Notas de interferencia de película delgada: ecuación, funcionamiento, dependencia, aplicaciones, problemas y preguntas frecuentes

INTERFERENCIA DE PELÍCULA DELGADA NOTAS

Contenido: Notas sobre interferencias de película fina con conceptos importantes

¿Qué es la interferencia de película delgada?

Definición de interferencia de película fina :

La interferencia de película delgada se refiere al fenómeno en el que se produce la interferencia de las ondas de luz que se reflejan en los lados superior e inferior de una película delgada. Esta interferencia es capaz de aumentar o reducir la luz reflejada por la película.

¿Cómo ocurre la interferencia de película delgada?

Interferencia de película delgada trabajando | Explicación de la interferencia de película delgada

Según la óptica, una película delgada se refiere a una capa delgada de un material que tiene un espesor en el rango de sub-nanómetro a micróns. Cuando las ondas de luz caen sobre la superficie de la película delgada, las ondas se reflejan desde la superficie superior del material o se transmiten a través de él. Las ondas de luz que logran transmitirse a través de la superficie superior pueden sufrir reflejo o transmisión nuevamente desde la superficie inferior de la película delgada. La cantidad de luz (descripción cuantitativa) que puede reflejarse o transmitirse desde las superficies del material se rige por las ecuaciones de Fresnel.

A veces, las ondas de luz que se reflejan en la superficie superior interactúan o interfieren con las ondas de luz que se reflejan en la superficie inferior y forman un patrón de interferencia. El nivel de interferencia que puede ser constructivo o destructivo entre las dos ondas de luz reflejadas depende de la diferencia de fase de las dos ondas de luz.

La diferencia de fase entre las dos ondas depende de nuevo del ancho o grosor de la capa de película delgada, el índice de refracción de la película delgada y el ángulo en el que la onda de luz inicial incide sobre la capa de película dada. Además, el índice de refracción del medio en el otro lado del límite de la película también juega un papel en el cambio de fase en 180 ° o π radianes.

Una onda de luz puede sufrir un cambio de fase de 180 ° después de la reflexión desde el límite inferior si el índice de refracción del medio que golpea la luz es mayor que el índice de refracción del medio en el que la luz viajaba inicialmente. En otras palabras, podemos decir que si n1 es el índice de refracción del primer medio y n2 es el índice de refracción del material de la película y se da que n1 <n2, entonces la onda de luz que viaja del medio 1 al medio 2, puede sufren un cambio de fase de π radianes después de la reflexión.

Después de la interferencia de dicho medio, se observa que el patrón de interferencia de la luz forma bandas alternas brillantes y oscuras o bandas de diferentes colores según el tipo de luz incidente (cromática, monocromática o blanca).

Dependencia de la interferencia de película delgada en la longitud de onda

Condición para la interferencia constructiva y destructiva en película delgada

Condición de interferencia destructiva en película delgada

La condición para que ocurra una interferencia destructiva, es decir, la condición necesaria para que los rayos de luz reflejados interfieran y se cancelen entre sí, es que el espesor de la película debe ser un múltiplo impar de 1/4 de la longitud de onda de la luz incidente sobre ella. La onda de luz que pertenece a tal rango de longitud de onda no puede reflejarse y, por lo tanto, se transmite por completo.

Interferencia destructiva. Fuente de imagen: JhbdelInterferencia de película fina fase 2CC BY-SA 3.0

Condición para la interferencia constructiva en películas delgadas

La condición para que se produzca la interferencia constructiva, es decir, la condición necesaria para que los rayos de luz reflejados interfieran y se refuercen entre sí, es que el espesor de la película tiene que ser un múltiplo impar de 1/2 de la longitud de onda de la luz incidente sobre ella. En tales casos, el reflejo de las ondas de luz por el límite de la película delgada aumenta y la transmisión de ondas disminuye.

Interferencia constructiva. Fuente de imagen: JhbdelInterferencia de película fina fase 1CC BY-SA 3.0

¿Cuál es la causa de que una película delgada se vea coloreada con una luz blanca?

Dependencia de la interferencia de la película delgada en el color de la luz.

Debido a la dependencia del nivel de interferencia de la longitud de onda en películas delgadas, se ve que la luz blanca que comprende varias longitudes de onda se refleja y se transmite de manera desigual. Ciertas longitudes de onda o colores de luz blanca se intensifican después de la interferencia constructiva y ciertas longitudes de onda o colores sufren interferencias destructivas y se atenúan. El fenómeno de la interferencia de película delgada nos proporciona una explicación sobre la aparición de múltiples colores de luz de burbujas de jabón y películas de aceite después de la reflexión.

Recubrimientos antirreflejos en términos de interferencia de película delgada

Los recubrimientos antirreflejos incorporados en las lentes de las cámaras y las gafas también actúan sobre el fenómeno de la interferencia de película delgada. Estos están diseñados para que el cambio de fase relativo entre el haz reflejado en los límites superior e inferior de una película delgada sea de 180 °.

Factores de los que depende el espesor de las películas delgadas:

El verdadero espesor o ancho de la película que cubren las ondas de luz al pasar a través de ella depende de dos factores principales: su índice de refracción y el ángulo de incidencia de la onda de luz entrante. Cuando el índice de refracción del medio aumenta en comparación con el índice de refracción del aire, la velocidad de la luz disminuye. En otras palabras, podemos decir que la velocidad de la luz en un medio es inversamente proporcional al índice de refracción del medio.

Sabemos que la frecuencia de la luz sigue siendo la misma para todos los medios, por lo que la variación en la velocidad ocurre debido al cambio en la longitud de onda de la luz. Por esta razón, las películas se fabrican teniendo en cuenta la longitud de onda a medida que la luz viaja a través de la película delgada.

Cuando el ángulo de incidencia es cero grados o las ondas de luz caen normalmente, el espesor de la película es generalmente 1/4 o 1/2 de la longitud de onda central de la luz incidente. Cuando el ángulo de incidencia es oblicuo, el espesor de la película viene dado por el producto del coseno del ángulo de incidencia con 1/4 o 1/2 de la longitud de onda. Esto explica por qué a veces vemos una variación en el color cuando cambiamos el ángulo de visión. (Para un ancho de película dado, se ve que el color de la luz cambia de longitudes de onda más cortas a más largas cuando inclinamos el ángulo de incidencia de la posición normal a oblicua).

Color de la luz generada por la interferencia de película delgada:

Después de atravesar la película delgada, se produce una interferencia constructiva o destructiva que genera una reflexión o anchos de banda de transmisión estrechos. Debido a la formación de estos anchos de banda estrechos, no podemos distinguir entre longitudes de onda según el color. La luz reflejada o transmitida comprende una mezcla de varias longitudes de onda que están ausentes en la parte restante del espectro.

Este avistamiento también se genera mediante prismas o rejillas de difracción. Los colores observados en este caso rara vez pertenecen al espectro VIBGYOR (violeta, índigo, azul, verde, amarillo, naranja, rojo) y suelen ser tonos de marrón, verde azulado, dorado, lavanda, turquesa, azul brillante y magenta.

Podemos examinar y analizar la onda de luz reflejada o transmitida por una película delgada para recopilar información sobre el ancho de la película delgada o el índice operativo de refracción del medio de película delgada. Las películas delgadas se utilizan comercialmente para diversos fines, como revestimientos antirreflejos, lentes de cámara antirreflejos, espejos y filtros ópticos.

¿Qué es la interferencia de película delgada? ¿Qué da el color a las pompas de jabón y los derrames de aceite?

Interferencia de película fina en pompas de jabón:

El fenómeno de la interferencia de película delgada nos proporciona una explicación sobre la aparición de múltiples colores de luz de burbujas de jabón y películas de aceite después de la reflexión. Después de atravesar la película delgada, se produce una interferencia constructiva o destructiva que genera una reflexión o anchos de banda de transmisión estrechos. Por lo tanto, la superficie de la burbuja de jabón actúa como una película delgada y produce un espectro de color similar al de un arco iris.

Interferencia de película delgada en una pompa de jabón. Fuente de imagen: Brocken InagloryCielo de burbujas de jabónCC BY-SA 3.0

¿Cómo saber si la interferencia de película delgada es constructiva o destructiva?

Derivación de la interferencia de película delgada | Ecuación de interferencia de película delgada:

Consideremos un escenario en el que inciden ondas de luz sobre material de película delgada. Estos rayos de luz se reflejan en los límites superior e inferior de la película delgada. El espesor óptico o la diferencia de trayectoria óptica (OPD) de la luz que se refleja debe medirse para obtener las condiciones de interferencia.

Diagrama de interferencia de película delgada

Interferencia de película fina
Representación esquemática de la diferencia de trayectoria óptica en una película delgada. Fuente de imagen: NicoguaroInterferencia de película finaCC BY 4.0

Teniendo en cuenta el diagrama de rayos que se muestra a continuación, la diferencia de trayectoria óptica entre las dos ondas de luz viene dada por:

Aquí,

Al usar la ley de Snell, podemos decir que

Por lo tanto,

Fórmula de interferencia constructiva película delgada | Fórmula de interferencia destructiva película delgada

Cuando el OPD o la diferencia del camino óptico entre las dos ondas es igual a un múltiplo integral de la longitud de onda de luz dada, es decir, OPD = mλ, (donde m es un número entero), entonces puede ocurrir una interferencia destructiva. Para obtener interferencia constructiva, la diferencia de longitud de trayecto requerida (2t) debe ser igual a un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda dada.

Sin embargo, se observa que esta condición de interferencia constructiva o destructiva puede cambiar dependiendo de los posibles cambios de fase. Sin embargo, se observa que

¿Cuáles son las aplicaciones de la interferencia de película delgada?

Aplicación de interferencia de película delgada:

El fenómeno de la interferencia de película delgada se utiliza para las siguientes aplicaciones:

  • Recubrimientos antirreflejos: Los recubrimientos antirreflejos se utilizan para eliminar o limitar la luz reflejada por un sistema óptico (espejos, lentes, etc.) y maximizar o mejorar la luz transmitida por dicho sistema. Un revestimiento antirreflectante está diseñado o fabricado de tal manera que la luz reflejada por el sistema óptico genera interferencia destructiva y la luz transmitida por el sistema óptico genera interferencia constructiva para un determinado color o longitud de onda de luz incidente.

Por lo general, un recubrimiento antirreflectante está diseñado de manera que su ancho o grosor óptico es igual a un cuarto de longitud de onda de la onda de luz incidente y el índice de refracción del medio se encuentra entre el índice de refracción del aire y el índice de refracción del vidrio. Matemáticamente, esto se puede demostrar mediante las ecuaciones:

naire <nrevestimientos <nvaso

d = λ / (4nrevestimientos)

  • Fabricación de instrumentos ópticos: El fenómeno de la interferencia de película delgada se utiliza ampliamente para la fabricación de instrumentos ópticos. Los componentes ópticos, como una lente o un espejo, se prueban para determinar su precisión comparándolos con un maestro mientras los diseñan y fabrican. Estos componentes ópticos tienen una forma tal que tienen una precisión de menos de una longitud de onda en toda la superficie del sistema.
  • Motivo de investigación: La interferencia de película delgada puede proporcionar información sobre el índice de refracción de un material, su espesor óptico, interacción con diferentes longitudes de onda de luz, etc. Por esta razón, la interferencia de película delgada se utiliza para analizar y comparar varios medios ópticos diferentes.

Preguntas sobre la interferencia de película delgada | Problemas de ejemplo de interferencia de película delgada | Numérico relacionado con la interferencia de película delgada:

Las cámaras complejas se diseñan utilizando una combinación de series de varios lentes y espejos. A veces, los rayos de luz se reflejan en estas superficies de lentes y reducen la claridad y resolución de la imagen. Estos reflejos parásitos internos de las lentes están limitados al recubrir las lentes con una fina capa de fluoruro de magnesio. El revestimiento antirreflectante provoca una interferencia destructiva de película delgada y elimina la luz parásita.

Problemas de práctica de interferencia de película delgada

Lo que, según usted, puede ser el ancho de película más delgado posible, si el índice de refracción del recubrimiento es igual a 1.38 y la longitud de onda en la que está diseñado para operar de manera óptima es de 550 nm, que suele ser la longitud de onda más intensa que pertenece al espectro visible. ? El índice de refracción del vidrio se toma como 1.52.

Solución:

Por obtener una interferencia destructiva aquí,

2t = λn2/2

Deje que la longitud de onda en la película sea λn2 y es dado por

λn2= λ / n2

Por lo tanto, el espesor t puede ser dado por

t = (λ / n2) / 4 = (550 nm / 1.38) / 4 = 99.6 nm

Nota: Las películas de revestimiento antirreflectante como la mencionada en esta pregunta se consideran una de las formas más eficientes de generar interferencias destructivas con el uso de la capa más delgada posible. Esto también proporciona una intensidad de luz parásita reducida que pertenece a un espectro más amplio y en un rango más amplio de ángulos de incidencia.

El revestimiento antirreflectante lleva el nombre de su función de reducir el reflejo de una longitud de onda particular. Sin embargo, otras longitudes de onda distintas a la mencionada pueden atravesar parcialmente el filtro, es decir, no se cancelan por completo. Estos revestimientos antirreflectantes también se utilizan para fabricar ventanas y gafas de sol de automóviles.

Encuentre los tres anchos ópticos más pequeños posibles de una pompa de jabón que puedan generar interferencia constructiva para la luz que pertenece al espectro rojo que tiene una longitud de onda de 650 nm. El índice de refracción de la pompa de jabón se considera igual al de refracción del agua en este caso.

Solución: Aquí, n1 = n= 1.00 para aire

n2 = 1.333 para jabón (equivalente a agua).

 Se produce un desplazamiento de λ / 2 para el rayo que se refleja en la superficie superior de la pompa de jabón. El rayo que sufre el reflejo de la superficie inferior no experimenta ningún cambio.

Para obtener interferencia constructiva, la diferencia de longitud de trayecto requerida (2t) debe ser igual a un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda dada.

Por lo tanto, los primeros tres posibles valores de diferencia de longitud son λn / 2, 3λn / 2 y 5λn / 2.

Para obtener interferencia destructiva, la diferencia de longitud de trayecto requerida debe ser igual al múltiplo integral de la longitud de onda dada.

Por lo tanto, los primeros tres posibles valores de diferencia de longitud son 0, λny 2λn.

¿Entonces

Interferencia constructiva puede tener lugar cuando 

2tc = λn / 2, 3λn / 2 y 5λn / 2, y así sucesivamente

Por lo tanto, el menor ancho o espesor constructivo posible tc es igual a:

tc = λn / 4 = (λ / n) / 4 = (650 nm / 1.333) / 4 = 122 nm

El segundo valor posible de espesor que puede proporcionar interferencia constructiva es t'c = 3λn/ 4, Por lo tanto, t'c = 366 nm.

De manera similar, el tercer valor posible de espesor que puede proporcionar interferencia constructiva es t′ ′c = 5λn/ 4, por lo tanto, t′ ′c = 610 nm.

Nota: De la pregunta anterior podemos observar que si la luz incidente fuera puramente roja, entonces podríamos observar bandas brillantes y oscuras que aumentan uniformemente en términos de espesor.

La posición de la primera banda oscura posible sería de 0 grosor, luego la primera banda brillante posible podría colocarse a 122 nm de grosor, luego la segunda banda oscura a 244 nm, la banda brillante a 366 nm, la banda oscura a 488 nm y la brillante banda a 610 nm. Si la pompa de jabón tuviera una variación uniforme de grosor, como una cuña lisa, entonces el patrón de banda obtenido se distribuiría uniformemente en el espacio.

¿Por qué no vemos interferencias en películas gruesas?

Las fuentes de luz generalmente no son infinitamente pequeñas en el mundo práctico. Las ondas de luz viajan como un rayo de cierta anchura. Esto significa que las ondas de luz inciden en la superficie de un material en una variedad de ángulos. Para películas delgadas, los ángulos cubren aproximadamente la misma cantidad de diferencia de trayectoria óptica y generan un patrón de interferencia.

Sin embargo, para materiales de capas gruesas, la diferencia de trayectoria óptica en diferentes ángulos no es la misma. En ciertos ángulos, las ondas de luz muestran una interferencia constructiva, mientras que algunos ángulos muestran una interferencia destructiva. El patrón resultante, por lo tanto, se cancela y no podemos ver ninguna interferencia.

¿Por qué se necesita una fuente de luz amplia para observar el patrón de interferencia de una película delgada?

Si consideramos una fuente estrecha o una fuente puntual de luz para observar la interferencia, entonces solo podrá iluminar una pequeña porción selectiva de la película delgada. En otras palabras, el ojo humano solo podrá ver una determinada sección de la película delgada. Debido a esto, será bastante imposible observar todo el patrón de interferencia.

En contraste con esto, cuando usamos una fuente de luz más amplia, las ondas de luz iluminan toda la superficie en ángulos de incidencia considerablemente diferentes y reflejan un rayo paralelo al ojo humano. Esto ayuda a ver todo el patrón de interferencia formado por la película delgada.

¿Cómo se encuentra el espesor mínimo de una película fina?

El espesor mínimo requerido t de la película delgada viene dada por la ecuación t = (λ / n2) / 4. Donde n2 es el índice de refracción de la película delgada.

Conclusión: En este tutorial de notas de interferencia de película delgada, hemos terminado con la discusión sobre interferencia de película delgada, ecuación, funcionamiento, dependencia, aplicaciones, problemas y algunas preguntas frecuentes. Para saber más sobre la energía lumínica haz clic aquí.

Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

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