm. Als de zeepbel overal een uniforme diktevariatie had, zoals een gladde wig, dan zou het verkregen bandpatroon gelijkmatig in de ruimte worden verdeeld.
Waarom zien we geen interferentie in dikke films?
Lichtbronnen blijken in de praktijk over het algemeen niet oneindig klein te zijn. Lichtgolven reizen als een bundel met een bepaalde breedte. Dit betekent dat lichtgolven onder verschillende hoeken op het oppervlak van een materiaal invallen. Voor dunne films dekken de hoeken ongeveer dezelfde hoeveelheid optisch padverschil en genereren ze een interferentiepatroon.
Voor dik gelaagde materialen is het verschil in optische weg onder verschillende hoeken echter niet hetzelfde. Onder bepaalde hoeken vertonen de lichtgolven constructieve interferentie, terwijl sommige hoeken laten zien destructieve interferentie. Het resulterende patroon wordt daarom geannuleerd en we kunnen geen interferentie zien.
Waarom is een brede lichtbron nodig om het interferentiepatroon door een dunne film waar te nemen?
Als we een smalle lichtbron of een puntlichtbron beschouwen voor het waarnemen van interferentie, dan zal deze slechts een klein selectief deel van de dunne film kunnen verlichten. Met andere woorden, het menselijk oog zal slechts een bepaald deel van de dunne film kunnen zien. Hierdoor zal het vrijwel onmogelijk zijn om het gehele interferentiepatroon waar te nemen.
Wanneer we daarentegen een bredere lichtbron gebruiken, verlichten de lichtgolven het hele oppervlak onder aanzienlijk verschillende invalshoeken en reflecteren ze een parallelle straal naar het menselijk oog. Dit helpt bij het bekijken van het volledige interferentiepatroon dat door de dunne film wordt gevormd.
Hoe vind je de minimale dikte van een dunne film?
De minimaal vereiste dikte t van de dunne film wordt gegeven door de vergelijking t = (λ/n2)/4. Waarbij n2 de brekingsindex van de dunne film is.
Conclusie: in deze tutorial over interferentie met dunne film zijn we klaar met de discussie over interferentie met dunne film, vergelijking, werken, afhankelijkheid, toepassingen, problemen en enkele veelgestelde vragen. Meer weten over lichtenergie klik hier.
Lees ook:
Hallo, ik ben Sanchari Chakraborty. Ik heb de master Elektronica gedaan.
Ik vind het altijd leuk om nieuwe uitvindingen op het gebied van elektronica te ontdekken.
Ik ben een leergierige leerling en investeer momenteel in het vakgebied Toegepaste Optica en Fotonica. Ik ben ook een actief lid van SPIE (International society for optics and photonics) en OSI (Optical Society of India). Mijn artikelen zijn bedoeld om kwalitatief hoogstaand wetenschappelijk onderzoek op een eenvoudige maar informatieve manier aan het licht te brengen. Wetenschap evolueert sinds mensenheugenis. Dus ik probeer mijn steentje bij te dragen aan de evolutie en deze aan de lezers te presenteren.
Laten we doorverbinden