İnce film paraziti - Thin-film interference

İnce bir yağ filminin üst ve alt sınırlarından ışık yansıtıldığında renkli bir girişim deseni gözlemlenir. Filmin kalınlığı merkezi bir akış noktasından azaldıkça farklı bantlar oluşur.

Sabun köpüğünden yansıyan ışıktaki renkler

Bir lazer çıkış kuplörü , 550 nm'de %80'lik bir yansıtma elde etmek için birçok istiflenmiş filmle kaplanmıştır. Sol: Ayna sarı ve yeşile yüksek oranda yansıtıcı, ancak kırmızı ve maviye yüksek oranda geçirgen. Sağ: Ayna, 589 nm lazer ışığının %25'ini iletir.

İnce film girişimi , ince bir filmin üst ve alt sınırlarından yansıyan ışık dalgalarının , yansıyan ışığı artırarak veya azaltarak birbiriyle etkileşime girdiği doğal bir olgudur . Filmin kalınlığı, üzerindeki ışığın bir çeyrek dalga boyunun tek katı olduğunda , her iki yüzeyden yansıyan dalgalar birbirini iptal etmek için girişimde bulunur. Dalga yansıtılamadığından, bunun yerine tamamen iletilir . Kalınlık ışığın yarım dalga boyunun katı olduğunda, yansıyan iki dalga birbirini güçlendirerek yansımayı arttırır ve iletimi azaltır. Böylece, bir dizi dalga boyundan oluşan beyaz ışık film üzerine geldiğinde, bazı dalga boyları (renkler) yoğunlaşırken, diğerleri zayıflar . İnce film girişimi , su üzerindeki sabun köpüğünden ve yağ filmlerinden yansıyan ışıkta görülen çoklu renkleri açıklar . Aynı zamanda gözlük ve kamera lenslerinde kullanılan yansıma önleyici kaplamaların etkisinin arkasındaki mekanizmadır .

Filmin gerçek kalınlığı hem kırılma indisine hem de ışığın geliş açısına bağlıdır . Daha yüksek indeksli bir ortamda ışığın hızı daha yavaştır; böylece bir film, filmden geçerken dalga boyuyla orantılı olarak üretilir. Normal bir geliş açısında, kalınlık tipik olarak merkez dalga boyunun çeyrek veya yarı katı olacaktır, ancak eğik bir geliş açısında kalınlık , çeyrek veya yarım dalga boyu konumlarındaki açının kosinüsüne eşit olacaktır , bu da görüş açısı değiştikçe değişen renkleri hesaba katar. (Herhangi bir belirli kalınlık için, açı normalden eğik hale geldikçe renk daha kısa bir dalga boyundan daha uzun bir dalga boyuna kayar.) Bu yapıcı/yıkıcı girişim dar yansıma/iletim bant genişlikleri üretir, bu nedenle gözlenen renkler nadiren ayrı dalga boylarıdır, örneğin bir kırınım ızgarası veya prizma tarafından üretilir , ancak spektrumda diğerlerinde bulunmayan çeşitli dalga boylarının bir karışımı. Bu nedenle, gözlemlenen renkler nadiren gökkuşağınınkilerdir, ancak kahverengiler, altınlar, turkuazlar, deniz mavisi, parlak maviler, morlar ve macentalar. İnce bir film tarafından yansıtılan veya iletilen ışığın incelenmesi, filmin kalınlığı veya film ortamının etkin kırılma indisi hakkında bilgi verebilir . İnce filmler, yansıma önleyici kaplamalar , aynalar ve optik filtreler dahil olmak üzere birçok ticari uygulamaya sahiptir .

teori

İnce bir filmin üst ve alt sınırlarından yansıyan ışık için optik yol uzunluğu farkının gösterilmesi.

Bir Airbus kokpit penceresindeki ITO buz çözme kaplamasının neden olduğu ince film paraziti .

Optikte, ince bir film , nanometre altı ila mikron aralığında kalınlığa sahip bir malzeme tabakasıdır . Işık bir filmin yüzeyine çarptığında, ya iletilir ya da üst yüzeyden yansıtılır. İletilen ışık alt yüzeye ulaşır ve bir kez daha iletilebilir veya yansıtılabilir. Fresnel denklemleri bir arayüzde aktarılan ya da yansıtılan nasıl ışığın çoğunu nicel bir tanımını sağlar. Üst ve alt yüzeylerden yansıyan ışık girişim yapacaktır. İki ışık dalgası arasındaki yapıcı veya yıkıcı girişimin derecesi, fazlarındaki farka bağlıdır. Bu fark, film tabakasının kalınlığına, filmin kırılma indisine ve orijinal dalganın film üzerindeki geliş açısına bağlıdır. Ek olarak, sınırın her iki tarafındaki malzemelerin kırılma indislerine bağlı olarak bir sınırda yansıma üzerine 180° veya radyan faz kayması meydana gelebilir . Bu faz kayması, ışığın içinden geçtiği ortamın kırılma indisi, çarptığı malzemenin kırılma indisinden küçükse meydana gelir. Başka bir deyişle, eğer ve ışık, malzeme 1'den malzeme 2'ye gidiyorsa, yansıma üzerine bir faz kayması meydana gelir. Bu girişimden kaynaklanan ışık deseni, gelen ışığın kaynağına bağlı olarak açık ve koyu bantlar veya renkli bantlar olarak görünebilir. ${\görüntüleme stili\pi }$${\displaystyle n_{1}<n_{2}}$

İnce bir film üzerindeki ışık olayını ve hem üst hem de alt sınırlardan yansıdığını düşünün. Girişim durumunu belirlemek için yansıyan ışığın optik yol farkı (OPD) hesaplanmalıdır. Yukarıdaki ışın diyagramına bakıldığında, iki dalga arasındaki OPD aşağıdaki gibidir:

${\displaystyle OPD=n_{2}({\overline {AB}}+{\overline {BC}})-n_{1}({\overline {AD}})}$

Nereye,

${\displaystyle {\overline {AB}}={\overline {BC}}={\frac {d}{\cos(\theta _{2})}}}$

${\displaystyle {\overline {AD}}=2d\tan(\theta _{2})\sin(\theta _{1})}$

Snell yasasını kullanarak ,${\displaystyle n_{1}\sin(\theta _{1})=n_{2}\sin(\theta _{2})}$

${\displaystyle {\begin{aligned}OPD&=n_{2}\left({\frac {2d}{\cos(\theta _{2})}}\sağ)-2d\tan(\theta _{2 })n_{2}\sin(\theta _{2})\\&=2n_{2}d\left({\frac {1-\sin ^{2}(\theta _{2})}{ \cos(\theta _{2})}}\sağ)\\&=2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})\\\end{hizalı}}}$

Optik yol farkı, ışığın dalga boyunun bir tamsayı katına eşitse, girişim yapıcı olacaktır . ${\ Displaystyle \ lambda }$

${\displaystyle 2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$

Yansıma üzerine meydana gelen olası faz kaymaları dikkate alındıktan sonra bu durum değişebilir.

tek renkli kaynak

Sudaki benzin, 589nm lazer ışığıyla aydınlatıldığında parlak ve koyu saçaklardan oluşan bir desen gösterir.

Gelen ışığın doğası gereği tek renkli olduğu durumlarda , girişim desenleri açık ve koyu bantlar olarak görünür. Işık bantları, yansıyan dalgalar arasında yapıcı girişimin meydana geldiği bölgelere karşılık gelir ve karanlık bantlar, yıkıcı girişim bölgelerine karşılık gelir. Filmin kalınlığı bir konumdan diğerine değiştiğinden, girişim yapıcıdan yıkıcıya değişebilir. " Newton halkaları " olarak adlandırılan bu fenomenin güzel bir örneği, ışığın düz bir yüzeye bitişik küresel bir yüzeyden yansıdığı zaman ortaya çıkan girişim modelini gösterir. Yüzey tek renkli ışıkla aydınlatıldığında eş merkezli halkalar gözlenir. Bu fenomen, yüzeylerin şeklini ve düzlüğünü ölçmek için optik düzlüklerle birlikte kullanılır .

Geniş bant kaynağı

Gelen ışık geniş bantlıysa veya güneşten gelen ışık gibi beyazsa, girişim desenleri renkli bantlar olarak görünür. Farklı ışık dalga boyları, farklı film kalınlıkları için yapıcı girişim oluşturur. Filmin farklı bölgeleri, yerel film kalınlığına bağlı olarak farklı renklerde görünür.

Faz etkileşimi

Yapıcı faz etkileşimi

Yıkıcı faz etkileşimi

Şekiller, gelen iki ışık huzmesini (A ve B) göstermektedir. Her ışın yansıyan bir ışın (kesikli) üretir. İlgilenilen yansımalar, A ışınının alt yüzeyden yansıması ve B ışınının üst yüzeyden yansımasıdır. Bu yansıyan ışınlar birleşerek ortaya çıkan bir ışın (C) üretir. Yansıyan ışınlar aynı fazdaysa (ilk şekildeki gibi) ortaya çıkan ışın nispeten güçlüdür. Öte yandan, yansıyan ışınlar zıt faza sahipse, ortaya çıkan ışın zayıflatılır (ikinci şekildeki gibi).

Yansıtılan iki ışının faz ilişkisi, filmdeki A ışınının dalga boyu ile filmin kalınlığı arasındaki ilişkiye bağlıdır. A demetinin filmde hareket ettiği toplam mesafe, filmdeki ışının dalga boyunun tamsayı katıysa, yansıyan iki ışın aynı fazdadır ve yapıcı olarak girişimde bulunur (ilk şekilde gösterildiği gibi). A ışını tarafından kat edilen mesafe, filmdeki ışığın yarım dalga boyunun tek bir tam sayı katıysa, ışınlar yıkıcı bir şekilde müdahale eder (ikinci şekilde olduğu gibi). Böylece, bu şekillerde gösterilen film, birinci şekildeki ışık huzmesinin dalga boyunda daha güçlü bir şekilde ve ikinci şekildeki huzmenin dalga boyunda daha az kuvvetli bir şekilde yansıtır.

Örnekler

Işık ince bir filmden yansıdığında meydana gelen girişimin türü, gelen ışığın dalga boyuna ve açısına, filmin kalınlığına, filmin her iki tarafındaki malzemenin kırılma indisine ve indisine bağlıdır. film ortamı. Çeşitli olası film konfigürasyonları ve ilgili denklemler aşağıdaki örneklerde daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Sabun köpüğü

Sabun köpüğünde ince film girişimi. Renk, film kalınlığına göre değişir.

Havada sabun filmi üzerine ışık olayı

Bir sabun köpüğü durumunda , ışık havada hareket eder ve bir sabun filmine çarpar. Havanın kırılma indisi 1 ( ) ve filmin indisi 1 ( )' den büyük . Filmin üst sınırında (hava-film sınırı) meydana gelen yansıma, havanın kırılma indisi filmin ( ) indisinden daha küçük olduğu için yansıyan dalgada 180°'lik bir faz kaymasına neden olacaktır . Üst hava-film arayüzünde iletilen ışık, yansıtılabileceği veya iletilebileceği alt film-hava arayüzüne devam edecektir. Bu sınırda meydana gelen yansıma, yansıyan dalganın fazını değiştirmeyecektir çünkü . Bir sabun köpüğü için girişim koşulu aşağıdaki gibidir: ${\displaystyle n_{\rm {hava}}=1}$${\displaystyle n_{\rm {film}}>1}$${\displaystyle n_{\rm {hava}}<n_{\rm {film}}}$${\displaystyle n_{\rm {film}}>n_{\rm {hava}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {film}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\sağ)\lambda }$  yansıyan ışığın yapıcı girişimi için

${\displaystyle 2n_{\rm {film}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$  yansıyan ışığın yıkıcı girişimi için

Film kalınlığı nerede , filmin kırılma indisi , dalganın alt sınırdaki geliş açısı , bir tam sayı ve ışığın dalga boyudur. ${\görüntüleme stili d}$${\displaystyle n_{\rm {film}}}$${\ Displaystyle \ theta _{2}}$${\görüntüleme stili m}$${\ Displaystyle \ lambda }$

Yağ filmi

Su üzerindeki bir yağ filminde ışık olayı

İnce bir yağ filmi durumunda, bir su tabakasının üzerine bir yağ tabakası oturur. Yağın kırılma indisi 1.5'e yakın olabilir ve suyun indeksi 1.33'tür. Sabun köpüğü durumunda olduğu gibi, yağ filminin her iki tarafındaki (hava ve su) malzemelerin her ikisi de filmin indeksinden daha küçük olan kırılma indekslerine sahiptir. . Üst sınırdan yansıma üzerine bir faz kayması olacaktır, çünkü alt sınırdan yansıma üzerine bir kayma olmayacaktır çünkü . Girişim denklemleri aynı olacaktır. ${\displaystyle n_{\rm {hava}}<n_{\rm {su}}<n_{\rm {yağ}}}$${\displaystyle n_{\rm {hava}}<n_{\rm {yağ}}}$${\displaystyle n_{\rm {yağ}}>n_{\rm {su}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {yağ}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\sağ)\lambda }$  yansıyan ışığın yapıcı girişimi için

${\displaystyle 2n_{\rm {yağ}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$  yansıyan ışığın yıkıcı girişimi için

Yansıma önleyici kaplamalar

Cam üzerindeki yansıma önleyici kaplamaya ışık olayı

Yansıma önleyici kaplama, yansıyan ışığı ortadan kaldırır ve optik bir sistemde iletilen ışığı en üst düzeye çıkarır. Bir film, yansıyan ışığın yıkıcı girişim üreteceği ve iletilen ışığın belirli bir ışık dalga boyu için yapıcı girişim üreteceği şekilde tasarlanmıştır. Böyle bir kaplamanın en basit uygulamasında film, optik kalınlığı gelen ışığın çeyrek dalga boyunda olacak ve kırılma indisi hava indisinden daha büyük ve cam indisinden daha az olacak şekilde oluşturulur. ${\displaystyle dn_{\rm {kaplama}}}$

${\displaystyle n_{\rm {hava}}<n_{\rm {kaplama}}<n_{\rm {cam}}}$

${\displaystyle d=\lambda /(4n_{\rm {kaplama}})}$

Filmin hem üst hem de alt arayüzlerinde yansıma üzerine 180°'lik bir faz kayması indüklenecektir, çünkü ve . Yansıyan ışığın girişim denklemleri: ${\displaystyle n_{\rm {hava}}<n_{\rm {kaplama}}}$${\displaystyle n_{\rm {kaplama}}<n_{\rm {cam}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {kaplama}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$  yapıcı müdahale için

${\displaystyle 2n_{\rm {kaplama}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\sağ)\lambda }$  yıkıcı girişim için

Optik kalınlık , gelen ışığın çeyrek dalga boyuna eşitse ve ışık filme normal gelişte çarparsa , yansıyan dalgalar tamamen faz dışı olacak ve yıkıcı olarak girişim yapacaktır. Yansımada daha fazla azalma, her biri belirli bir ışık dalga boyuna uyacak şekilde tasarlanmış daha fazla katman ekleyerek mümkündür. ${\displaystyle dn_{\rm {kaplama}}}$${\displaystyle (\theta _{2}=0)}$

Bu filmler için iletilen ışığın girişimi tamamen yapıcıdır.

Doğada

İnce film tabakalarından kaynaklanan yapısal renklenme , doğal dünyada yaygındır. Birçok böceğin kanatları, minimum kalınlıkları nedeniyle ince filmler gibi davranır. Bu, birçok sineğin ve yaban arısının kanatlarında açıkça görülebilir. Kelebeklerde, Aglais io kelebeğinin mavi kanat lekelerinde olduğu gibi, kanadın kendisi pigmentli kanat pullarıyla kaplanmadığında ince film optikleri görülebilir . Düğün çiçeği çiçeklerinin parlak görünümü , cennet kuşunun parlak göğüs tüylerinin yanı sıra ince bir filmden de kaynaklanmaktadır .

• 

  Aglais io kelebeğinin mavi kanat yamaları, ince film girişiminden kaynaklanmaktadır.

• 

  Düğün çiçeği çiçeklerinin parlaklığı, ince film girişiminden kaynaklanmaktadır.

Uygulamalar

Yansıma önleyici kaplı optik pencere . 45°'lik bir açıda kaplama gelen ışığa göre biraz daha kalındır, bu da merkez dalga boyunun kırmızıya doğru kaymasına ve spektrumun mor ucunda yansımaların ortaya çıkmasına neden olur. Bu kaplamanın tasarlandığı 0°'de neredeyse hiç yansıma gözlemlenmez.

İnce filmler ticari olarak yansıma önleyici kaplamalarda, aynalarda ve optik filtrelerde kullanılır. Belirli bir dalga boyu için bir yüzeyde yansıyan veya iletilen ışığın miktarını kontrol etmek için tasarlanabilirler. Bir Fabry-Pérot etalon , cihazın içinden hangi dalga boylarının geçmesine izin verileceğini seçici olarak seçmek için ince film girişiminden yararlanır. Bu filmler, malzemenin bir alt-tabakaya kontrollü bir şekilde eklendiği biriktirme işlemleriyle oluşturulur. Yöntemler, kimyasal buhar biriktirme ve çeşitli fiziksel buhar biriktirme tekniklerini içerir.

İnce filmler de doğada bulunur. Birçok hayvan, retinanın arkasında, ışık toplamaya yardımcı olan Tapetum lucidum adlı bir doku tabakasına sahiptir . İnce film girişiminin etkileri, yağ birikintilerinde ve sabun köpüğünde de görülebilir. Yansıtma spektrumu , bir ince film ayrı salınımları özellikleri ve spektrumun ekstrema ince film kalınlığının hesaplanması için kullanılabilir.

Elipsometri , ince filmlerin özelliklerini ölçmek için sıklıkla kullanılan bir tekniktir. Tipik bir elipsometri deneyinde polarize ışık, bir film yüzeyinden yansıtılır ve bir detektör tarafından ölçülür. Sistemin karmaşık yansıtma oranı, , ölçülür. Daha sonra bu bilginin film tabakası kalınlıklarını ve kırılma indislerini belirlemek için kullanıldığı bir model analizi yapılır. ${\görüntüleme stili \rho }$

Çift polarizasyon interferometrisi , moleküler ölçekli ince filmlerin kırılma indisini ve kalınlığını ve bunların uyarıldığında nasıl değiştiğini ölçmek için ortaya çıkan bir tekniktir.

Tarih

Temperleme renkleri, çelik ısıtıldığında üretilir ve yüzeyde ince bir demir oksit filmi oluşur. Renk, çeliğin ulaştığı sıcaklığı gösterir, bu da bunu ince film girişiminin en eski pratik kullanımlarından biri haline getirir.

Bir yağ filminde yanardöner girişim renkleri

İnce film girişiminin neden olduğu yanardönerlik , çeşitli bitki ve hayvanlarda bulunan, doğada yaygın olarak gözlenen bir olgudur. Bu fenomenin bilinen ilk araştırmalarından biri , 1665'te Robert Hooke tarafından yapıldı. Micrographia'da Hooke, tavus kuşu tüylerindeki yanardönerliğin ince, değişen plaka ve hava katmanlarından kaynaklandığını öne sürdü . 1704 yılında Isaac Newton , Opticks adlı kitabında, tavus kuşu tüyündeki yanardönerliğin tüydeki şeffaf tabakaların çok ince olmasından kaynaklandığını belirtmiştir. 1801'de Thomas Young , yapıcı ve yıkıcı müdahalenin ilk açıklamasını yaptı. Young katkısı çalışmalarına kadar büyük ölçüde fark etti Augustin Fresnel Ancak, çok az açıklama 1870'lerde kadar yanardönerliğe yapılmış olabilir 1816 yılında ışığın dalga kuramını kurmaya yardımcı oldu James Maxwell ve Heinrich Hertz açıklık getirdi elektromanyetik ışığın doğası . 1899'da Fabry-Perot interferometresinin icadından sonra, ince film girişiminin mekanizmaları daha büyük ölçekte gösterilebildi.

İlk çalışmaların çoğunda, bilim adamları, tavus kuşu ve bok böceği gibi hayvanlarda yanardönerliği, farklı açılardan yansıdığında ışığı değiştirebilen bir boya veya pigment gibi bir tür yüzey rengi olarak açıklamaya çalıştılar . 1919'da Lord Rayleigh , parlak, değişen renklerin boyalardan veya pigmentlerden değil, " yapısal renkler " olarak adlandırdığı mikroskobik yapılardan kaynaklandığını öne sürdü . 1923'te CW Mason, tavus kuşu tüyündeki tüylerin çok ince tabakalardan yapıldığını kaydetti. Bu katmanların bazıları renkli, bazıları ise saydamdı. Barbule basmanın rengi maviye, kimyasalla şişirmenin ise kırmızıya kaydıracağını fark etti. Ayrıca tüylerdeki pigmentlerin ağartılmasının yanardönerliği ortadan kaldırmadığını da buldu. Bu, yüzey rengi teorisini ortadan kaldırmaya ve yapısal renk teorisini güçlendirmeye yardımcı oldu.

1925'te Ernest Merritt , Yapısal Renklerin Belirli Durumlarının Spektrofotometrik Çalışması adlı makalesinde , ilk olarak yanardönerlik için bir açıklama olarak ince film girişimi sürecini tanımladı. Bir elektron mikroskobu ile yanardöner tüylerin ilk incelemesi 1939'da gerçekleşti ve karmaşık ince film yapıları ortaya çıkardı, 1942'de morfo kelebeğinin incelenmesi nanometre ölçeğinde son derece küçük bir dizi ince film yapısını ortaya çıkardı.

İnce film kaplamaların ilk üretimi tamamen tesadüfen meydana geldi. 1817 yılında, Joseph Fraunhofer kararma göre, keşfettik cam ile nitrik asit , o yüzeye yansımaları azaltabilir. 1819'da, bir cam tabakasından bir alkol tabakasının buharlaşmasını izledikten sonra, Fraunhofer, renklerin sıvı tamamen buharlaşmadan hemen önce ortaya çıktığını ve herhangi bir ince şeffaf malzeme filminin renkleri üreteceği sonucuna vardığını kaydetti.

John Strong'un cam üzerinde yansıma önleyici kaplamalar yapmak için floriti buharlaştırmaya başladığı 1936 yılına kadar ince film kaplama teknolojisinde çok az ilerleme kaydedildi . 1930'larda, gelişmeler vakum pompaları yapılan vakumlu çökeltme gibi yöntemleri püskürtme mümkündür. 1939'da Walter H. Geffcken, dielektrik kaplamalar kullanan ilk girişim filtrelerini yarattı .

Ayrıca bakınız

• Refletometrik girişim spektroskopisi
• İnce film optiği
• Transfer matrisi yöntemi (optik)

Referanslar

daha fazla okuma

• Fowles, Grant R. (1989), "Çoklu Işın Girişimi", Modern Optiklere Giriş , Dover
• Greivenkamp, ​​John (1995), "Girişim", Optik El Kitabı , McGraw-Hill
• Hecht, Eugene (2002), "Girişim", Optik , Addison Wesley
• Knittl, Zdenek (1976), İnce Filmlerin Optiği; Bir Optik Çok Katmanlı Teori , Wiley, Bibcode : 1976otf..book.....K
• DG Stavenga, İnce film ve çok katmanlı optikler, birçok böceğin ve kuşun yapısal renklerine neden olur Malzemeler: Proceedings, 1S, 109 – 121 (2014).