O que é interferência de filme fino?
Definição de interferência de filme fino :
A interferência de filme fino se refere ao fenômeno onde ocorre a interferência das ondas de luz que são refletidas pelos lados superior e inferior de um filme fino. Essa interferência é capaz de aumentar ou reduzir a luz refletida do filme.
Como ocorre a interferência de filme fino?
Interferência de filme fino funcionando | Explicação de interferência de filme fino
De acordo com a óptica, uma película fina se refere a uma camada fina de um material com espessura na faixa de subnanômetro para mícrons. Quando as ondas de luz caem na superfície do filme fino, as ondas são refletidas de volta da superfície superior do material ou transmitidas através dela. As ondas de luz que conseguem se transmitir pela superfície superior podem sofrer reflexão ou transmissão novamente da superfície inferior do filme fino. A quantidade de luz (descrição quantitativa) que pode ser refletida ou transmitida das superfícies do material é governada pelas equações de Fresnel.
Às vezes, as ondas de luz que são refletidas pela superfície superior interagem ou interferem com as ondas de luz que são refletidas pela superfície inferior e formam um padrão de interferência. O nível de interferência que pode ser construtiva ou destrutiva entre as duas ondas de luz refletidas depende da diferença de fase das duas ondas de luz.
A diferença de fase entre as duas ondas é novamente dependente da largura ou espessura da camada de filme fino, do índice de refração do filme fino e do ângulo no qual a onda de luz inicial incide na camada de filme dada. Além disso, o índice de refração do meio no outro lado da fronteira do filme também desempenha um papel no deslocamento da fase em 180 ° ou π radianos.
Uma onda de luz pode sofrer uma mudança de fase de 180 ° após a reflexão do limite inferior se o índice de refração do meio que a luz incide for maior do que o índice de refração do meio no qual a luz estava inicialmente viajando. Em outras palavras, podemos dizer que se n1 é o índice de refração do primeiro meio e n2 é o índice de refração do material do filme e é dado que n1 <n2, então a onda de luz viajando do meio 1 para o meio 2, pode sofrer uma mudança de fase de π radianos após a reflexão.
Após a interferência de tal meio, o padrão de interferência da luz é observado para formar bandas brilhantes e escuras alternadas ou bandas de cores diferentes com base no tipo de luz incidente (cromática ou monocromática ou branca).
Dependência da interferência de filme fino no comprimento de onda
Condição para interferência construtiva e destrutiva em filme fino
Condição para interferência destrutiva em filme fino
A condição para a ocorrência de interferência destrutiva, ou seja, a condição necessária para que os raios de luz refletidos interfiram e se cancelem é que a espessura do filme deve ser um múltiplo ímpar de 1/4 do comprimento de onda da luz incidente nele. A onda de luz pertencente a tal faixa de comprimento de onda não pode ser refletida e, portanto, é completamente transmitida.
Condição para interferência construtiva em filmes finos
A condição para interferência construtiva para ocorrer, ou seja, a condição necessária para que os raios de luz refletidos interfiram e se reforcem é que a espessura do filme tenha que ser um múltiplo ímpar de 1/2 do comprimento de onda da luz incidente sobre ele. Nesses casos, a reflexão das ondas de luz pelo limite do filme fino aumenta e a transmissão das ondas diminui.
Qual é a causa de uma película fina ser vista colorida em uma luz branca?
Dependência da interferência do filme fino na cor da luz.
Devido à dependência do nível de interferência no comprimento de onda em filmes finos, pode-se observar que a luz branca que compreende vários comprimentos de onda é refletida e transmitida de maneira desigual. Certos comprimentos de onda ou cores de luz branca se intensificam após a interferência construtiva e certos comprimentos de onda ou cores sofrem de interferência destrutiva e são atenuados. O fenômeno da interferência de filme fino nos fornece uma explicação sobre a ocorrência de múltiplas cores de luz de bolhas de sabão e filmes de óleo após a reflexão.
Revestimentos anti-reflexão em termos de interferência de filme fino
Os revestimentos anti-reflexo incorporados nas lentes e óculos das câmeras também atuam no fenômeno da interferência de filmes finos. Eles são projetados de modo que a mudança de fase relativa entre o feixe refletido nos limites superior e inferior de um filme fino seja de 180 °.
Fatores dos quais depende a espessura de filmes finos:
A verdadeira espessura ou largura do filme que é coberto pelas ondas de luz ao passar por ele depende de dois fatores principais: seu índice de refração e o ângulo de incidência da onda de luz que chega. Quando o índice de refração do meio aumenta em comparação com o índice de refração do ar, a velocidade da luz diminui. Em outras palavras, podemos dizer que a velocidade da luz em um meio é inversamente proporcional ao índice de refração do meio.
Sabemos que frequência da luz permanece a mesma para todos os meios, portanto a variação na velocidade ocorre devido à mudança no comprimento de onda da luz. Por esta razão, os filmes são fabricados tendo em mente o comprimento de onda à medida que a luz viaja através do filme fino.
Quando o ângulo de incidência é de zero grau ou as ondas de luz caem normalmente, a espessura do filme é geralmente 1/4 ou 1/2 do comprimento de onda central da luz incidente. Quando o ângulo de incidência é oblíquo, a espessura do filme é dada pelo produto do cosseno do ângulo incidente com 1/4 ou 1/2 do comprimento de onda. Isso explica por que às vezes vemos uma variação na cor conforme mudamos o ângulo de visão. (Para uma determinada largura de filme, a cor da luz muda de comprimentos de onda mais curtos para mais longos quando inclinamos o ângulo de incidência da posição normal para oblíqua.)
Cor da luz gerada pela interferência de filme fino:
Depois de passar pela película fina, ocorre uma interferência construtiva ou destrutiva que gera uma reflexão estreita ou larguras de banda de transmissão. Devido à formação dessas larguras de banda estreitas, não podemos distinguir entre os comprimentos de onda com base na cor. A luz refletida ou transmitida compreende uma mistura de vários comprimentos de onda que estão ausentes na parte restante do espectro.
Esse avistamento também é gerado por prismas ou grades de difração. As cores observadas neste caso raramente pertencem ao espectro VIBGYOR (violeta, índigo, azul, verde, amarelo, laranja, vermelho) e geralmente são tons de marrom, azul-petróleo, dourado, lavanda, turquesa, azul brilhante e magenta.
Podemos examinar e analisar a onda de luz refletida ou transmitida por um filme fino para reunir informações sobre a largura do filme fino ou o índice operativo de refração do meio de filme fino. Filmes finos são usados comercialmente para vários fins, como revestimentos anti-reflexo, lentes de câmeras anti-reflexo, espelhos e filtros ópticos.
O que é interferência de película fina O que dá cor às bolhas de sabão e derramamentos de óleo?
Interferência de filme fino na bolha de sabão:
O fenômeno da interferência de filme fino nos fornece uma explicação sobre a ocorrência de múltiplas cores de luz de bolhas de sabão e filmes de óleo após a reflexão. Depois de passar pela película fina, ocorre uma interferência construtiva ou destrutiva que gera uma reflexão estreita ou larguras de banda de transmissão. Portanto, a superfície da bolha de sabão atua como uma película fina e produz um espectro de cores semelhante ao de um arco-íris.
Como saber se a interferência de filme fino é construtiva ou destrutiva?
Derivação de interferência de filme fino | Equação de interferência de filme fino:
Vamos considerar um cenário no qual as ondas de luz incidem sobre o material de película fina. Esses raios de luz são refletidos nos limites superior e inferior do filme fino. A espessura óptica ou a diferença de caminho óptico (OPD) da luz que é refletida deve ser medida para obter as condições de interferência.
Diagrama de interferência de filme fino
Considerando o diagrama de raios mostrado abaixo, a diferença do caminho óptico entre as duas ondas de luz é dada por:
Aqui,
Usando a lei de Snell, podemos dizer que
Portanto,
Película fina de fórmula de interferência construtiva | Película fina de fórmula de interferência destrutiva
Quando o OPD ou diferença de caminho óptico entre as duas ondas é igual a um múltiplo integral do comprimento de onda de luz dado, isto é, OPD = mλ, (onde m é um inteiro), então a interferência destrutiva pode ocorrer. Para obter interferência construtiva, a diferença de comprimento de caminho necessária (2t) deve ser igual a um múltiplo integral da metade do comprimento de onda fornecido.
Porém, observa-se que esta condição de interferência construtiva ou destrutiva pode mudar dependendo dos possíveis deslocamentos de fase. No entanto, observa-se que
Quais são as aplicações da interferência de filme fino?
Aplicação de interferência de filme fino:
O fenômeno de interferência de filme fino é usado para as seguintes aplicações:
- Revestimentos anti-reflexo: Os revestimentos anti-reflexo são usados para eliminar ou limitar a luz refletida por um sistema óptico (espelhos, lentes, etc.) e maximizar ou melhorar a luz transmitida por tal sistema. Um revestimento anti-reflexo é projetado ou fabricado de forma que a luz refletida pelo sistema ótico gere interferência destrutiva e a luz transmitida pelo sistema ótico gere interferência construtiva para uma determinada cor ou comprimento de onda da luz incidente.
Normalmente, um revestimento anti-reflexo é projetado de modo que sua largura ou espessura óptica seja igual a um quarto do comprimento de onda da onda de luz incidente e o índice de refração do meio fique entre o índice de refração do ar e o índice de refração do vidro. Matematicamente, isso pode ser demonstrado pelas equações:
nar <nrevestimentos <nvidro
d = λ / (4nrevestimentos)
- Fabricação de instrumentos ópticos: O fenômeno da interferência de filme fino é amplamente utilizado para a fabricação de instrumentos ópticos. Os componentes óticos, como lentes ou espelho, são testados quanto à sua precisão, comparando-os com um mestre durante o projeto e a fabricação. Esses componentes ópticos são moldados de forma que tenham uma precisão inferior a um comprimento de onda em toda a superfície do sistema.
- Propósitos de pesquisa: A interferência de filme fino pode fornecer informações sobre o índice de refração de um material, sua espessura óptica, interação com diferentes comprimentos de onda de luz, etc. Por esta razão, a interferência de filme fino é usada para analisar e comparar vários meios ópticos diferentes.
Perguntas sobre interferência de filme fino | Problemas de exemplo de interferência de filme fino | Numérico relacionado à interferência de filme fino:
Câmeras complexas são projetadas usando uma combinação de uma série de várias lentes e espelhos. Às vezes, os raios de luz são refletidos dessas superfícies de lente e reduzem a clareza e a resolução da imagem. Esses reflexos dispersos internos das lentes são limitados pelo revestimento das lentes com uma fina camada de fluoreto de magnésio. O revestimento anti-reflexo causa interferência destrutiva de filme fino e elimina a luz difusa.
Problemas de prática de interferência de filme fino
O que de acordo com você pode ser a largura de filme mais fina possível, se o índice de refração do revestimento for igual a 1.38 e o comprimento de onda em que ele foi projetado para operar de forma otimizada é 550 nm, que é tipicamente o comprimento de onda mais intenso pertencente ao espectro visível ? O índice de refração do vidro é considerado como 1.52.
Alternativa?
Para obter interferência destrutiva aqui,
2t = λn2/2
Deixe o comprimento de onda no filme ser λn2 e é dado por
λn2= λ / n2
Portanto, a espessura t pode ser dado por
t = (λ / n2) / 4 = (550 nm / 1.38) / 4 = 99.6 nm
Observação: Os filmes de revestimento anti-reflexo como o mencionado nesta pergunta são considerados uma das formas mais eficientes de gerar interferências destrutivas com o uso da camada mais fina possível. Isso também fornece uma intensidade reduzida de dispersão de luz pertencente a um espectro mais amplo e em uma faixa mais ampla de ângulos de incidência.
O revestimento anti-reflexo tem o nome de sua função de reduzir o reflexo de um determinado comprimento de onda. No entanto, comprimentos de onda diferentes do mencionado podem passar parcialmente pelo filtro, ou seja, não são totalmente cancelados. Esses revestimentos anti-reflexos também são usados para fazer janelas de automóveis e óculos de sol.
Encontre as três menores larguras ópticas possíveis de uma bolha de sabão que pode gerar interferência construtiva para a luz pertencente ao espectro vermelho com comprimento de onda de 650 nm? O índice de refração da bolha de sabão é considerado igual ao índice de refração da água neste caso.
Alternativa? Aqui, n1 = n3 = 1.00 para ar
& n2 = 1.333 para sabão (equivalente a água).
Um deslocamento de λ / 2 ocorre para o raio que é refletido da superfície superior da bolha de sabão. O raio que sofre reflexo da superfície inferior não experimenta qualquer mudança.
Para obter interferência construtiva, a diferença de comprimento de caminho necessária (2t) deve ser igual a um múltiplo integral da metade do comprimento de onda fornecido.
Portanto, os três primeiros valores de diferença de comprimento possíveis são λn / 2, 3λn / 2 e 5λn / 2.
Para obter interferência destrutiva, a diferença de comprimento de caminho necessária deve ser igual ao múltiplo integral do comprimento de onda dado.
Portanto, os três primeiros valores de diferença de comprimento possíveis são 0, λn, e 2λn.
então,
Interferência construtiva pode ocorrer quando
2tc = λn / 2, 3λn / 2 e 5λn / 2, e assim por diante
Portanto, a menor largura ou espessura construtiva possível tc é igual a:
tc = λn / 4 = (λ / n) / 4 = (650 nm / 1.333) / 4 = 122 nm
O segundo valor possível de espessura que pode fornecer interferência construtiva é t'c = 3λn/ 4, Portanto, t'c = 366nm.
Da mesma forma, o terceiro valor possível de espessura que pode fornecer interferência construtiva é t′ ′c = 5λn/ 4, portanto, t′ ′c = 610nm.
Observação: A partir da pergunta acima, podemos observar que se a luz incidente fosse puramente vermelha, então poderíamos observar faixas claras e escuras que aumentam uniformemente em termos de espessura.
A posição da primeira banda escura possível seria na espessura de 0, então a primeira banda brilhante possível poderia ser posicionada na espessura de 122 nm, então a segunda banda escura em 244 nm, banda brilhante em 366 nm, banda escura em 488 nm e brilhante banda a 610 nm. Se a bolha de sabão tivesse uma variação uniforme de espessura, como uma cunha lisa, o padrão de faixa obtido seria distribuído uniformemente no espaço.
Por que não vemos interferência em filmes espessos?
As fontes de luz geralmente não são infinitamente pequenas no mundo prático. As ondas de luz viajam como um feixe de certa largura. Isso significa que as ondas de luz incidem na superfície de um material em uma variedade de ângulos. Para filmes finos, os ângulos cobrem aproximadamente a mesma diferença de caminho óptico e geram um padrão de interferência.
No entanto, para materiais com camadas espessas, a diferença do caminho óptico em diferentes ângulos não é a mesma. Em certos ângulos, as ondas de luz mostram interferência construtiva, enquanto alguns ângulos mostram Interferência destrutiva. O padrão resultante, portanto, é cancelado e não podemos ver qualquer interferência.
Por que uma ampla fonte de luz é necessária para observar o padrão de interferência de um filme fino?
Se considerarmos uma fonte estreita ou uma fonte pontual de luz para observar a interferência, ela será capaz de iluminar apenas uma pequena porção seletiva do filme fino. Em outras palavras, o olho humano será capaz de ver apenas uma certa seção da película fina. Devido a isso, será quase impossível observar todo o padrão de interferência.
Em contraste com isso, quando usamos uma fonte de luz mais ampla, as ondas de luz iluminam toda a superfície em ângulos de incidência consideravelmente diferentes e refletem de volta um feixe paralelo ao olho humano. Isso ajuda a visualizar todo o padrão de interferência formado pela película fina.
Como você encontra a espessura mínima de uma película fina?
A espessura mínima exigida t da película fina é dada pela equação t = (λ / n2) / 4. Onde n2 é o índice de refração do filme fino.
Conclusão: Neste tutorial de notas de interferência de filme fino terminamos com a discussão sobre interferência de filme fino, Equação, Trabalho, Dependência, Aplicações, Problemas e algumas Perguntas Freqüentes. Para saber mais sobre a energia da luz clique aqui.
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