Che cos'è l'interferenza del film sottile?
Definizione di interferenza del film sottile :
L'interferenza del film sottile si riferisce al fenomeno in cui si verifica l'interferenza delle onde luminose che vengono riflesse dai lati superiore e inferiore di un film sottile. Questa interferenza è in grado di aumentare o ridurre la luce riflessa dalla pellicola.
Come si verifica l'interferenza del film sottile?
Funzionamento con interferenza a film sottile | Spiegazione dell'interferenza del film sottile
Secondo l'ottica, una pellicola sottile si riferisce a uno strato sottile di un materiale avente uno spessore compreso trananometro a micronS. Quando le onde luminose cadono sulla superficie del film sottile, le onde vengono riflesse dalla superficie superiore del materiale o trasmesse attraverso di essa. Le onde luminose che riescono a trasmettersi attraverso la superficie superiore possono subire riflessioni o ritrasmettersi dalla superficie inferiore del film sottile. La quantità di luce (descrizione quantitativa) che può essere riflessa o trasmessa dalle superfici del materiale è governata dalle equazioni di Fresnel.
A volte, le onde luminose che vengono riflesse dalla superficie superiore interagiscono o interferiscono con le onde luminose che vengono riflesse dalla superficie inferiore e formano uno schema di interferenza. Il livello di interferenza che può essere costruttivo o distruttivo tra le due onde luminose riflesse dipende dalla differenza di fase delle due onde luminose.
La differenza di fase tra le due onde dipende ancora dalla larghezza o dallo spessore dello strato di pellicola sottile, dall'indice di rifrazione della pellicola sottile e dall'angolo con cui l'onda di luce iniziale è incidente sul dato strato di pellicola. Inoltre, anche l'indice di rifrazione del mezzo sull'altro lato del confine del film gioca un ruolo nello spostamento della fase di 180° o radianti.
Un'onda luminosa può subire uno sfasamento di 180° dopo la riflessione dal limite inferiore se l'indice di rifrazione del mezzo che la luce colpisce è maggiore dell'indice di rifrazione del mezzo in cui la luce inizialmente viaggiava. In altre parole, possiamo dire che se n1 è l'indice di rifrazione del primo mezzo e n2 è l'indice di rifrazione del materiale filmo ed è dato che n1 < n2, allora l'onda luminosa che viaggia dal mezzo 1 al mezzo 2, può subiscono uno sfasamento di π radianti dopo la riflessione.
Dopo l'interferenza di tale mezzo, si osserva che la figura di interferenza della luce forma bande chiare e scure alternate o bande di colori diversi in base al tipo di luce incidente (cromatica o monocromatica o bianca).
Dipendenza dell'interferenza del film sottile sulla lunghezza d'onda
Condizione di interferenza costruttiva e distruttiva nel film sottile
Condizione per interferenza distruttiva nel film sottile
La condizione perché si verifichi un'interferenza distruttiva, ovvero la condizione necessaria affinché i raggi luminosi riflessi interferiscano e si annullino a vicenda, è che lo spessore del film deve essere un multiplo dispari di 1/4 della lunghezza d'onda della luce incidente su di esso. L'onda luminosa appartenente a tale intervallo di lunghezze d'onda non può essere riflessa ed è quindi completamente trasmessa.
Condizione per interferenza costruttiva nei film sottili
La condizione per interferenza costruttiva verificarsi cioè la condizione necessaria affinché i raggi luminosi riflessi interferiscano e si rinforzino tra loro è che lo spessore del film sia un multiplo dispari di 1/2 della lunghezza d'onda della luce incidente su di esso. In questi casi aumenta la riflessione delle onde luminose da parte del confine del film sottile e diminuisce la trasmissione delle onde.
Qual è la causa per cui una pellicola sottile viene vista colorata sotto una luce bianca?
Dipendenza dell'interferenza del film sottile dal colore della luce.
A causa della dipendenza del livello di interferenza dalla lunghezza d'onda nei film sottili, si vede che la luce bianca che comprende un numero di lunghezze d'onda viene riflessa e trasmessa in modo non uniforme. Alcune lunghezze d'onda o colori della luce bianca si intensificano dopo un'interferenza costruttiva e determinate lunghezze d'onda o colori soffrono di interferenze distruttive e vengono attenuate. Il fenomeno dell'interferenza del film sottile ci fornisce una spiegazione sul verificarsi di più colori di luce da bolle di sapone e film d'olio dopo la riflessione.
Rivestimenti antiriflesso in termini di interferenza del film sottile
I rivestimenti antiriflesso incorporati negli obiettivi e negli occhiali delle fotocamere agiscono anche sul fenomeno dell'interferenza della pellicola sottile. Questi sono progettati in modo tale che lo sfasamento relativo tra il raggio riflesso sui confini superiore e inferiore di una pellicola sottile sia di 180°.
Fattori da cui dipende lo spessore dei film sottili:
Il vero spessore o larghezza del film coperto dalle onde luminose mentre lo attraversano dipende da due fattori principali: il suo indice di rifrazione e l'angolo di incidenza dell'onda luminosa in arrivo. Quando l'indice di rifrazione del mezzo aumenta rispetto all'indice di rifrazione dell'aria, la velocità della luce diminuisce. In altre parole, possiamo dire che la velocità della luce in un mezzo è inversamente proporzionale all'indice di rifrazione del mezzo.
Sappiamo che la frequenza della luce rimane la stessa per ogni mezzo, quindi la variazione di velocità avviene a causa del cambiamento della lunghezza d'onda della luce. Per questo motivo, le pellicole vengono prodotte tenendo presente la lunghezza d'onda della luce che viaggia attraverso la pellicola sottile.
Quando l'angolo di incidenza è pari a zero gradi o le onde luminose cadono normalmente, lo spessore della pellicola è generalmente 1/4 o 1/2 della lunghezza d'onda centrale della luce incidente. Quando l'angolo di incidenza è obliquo, lo spessore della pellicola è dato dal prodotto del coseno dell'angolo di incidenza per 1/4 o 1/2 della lunghezza d'onda. Questo spiega perché a volte vediamo una variazione di colore quando cambiamo l'angolo di visione. (Per una data larghezza della pellicola, si vede il colore della luce spostarsi da lunghezze d'onda più corte a quelle più lunghe quando incliniamo l'angolo di incidenza dalla posizione normale a obliqua.)
Colore della luce generata dall'interferenza del film sottile:
Dopo aver attraversato il film sottile, si verifica un'interferenza costruttiva o distruttiva che genera una riflessione stretta o larghezze di banda di trasmissione. A causa della formazione di queste larghezze di banda strette, non possiamo distinguere tra lunghezze d'onda basate sul colore. La luce riflessa o trasmessa comprende una miscela di diverse lunghezze d'onda che sono assenti dalla restante parte dello spettro.
Tale avvistamento è generato anche da prismi o reticoli di diffrazione. I colori osservati in questo caso raramente appartengono allo spettro VIBGYOR (Viola, Indaco, Blu, Verde, Giallo, Arancione, Rosso) e sono solitamente sfumature di marrone, verde acqua, oro, lavanda, turchese, blu brillante e magenta.
Possiamo esaminare e analizzare l'onda luminosa riflessa o trasmessa da un film sottile per raccogliere informazioni sulla larghezza del film sottile o sull'indice operativo di rifrazione del mezzo a film sottile. Le pellicole sottili vengono utilizzate commercialmente per numerosi scopi come rivestimenti antiriflesso, lenti antiriflesso per fotocamere, specchi e filtri ottici.
Cos'è l'interferenza del film sottile? Cosa dà il colore alle bolle di sapone e alle fuoriuscite di petrolio?
Interferenza del film sottile nella bolla di sapone:
Il fenomeno dell'interferenza del film sottile ci fornisce una spiegazione sul verificarsi di più colori di luce da bolle di sapone e film d'olio dopo la riflessione. Dopo aver attraversato il film sottile, si verifica un'interferenza costruttiva o distruttiva che genera una riflessione stretta o larghezze di banda di trasmissione. Pertanto, la superficie della bolla di sapone agisce come un film sottile e produce uno spettro di colori simile a quello di un arcobaleno.
Come si fa a sapere se l'interferenza del film sottile è costruttiva o distruttiva?
Derivazione dell'interferenza del film sottile | Equazione dell'interferenza del film sottile:
Consideriamo uno scenario in cui le onde luminose incidono su un materiale a film sottile. Questi raggi luminosi vengono riflessi sia dal limite superiore che da quello inferiore del film sottile. Lo spessore ottico o la differenza del percorso ottico (OPD) della luce che viene riflessa deve essere misurato per ottenere le condizioni di interferenza.
Diagramma di interferenza del film sottile
Considerando il diagramma di raggi riportato sotto, la differenza del percorso ottico tra le due onde luminose è data da:
Qui,
Usando la legge di Snell, possiamo dirlo
Perciò,
Formula di interferenza costruttiva film sottile | Film sottile con formula di interferenza distruttiva
Quando l'OPD o la differenza del percorso ottico tra le due onde è uguale a un multiplo integrale della data lunghezza d'onda della luce, ovvero OPD = mλ, (dove m è un numero intero), può verificarsi un'interferenza distruttiva. Per ottenere un'interferenza costruttiva, la differenza di lunghezza del percorso richiesta (2t) dovrebbe essere uguale a un multiplo intero della metà della lunghezza d'onda data.
Si osserva però che questa condizione di interferenza costruttiva o distruttiva può cambiare a seconda dei possibili sfasamenti. Si osserva tuttavia che
Quali sono le applicazioni dell'interferenza del film sottile?
Applicazione dell'interferenza del film sottile:
Il fenomeno dell'interferenza del film sottile viene utilizzato per le seguenti applicazioni:
- Rivestimenti antiriflesso: I rivestimenti antiriflesso vengono utilizzati per eliminare o limitare la luce riflessa da un sistema ottico (specchi, lenti, ecc.) e massimizzare o migliorare la luce trasmessa da tale sistema. Un rivestimento antiriflesso è progettato o realizzato in modo tale che la luce riflessa dal sistema ottico generi un'interferenza distruttiva e la luce trasmessa dal sistema ottico generi un'interferenza costruttiva per un determinato colore o lunghezza d'onda della luce incidente.
Tipicamente, un rivestimento antiriflesso è progettato in modo tale che la sua larghezza o spessore ottico sia pari a un quarto di lunghezza d'onda dell'onda luminosa incidente e l'indice di rifrazione del mezzo si trovi tra l'indice di rifrazione dell'aria e l'indice di rifrazione del vetro. Matematicamente, ciò può essere dimostrato dalle equazioni:
naria <nrivestimenti <nvetro.
d= /(4nrivestimenti)
- Fabbricazione di strumenti ottici: Il fenomeno dell'interferenza del film sottile è ampiamente utilizzato per la produzione di strumenti ottici. I componenti ottici come una lente o uno specchio vengono testati per la loro precisione confrontandoli con un master durante la progettazione e la produzione. Questi componenti ottici sono sagomati in modo tale da avere una precisione inferiore a una lunghezza d'onda su tutta la superficie del sistema.
- Scopi di ricerca: L'interferenza del film sottile può fornire informazioni sull'indice di rifrazione di un materiale, il suo spessore ottico, l'interazione con diverse lunghezze d'onda della luce, ecc. Per questo motivo, l'interferenza del film sottile viene utilizzata per analizzare e confrontare diversi mezzi ottici.
Domande sull'interferenza del film sottile | Problemi di esempio di interferenza del film sottile | Numerici relativi all'interferenza del film sottile:
Le fotocamere complesse sono progettate utilizzando una combinazione di serie di diversi obiettivi e specchi. A volte, i raggi di luce vengono riflessi da queste superfici dell'obiettivo e riducono la chiarezza e la risoluzione dell'immagine. Questi riflessi interni delle lenti sono limitati rivestendo le lenti con un sottile strato di fluoruro di magnesio. Il rivestimento antiriflesso provoca un'interferenza distruttiva del film sottile ed elimina la luce parassita.
Problemi pratici sull'interferenza dei film sottili
Quella che secondo te può essere la larghezza del film più sottile possibile, se l'indice di rifrazione del rivestimento è pari a 1.38 e la lunghezza d'onda su cui è progettato per operare in modo ottimale è 550 nm che in genere è la lunghezza d'onda più intensa appartenente allo spettro visibile ? L'indice di rifrazione del vetro è considerato pari a 1.52.
Soluzione:
Per ottenere un'interferenza distruttiva qui,
2t=λn2/2
Sia λ la lunghezza d'onda del filmn2 ed è dato da
λn2= λ/n2
Pertanto, lo spessore t può essere dato da
t = (λ/n2)/4 = (550 nm/1.38) /4 =99.6 nm
Nota: Le pellicole di rivestimento antiriflesso come quella menzionata in questa domanda sono considerate uno dei modi più efficienti per generare interferenze distruttive con l'uso dello strato più sottile possibile. Ciò fornisce anche una ridotta intensità di luce diffusa appartenente ad uno spettro più ampio e su una gamma più ampia di angoli di incidenza.
Il rivestimento antiriflesso prende il nome dalla sua funzione di ridurre la riflessione di una particolare lunghezza d'onda. Tuttavia, lunghezze d'onda diverse da quella menzionata possono passare parzialmente attraverso il filtro, ovvero non vengono cancellate completamente. Questi rivestimenti antiriflesso vengono utilizzati anche per realizzare finestrini e occhiali da sole per automobili.
Trovare le tre larghezze ottiche più piccole possibili di una bolla di sapone che possono generare interferenza costruttiva per la luce appartenente allo spettro rosso avente una lunghezza d'onda di 650 nm? In questo caso l'indice di rifrazione della bolla di sapone è considerato uguale a quello dell'acqua.
Soluzione: Qui, n1 = n3 = 1.00 per l'aria
& n2 = 1.333 per il sapone (equivalente all'acqua).
Uno spostamento di λ/2 si verifica per il raggio riflesso dalla superficie superiore della bolla di sapone. Il raggio che subisce la riflessione dalla superficie inferiore non subisce alcuno spostamento.
Per ottenere un'interferenza costruttiva, la differenza di lunghezza del percorso richiesta (2t) dovrebbe essere uguale a un multiplo intero della metà della lunghezza d'onda data.
Pertanto, i primi tre possibili valori di differenza di lunghezza sono λn/2, 3λn/2 e 5λn/2.
Per ottenere un'interferenza distruttiva, la differenza di lunghezza del percorso richiesta dovrebbe essere uguale al multiplo integrale della lunghezza d'onda data.
Pertanto, i primi tre possibili valori di differenza di lunghezza sono 0, λne 2λn.
Così,
Interferenza costruttiva può avvenire quando
2tc= λn/2, 3λn/2 e 5λn/2 e così via
Pertanto, la larghezza o lo spessore costruttivo più piccolo possibile tc è uguale a:
tc= λn/4 = (λ/n)/4 = (650 nm/1.333)/4 =122 nm
Il secondo possibile valore di spessore che può fornire interferenza costruttiva è t'c = 3λn/4, pertanto, t'c = 366nm.
Allo stesso modo, il terzo possibile valore di spessore che può fornire un'interferenza costruttiva è t′ ′c = 5λn/4, quindi, t′ ′c = 610nm.
Nota: Dalla domanda precedente possiamo osservare che se la luce incidente fosse puramente rossa, allora potremmo osservare bande chiare e scure che aumentano uniformemente in termini di spessore.
La posizione della prima possibile banda scura sarebbe a 0 spessore, quindi la prima possibile banda chiara potrebbe essere posizionata a 122 nm, quindi la seconda banda scura a 244 nm, banda chiara a 366 nm, banda scura a 488 nm e brillante banda a 610 nm. Se la bolla di sapone avesse una variazione uniforme di spessore, come un cuneo liscio, il motivo a banda ottenuto sarebbe distribuito uniformemente nello spazio.
Perché non vediamo interferenze nei film spessi?
Le sorgenti luminose generalmente non sono infinitamente piccole nel mondo pratico. Le onde luminose viaggiano come un raggio di una certa larghezza. Ciò significa che le onde luminose incidono sulla superficie di un materiale su una gamma di angoli. Per i film sottili, gli angoli coprono approssimativamente la stessa quantità di differenza del percorso ottico e generano un modello di interferenza.
Tuttavia, per i materiali a strati spessi, la differenza del percorso ottico a diversi angoli non è la stessa. Ad alcuni angoli, le onde luminose mostrano un'interferenza costruttiva, mentre ad altri angoli lo mostrano interferenza distruttiva. Lo schema risultante, quindi, viene cancellato e non siamo in grado di vedere alcuna interferenza.
Perché è necessaria un'ampia fonte di luce per osservare la figura di interferenza di una pellicola sottile?
Se consideriamo una sorgente stretta o una sorgente puntiforme di luce per osservare l'interferenza, allora sarà in grado di illuminare solo una piccola porzione selettiva del film sottile. In altre parole, l'occhio umano sarà in grado di vedere solo una determinata sezione della pellicola sottile. Per questo motivo sarà praticamente impossibile osservare l'intera figura di interferenza.
Al contrario, quando utilizziamo una sorgente luminosa più ampia, le onde luminose illuminano l’intera superficie con angoli di incidenza notevolmente diversi e riflettono un raggio parallelo verso l’occhio umano. Ciò aiuta a visualizzare l'intero schema di interferenza formato dalla pellicola sottile.
Come si trova lo spessore minimo di un film sottile?
Lo spessore minimo richiesto t del film sottile è data dall'equazione t = (λ/n2)/4. Dove n2 è l'indice di rifrazione del film sottile.
Conclusione: in questo tutorial sulle note sull'interferenza del film sottile abbiamo terminato la discussione sull'interferenza del film sottile, sull'equazione, sul funzionamento, sulla dipendenza, sulle applicazioni, sui problemi e su alcune domande frequenti. Per saperne di più sull'energia luminosa clicca qui.
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Ciao, sono Sanchari Chakraborty. Ho fatto il Master in Elettronica.
Mi piace sempre esplorare nuove invenzioni nel campo dell'elettronica.
Sono uno studente desideroso, attualmente investito nel campo dell'ottica applicata e della fotonica. Sono anche membro attivo della SPIE (Società internazionale per l'ottica e la fotonica) e dell'OSI (Optical Society of India). I miei articoli hanno lo scopo di portare alla luce argomenti di ricerca scientifica di qualità in modo semplice ma informativo. La scienza si è evoluta da tempo immemorabile. Quindi, faccio del mio meglio per attingere all'evoluzione e presentarla ai lettori.
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