Was ist Dünnschichtinterferenz?
Definition von Dünnschichtinterferenzen :
Dünnfilminterferenz bezieht sich auf das Phänomen, bei dem eine Interferenz der Lichtwellen auftritt, die von der Ober- und Unterseite eines Dünnfilms reflektiert werden. Diese Interferenz kann das vom Film reflektierte Licht entweder erhöhen oder verringern.
Wie kommt es zu Dünnschichtinterferenzen?
Dünnschichtinterferenz funktioniert | Erklärung der Dünnschichtinterferenz
In der Optik bezieht sich ein dünner Film auf eine dünne Schicht eines Materials mit einer Dicke im Bereich von unter-Nanometer zu Mikrons. Wenn Lichtwellen auf die Dünnfilmoberfläche fallen, werden die Wellen entweder von der oberen Oberfläche des Materials zurückreflektiert oder durch diese hindurchgelassen. Die Lichtwellen, die es schaffen, durch die obere Oberfläche durchgelassen zu werden, können von der unteren Oberfläche des Dünnfilms erneut unter Reflexion oder Transmission leiden. Die Lichtmenge (quantitative Beschreibung), die von den Oberflächen des Materials reflektiert oder durchgelassen werden kann, wird durch die Fresnel-Gleichungen bestimmt.
Manchmal interagieren oder interferieren die Lichtwellen, die von der oberen Oberfläche reflektiert werden, mit den Lichtwellen, die von der unteren Oberfläche reflektiert werden und bilden ein Interferenzmuster. Der Grad der Interferenz, die zwischen den beiden reflektierten Lichtwellen entweder konstruktiv oder destruktiv sein kann, hängt von der Phasendifferenz der beiden Lichtwellen ab.
Die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen hängt wiederum von der Breite oder Dicke der Dünnfilmschicht, dem Brechungsindex des Dünnfilms und dem Winkel ab, unter dem die anfängliche Lichtwelle auf die gegebene Filmschicht einfällt. Darüber hinaus spielt auch der Brechungsindex des Mediums auf der anderen Seite der Filmgrenze eine Rolle bei der Verschiebung der Phase um 180° oder Radiant.
Eine Lichtwelle kann nach Reflexion an der unteren Grenze eine Phasenverschiebung von 180° erleiden, wenn der Brechungsindex des Mediums, auf das das Licht auftrifft, größer ist als der Brechungsindex des Mediums, in dem sich das Licht ursprünglich bewegte. Mit anderen Worten, wenn n1 der Brechungsindex des ersten Mediums und n2 der Brechungsindex des Filmmaterials ist und n1 < n2 ist, dann kann die Lichtwelle, die von Medium 1 zu Medium 2 wandert, eine Phasenverschiebung von π Radiant nach der Reflexion erleiden.
Nach der Interferenz von einem solchen Medium wird beobachtet, dass das Interferenzmuster des Lichts entweder abwechselnd helle und dunkle Bänder oder Bänder unterschiedlicher Farben basierend auf der Art des einfallenden Lichts (chromatisch oder monochromatisch oder weiß) bildet.
Abhängigkeit der Dünnschichtinterferenz von der Wellenlänge
Bedingung für konstruktive und destruktive Interferenz in Dünnschicht
Bedingung für destruktive Interferenz in Dünnschicht
Die Bedingung für das Auftreten einer destruktiven Interferenz, dh die Bedingung, die notwendig ist, damit die reflektierten Lichtstrahlen interferieren und sich gegenseitig aufheben, besteht darin, dass die Filmdicke ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Wellenlänge des darauf einfallenden Lichts sein muss. Die zu einem solchen Wellenlängenbereich gehörende Lichtwelle kann nicht reflektiert werden und wird daher vollständig transmittiert.
Bedingung für konstruktive Beeinflussung in dünnen Filmen
Die Bedingung für konstruktive Beeinflussung Die Voraussetzung dafür, dass die reflektierten Lichtstrahlen interferieren und sich gegenseitig verstärken, ist, dass die Filmdicke ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/2 der Wellenlänge des einfallenden Lichts sein muss. In solchen Fällen nimmt die Reflexion der Lichtwellen an der Dünnfilmgrenze zu und die Transmission von Wellen ab.
Was ist die Ursache dafür, dass ein dünner Film in weißem Licht gefärbt zu sehen ist?
Abhängigkeit der Dünnschichtinterferenz von der Lichtfarbe.
Aufgrund der Abhängigkeit des Interferenzpegels von der Wellenlänge in dünnen Filmen ist ersichtlich, dass weißes Licht, das mehrere Wellenlängen umfasst, ungleichmäßig reflektiert und übertragen wird. Bestimmte Wellenlängen oder Farben von weißem Licht werden nach konstruktiver Interferenz verstärkt und bestimmte Wellenlängen oder Farben leiden unter destruktiver Interferenz und werden abgeschwächt. Das Phänomen der Dünnschichtinterferenz liefert uns eine Erklärung für das Auftreten von mehrfarbigem Licht von Seifenblasen und Ölfilmen nach der Reflexion.
Antireflexbeschichtungen in Bezug auf Dünnfilminterferenzen
Die in Kameralinsen und Brillen integrierten Antireflexbeschichtungen wirken auch auf das Phänomen der Dünnfilminterferenz. Diese sind so ausgelegt, dass die relative Phasenverschiebung zwischen dem an der oberen und unteren Grenze einer Dünnschicht reflektierten Strahl 180° beträgt.
Faktoren, von denen die Dicke von dünnen Filmen abhängt:
Die wahre Filmdicke oder -breite, die von den Lichtwellen beim Durchtritt bedeckt wird, hängt von zwei Hauptfaktoren ab: seinem Brechungsindex und dem Einfallswinkel der einfallenden Lichtwelle. Wenn der Brechungsindex des Mediums im Vergleich zum Brechungsindex von Luft ansteigt, nimmt die Lichtgeschwindigkeit ab. Mit anderen Worten, wir können sagen, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium umgekehrt proportional zum Brechungsindex des Mediums ist.
Wir wissen, dass Frequenz des Lichts bleibt für jedes Medium gleich, daher tritt die Geschwindigkeitsänderung aufgrund der Änderung der Lichtwellenlänge auf. Aus diesem Grund werden Filme unter Berücksichtigung der Wellenlänge hergestellt, wenn Licht durch den dünnen Film wandert.
Wenn der Einfallswinkel null Grad beträgt oder die Lichtwellen normal fallen, beträgt die Dicke des Films im Allgemeinen 1/4 oder 1/2 der zentralen Wellenlänge des einfallenden Lichts. Bei schrägem Einfallswinkel ergibt sich die Dicke des Films aus dem Produkt des Kosinus des Einfallswinkels mit 1/4 oder 1/2 der Wellenlänge. Dies erklärt, warum wir manchmal eine Farbabweichung sehen, wenn wir den Betrachtungswinkel ändern. (Bei einer gegebenen Filmbreite verschiebt sich die Farbe des Lichts von kürzeren zu längeren Wellenlängen, wenn wir den Einfallswinkel von der Normalen in die Schräglage neigen.)
Farbe des durch Dünnschichtinterferenz erzeugten Lichts:
Nach dem Durchlaufen des Dünnfilms tritt konstruktive oder destruktive Interferenz auf, die eine schmale Reflexions- oder Transmissionsbandbreite erzeugt. Aufgrund der Bildung dieser schmalen Bandbreiten können wir nicht zwischen Wellenlängen anhand der Farbe unterscheiden. Das reflektierte oder transmittierte Licht umfasst eine Mischung aus mehreren Wellenlängen, die im restlichen Teil des Spektrums fehlen.
Eine solche Visierung wird auch durch Prismen oder Beugungsgitter erzeugt. Die in diesem Fall beobachteten Farben gehören selten zum VIBGYOR-Spektrum (Violett, Indigo, Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot) und sind normalerweise Braun-, Blaugrün-, Gold-, Lavendel-, Türkis-, Hellblau- und Magentatöne.
Wir können die von einem Dünnfilm reflektierte oder durchgelassene Lichtwelle untersuchen und analysieren, um Informationen über die Breite des Dünnfilms oder den operativen Brechungsindex des Dünnfilmmediums zu erhalten. Dünne Filme werden kommerziell für eine Reihe von Zwecken verwendet, wie beispielsweise Antireflexbeschichtungen, Antireflexkameralinsen, Spiegel und optische Filter.
Was ist Dünnschichtinterferenz Was gibt Seifenblasen und Ölflecken die Farbe?
Dünnfilminterferenz in Seifenblase:
Das Phänomen der Dünnschichtinterferenz liefert uns eine Erklärung für das Auftreten von mehrfarbigem Licht von Seifenblasen und Ölfilmen nach der Reflexion. Nach dem Durchlaufen des Dünnfilms tritt konstruktive oder destruktive Interferenz auf, die eine schmale Reflexions- oder Transmissionsbandbreite erzeugt. Daher wirkt die Seifenblasenoberfläche wie ein dünner Film und erzeugt ein regenbogenähnliches Farbspektrum.
Woher wissen Sie, ob Dünnschichtinterferenzen konstruktiv oder destruktiv sind?
Ableitung von Dünnschichtinterferenzen | Dünnschicht-Interferenzgleichung:
Betrachten wir ein Szenario, bei dem Lichtwellen auf Dünnschichtmaterial einfallen. Diese Lichtstrahlen werden sowohl von der oberen als auch der unteren Grenze des Dünnfilms reflektiert. Die optische Dicke oder der optische Wegunterschied (OPD) des reflektierten Lichts sollte gemessen werden, um die Interferenzbedingungen zu erhalten.
Dünnschichtinterferenzdiagramm
Betrachtet man das unten gezeigte Strahlendiagramm, ergibt sich der optische Wegunterschied zwischen den beiden Lichtwellen wie folgt:
Hier
Mit dem Gesetz von Snell können wir das sagen
Daher sind
Konstruktive Interferenzformel Dünnfilm | Zerstörende Interferenzformel Dünnfilm
Wenn die OPD oder die optische Wegdifferenz zwischen den beiden Wellen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der gegebenen Lichtwellenlänge ist, dh OPD = mλ, (wobei m eine ganze Zahl ist), dann kann destruktive Interferenz auftreten. Um konstruktive Interferenz zu erhalten, muss die erforderliche Weglängendifferenz (2t) sollte gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der gegebenen Wellenlänge sein.
Es wird jedoch beobachtet, dass sich dieser Zustand der konstruktiven oder destruktiven Interferenz in Abhängigkeit von den möglichen Phasenverschiebungen ändern kann. Es wird jedoch beobachtet, dass
Was sind die Anwendungen der Dünnschichtinterferenz?
Anwendung von Dünnschichtinterferenz:
Das Phänomen der Dünnschichtinterferenz wird für folgende Anwendungen genutzt:
- Antireflexbeschichtungen: Antireflexbeschichtungen werden verwendet, um das von einem optischen System (Spiegel, Linsen usw.) reflektierte Licht zu eliminieren oder zu begrenzen und das von einem solchen System übertragene Licht zu maximieren oder zu verstärken. Eine Antireflexbeschichtung ist so konzipiert oder hergestellt, dass das von der Optik reflektierte Licht destruktive Interferenz und das von der Optik transmittierte Licht konstruktive Interferenz für eine bestimmte Farbe oder Wellenlänge des einfallenden Lichts erzeugt.
Typischerweise ist eine Antireflexbeschichtung so ausgelegt, dass ihre optische Breite oder Dicke gleich einer Viertelwellenlänge der einfallenden Lichtwelle ist und der Brechungsindex des Mediums zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex von Glas liegt. Mathematisch kann dies durch die Gleichungen gezeigt werden:
nLuft <nSchichten <nGlas
d= /(4nSchichten)
- Herstellung optischer Instrumente: Das Phänomen der Dünnfilminterferenz wird häufig bei der Herstellung optischer Instrumente verwendet. Optische Komponenten wie eine Linse oder ein Spiegel werden auf ihre Genauigkeit geprüft, indem sie während der Konstruktion und Herstellung mit einem Master verglichen werden. Diese optischen Komponenten sind so geformt, dass sie über die gesamte Oberfläche des Systems eine Genauigkeit von weniger als einer Wellenlänge aufweisen.
- Forschungszwecke: Dünnschichtinterferenz kann Informationen über den Brechungsindex eines Materials, seine optische Dicke, Wechselwirkung mit verschiedenen Lichtwellenlängen usw. liefern. Aus diesem Grund wird die Dünnschichtinterferenz zum Analysieren und Vergleichen verschiedener optischer Medien verwendet.
Fragen zur Dünnschichtinterferenz | Beispielprobleme Dünnschichtinterferenz | Numerisch bezogen auf Dünnschichtinterferenz:
Komplexe Kameras werden durch die Kombination einer Reihe von mehreren Objektiven und Spiegeln konstruiert. Manchmal werden Lichtstrahlen von diesen Linsenoberflächen reflektiert und verringern die Klarheit und Auflösung des Bildes. Diese internen Streureflexionen von Linsen werden durch die Beschichtung der Linsen mit einer dünnen Schicht aus Magnesiumfluorid begrenzt. Die Antireflexbeschichtung verursacht destruktive Dünnfilminterferenzen und eliminiert das Streulicht.
Dünnschichtinterferenz-Praxisprobleme
Was Ihrer Meinung nach die dünnste Filmbreite sein kann, wenn der Brechungsindex der Beschichtung gleich 1.38 ist und die Wellenlänge, auf der sie optimal arbeiten soll, 550 nm beträgt, was normalerweise die intensivste Wellenlänge des sichtbaren Spektrums ist ? Der Brechungsindex von Glas wird mit 1.52 angenommen.
Lösung:
Um hier destruktive Interferenz zu erhalten,
2t=n2/2
Die Wellenlänge im Film sei λn2 und ist gegeben durch
λn2= /n2
Daher ist die Dicke t kann gegeben werden von
t = (λ/n2)/4 = (550 nm/1.38) /4 = 99.6 nm
Hinweis: Die Antireflexbeschichtungen wie die in dieser Frage erwähnte gelten als eine der effizientesten Möglichkeiten zur Erzeugung destruktiver Interferenz bei Verwendung einer möglichst dünnen Schicht. Dies liefert auch eine verringerte Streulichtintensität, die zu einem breiteren Spektrum und über einen breiteren Bereich von Einfallswinkeln gehört.
Die Antireflexbeschichtung ist nach ihrer Funktion benannt, die Reflexion einer bestimmten Wellenlänge zu reduzieren. Andere Wellenlängen als die genannten können jedoch den Filter teilweise passieren, dh sie werden nicht vollständig ausgelöscht. Diese Antireflexbeschichtungen werden auch zur Herstellung von Autoscheiben und Sonnenbrillen verwendet.
Finden Sie die drei kleinstmöglichen optischen Breiten einer Seifenblase, die konstruktive Interferenz für Licht des roten Spektrums mit einer Wellenlänge von 650 nm erzeugen kann? Der Brechungsindex der Seifenblase wird dabei gleich dem Brechungsindex von Wasser angenommen.
Lösung: Hier n1 = n3 = 1.00 für Luft
& n2 = 1.333 für Seife (entspricht Wasser).
Eine Verschiebung von λ/2 tritt für den Strahl auf, der von der oberen Oberfläche der Seifenblase reflektiert wird. Der Strahl, der von der Bodenfläche reflektiert wird, erfährt keine Verschiebung.
Um konstruktive Interferenz zu erhalten, muss die erforderliche Weglängendifferenz (2t) sollte gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der gegebenen Wellenlänge sein.
Daher sind die ersten drei möglichen Längendifferenzwerte n/2, 3λn/2 und 5λn/2.
Um destruktive Interferenz zu erhalten, sollte die erforderliche Weglängendifferenz gleich dem ganzzahligen Vielfachen der gegebenen Wellenlänge sein.
Daher sind die ersten drei möglichen Längendifferenzwerte 0, λn, und 2λn.
Damit
Konstruktive Beeinflussung kann stattfinden, wenn
2tc= λn/2, 3λn/2 und 5λn/2 usw.
Daher kleinstmögliche konstruktive Breite bzw. Dicke tc entspricht:
tc= n/4 = (λ/n)/4 = (650 nm/1.333)/4 =122 nm
Der zweite mögliche Dickenwert, der konstruktive Interferenzen liefern kann, ist t'c = 3 & lgr;n/4, Daher, t'c = 366 Nanometer.
In ähnlicher Weise ist der dritte mögliche Dickenwert, der eine konstruktive Interferenz liefern kann, t''c = 5 & lgr;n/4 also t''c = 610 Nanometer.
Hinweis: Aus der obigen Frage können wir erkennen, dass wir bei rein rotem einfallendem Licht helle und dunkle Streifen beobachten könnten, die in Bezug auf die Dicke gleichmäßig zunehmen.
Die Position des ersten möglichen dunklen Bandes wäre bei 0 Dicke, dann könnte das erste mögliche helle Band bei 122 nm Dicke positioniert werden, dann das zweite dunkle Band bei 244 nm, helles Band bei 366 nm, dunkles Band bei 488 nm und hell Band bei 610 nm. Wenn die Seifenblase durchgehend eine gleichförmige Dickenschwankung aufwies, beispielsweise einen glatten Keil, dann würde das erhaltene Bandmuster gleichmäßig im Raum verteilt sein.
Warum sehen wir in dicken Filmen keine Interferenzen?
Lichtquellen sind in der Praxis im Allgemeinen nicht unendlich klein. Lichtwellen breiten sich als Strahl mit einer bestimmten Breite aus. Das bedeutet, dass Lichtwellen unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche eines Materials einfallen. Bei dünnen Filmen decken die Winkel ungefähr den gleichen Betrag des optischen Wegunterschieds ab und erzeugen ein Interferenzmuster.
Für dickschichtige Materialien ist jedoch die optische Wegdifferenz bei unterschiedlichen Winkeln nicht gleich. Bei bestimmten Winkeln zeigen die Lichtwellen konstruktive Interferenz, während einige Winkel zeigen Destruktive Interferenz. Das resultierende Muster wird daher aufgehoben und wir können keine Interferenz sehen.
Warum wird eine breite Lichtquelle benötigt, um das Interferenzmuster eines dünnen Films zu beobachten?
Betrachtet man eine schmale Lichtquelle oder eine Punktlichtquelle zur Beobachtung von Interferenzen, dann kann sie nur einen kleinen selektiven Teil des Dünnfilms beleuchten. Mit anderen Worten, das menschliche Auge kann nur einen bestimmten Abschnitt des dünnen Films sehen. Aus diesem Grund wird es ziemlich unmöglich sein, das gesamte Interferenzmuster zu beobachten.
Im Gegensatz dazu beleuchten die Lichtwellen bei einer breiteren Lichtquelle die gesamte Oberfläche unter stark unterschiedlichen Einfallswinkeln und reflektieren einen parallelen Strahl zum menschlichen Auge zurück. Dies hilft beim Betrachten des gesamten Interferenzmusters, das durch den Dünnfilm gebildet wird.
Wie findet man die Mindestdicke eines dünnen Films?
Die erforderliche Mindestdicke t des Dünnfilms ist durch die Gleichung t = (λ/n2)/4 gegeben. Wobei n2 der Brechungsindex des Dünnfilms ist.
Fazit: In diesem Tutorial zu Dünnschichtinterferenzen sind wir mit der Diskussion über Dünnschichtinterferenzen, Gleichung, Funktion, Abhängigkeit, Anwendungen, Probleme und einige häufig gestellte Fragen fertig. Um mehr über Lichtenergie zu erfahren Klicke hier.
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