Interferencia de película delgada - Thin-film interference

Se observa un patrón de interferencia de colores cuando la luz se refleja desde los límites superior e inferior de una fina película de aceite. Las diferentes bandas se forman a medida que el espesor de la película disminuye desde un punto de escorrentía central.
Colores en la luz reflejada por una pompa de jabón
Un acoplador de salida de láser se recubre con muchas películas apiladas, para lograr una reflectividad del 80% a 550 nm. Izquierda: El espejo refleja mucho el amarillo y el verde, pero transmite mucho el rojo y el azul. Derecha: el espejo transmite el 25% de la luz láser de 589 nm.

La interferencia de película delgada es un fenómeno natural en el que las ondas de luz reflejadas por los límites superior e inferior de una película delgada interfieren entre sí, mejorando o reduciendo la luz reflejada . Cuando el espesor de la película es un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda de la luz sobre ella, las ondas reflejadas de ambas superficies interfieren para cancelarse entre sí. Dado que la onda no se puede reflejar, se transmite por completo . Cuando el espesor es múltiplo de la mitad de la longitud de onda de la luz, las dos ondas reflejadas se refuerzan entre sí, aumentando la reflexión y reduciendo la transmisión. Así, cuando la luz blanca, que consiste en un rango de longitudes de onda, incide sobre la película, ciertas longitudes de onda (colores) se intensifican mientras que otras se atenúan . La interferencia de película delgada explica los múltiples colores que se ven en la luz reflejada por las burbujas de jabón y las películas de aceite en el agua . También es el mecanismo detrás de la acción de los recubrimientos antirreflejos utilizados en gafas y lentes de cámaras .

El verdadero espesor de la película depende tanto de su índice de refracción como del ángulo de incidencia de la luz. La velocidad de la luz es más lenta en un medio de índice más alto; por tanto, una película se fabrica en proporción a la longitud de onda a medida que pasa a través de la película. En un ángulo de incidencia normal, el grosor será típicamente un cuarto o un múltiplo de la mitad de la longitud de onda central, pero en un ángulo de incidencia oblicuo, el grosor será igual al coseno del ángulo en las posiciones de un cuarto o de la mitad de la longitud de onda. lo que explica los colores cambiantes a medida que cambia el ángulo de visión. (Para cualquier espesor determinado, el color cambiará de una longitud de onda más corta a una más larga a medida que el ángulo cambia de normal a oblicuo). Esta interferencia constructiva / destructiva produce anchos de banda de reflexión / transmisión estrechos, por lo que los colores observados rara vez son longitudes de onda separadas, como producido por una rejilla de difracción o prisma , pero una mezcla de varias longitudes de onda ausentes de otras en el espectro. Por lo tanto, los colores que se observan rara vez son los del arco iris, sino marrones, dorados, turquesas, turquesas, azules brillantes, púrpuras y magentas. El estudio de la luz reflejada o transmitida por una película delgada puede revelar información sobre el grosor de la película o el índice de refracción efectivo del medio de la película. Las películas delgadas tienen muchas aplicaciones comerciales, incluidos revestimientos antirreflejos , espejos y filtros ópticos .

Teoría

Demostración de la diferencia de longitud del camino óptico para la luz reflejada desde los límites superior e inferior de una película delgada.
Interferencia de película delgada causada por el recubrimiento de descongelación ITO en una ventana de la cabina de Airbus .

En óptica, una película delgada es una capa de material con un espesor en el rango de sub- nanómetros a micrones . Cuando la luz incide en la superficie de una película, se transmite o se refleja en la superficie superior. La luz que se transmite llega a la superficie inferior y puede volver a transmitirse o reflejarse. Las ecuaciones de Fresnel proporcionan una descripción cuantitativa de la cantidad de luz que se transmitirá o reflejará en una interfaz. La luz reflejada de las superficies superior e inferior interferirá. El grado de interferencia constructiva o destructiva entre las dos ondas de luz depende de la diferencia en su fase. Esta diferencia, a su vez, depende del grosor de la capa de la película, el índice de refracción de la película y el ángulo de incidencia de la onda original en la película. Además, se puede introducir un cambio de fase de 180 ° o radianes tras la reflexión en un límite que depende de los índices de refracción de los materiales a cada lado del límite. Este cambio de fase ocurre si el índice de refracción del medio a través del cual viaja la luz es menor que el índice de refracción del material que golpea. En otras palabras, si y la luz viaja del material 1 al material 2, entonces se produce un cambio de fase tras la reflexión. El patrón de luz que resulta de esta interferencia puede aparecer como bandas claras y oscuras o como bandas de colores, dependiendo de la fuente de la luz incidente.

Considere la luz que incide en una película delgada y se refleja en los límites superior e inferior. La diferencia de trayectoria óptica (OPD) de la luz reflejada debe calcularse para determinar la condición de interferencia. Con referencia al diagrama de rayos anterior, el OPD entre las dos ondas es el siguiente:

Dónde,

Usando la ley de Snell ,

La interferencia será constructiva si la diferencia del camino óptico es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz ,.

Esta condición puede cambiar después de considerar posibles cambios de fase que ocurren al reflexionar.

Fuente monocromática

La gasolina en el agua muestra un patrón de franjas brillantes y oscuras cuando se ilumina con luz láser de 589 nm.

Cuando la luz incidente es de naturaleza monocromática , los patrones de interferencia aparecen como bandas claras y oscuras. Las bandas claras corresponden a regiones en las que se produce interferencia constructiva entre las ondas reflejadas y las bandas oscuras corresponden a regiones de interferencia destructiva. Como el grosor de la película varía de un lugar a otro, la interferencia puede cambiar de constructiva a destructiva. Un buen ejemplo de este fenómeno, denominado " anillos de Newton " , demuestra el patrón de interferencia que se produce cuando la luz se refleja desde una superficie esférica adyacente a una superficie plana. Los anillos concéntricos se observan cuando la superficie se ilumina con luz monocromática. Este fenómeno se utiliza con planos ópticos para medir la forma y planitud de superficies.

Fuente de banda ancha

Si la luz incidente es de banda ancha o blanca, como la luz del sol, los patrones de interferencia aparecen como bandas de colores. Diferentes longitudes de onda de luz crean interferencias constructivas para diferentes espesores de película. Las diferentes regiones de la película aparecen en diferentes colores según el grosor de la película local.

Interacción de fase

Interacción de la fase constructiva
Interacción de la fase destructiva

Las figuras muestran dos haces de luz incidente (A y B). Cada haz produce un haz reflejado (punteado). Los reflejos de interés son el reflejo del haz A en la superficie inferior y el reflejo del haz B en la superficie superior. Estos rayos reflejados se combinan para producir un rayo resultante (C). Si los rayos reflejados están en fase (como en la primera figura), el rayo resultante es relativamente fuerte. Si, por el contrario, los rayos reflejados tienen fase opuesta, el rayo resultante se atenúa (como en la segunda figura).

La relación de fase de los dos haces reflejados depende de la relación entre la longitud de onda del haz A en la película y el espesor de la película. Si la distancia total que recorre el haz A en la película es un múltiplo entero de la longitud de onda del haz en la película, entonces los dos haces reflejados están en fase e interfieren constructivamente (como se muestra en la primera figura). Si la distancia recorrida por el rayo A es un múltiplo entero impar de la mitad de la longitud de onda de la luz en la película, los rayos interfieren destructivamente (como en la segunda figura). Por lo tanto, la película que se muestra en estas figuras refleja con más fuerza la longitud de onda del haz de luz en la primera figura, y con menos fuerza en la del haz de la segunda figura.

Ejemplos de

El tipo de interferencia que ocurre cuando la luz se refleja en una película delgada depende de la longitud de onda y el ángulo de la luz incidente, el grosor de la película, los índices de refracción del material a cada lado de la película y el índice de la medio de película. Varias configuraciones de película posibles y las ecuaciones relacionadas se explican con más detalle en los ejemplos siguientes.

Burbuja de jabón

Interferencia de película fina en una pompa de jabón. El color varía con el espesor de la película.
Incidente de luz sobre una película de jabón en el aire

En el caso de una pompa de jabón , la luz viaja a través del aire y golpea una película de jabón. El aire tiene un índice de refracción de 1 ( ) y la película tiene un índice mayor que 1 ( ). La reflexión que ocurre en el límite superior de la película (el límite de la película de aire) introducirá un cambio de fase de 180 ° en la onda reflejada porque el índice de refracción del aire es menor que el índice de la película ( ). La luz que se transmite en la interfaz de aire-película superior continuará hasta la interfaz de película-aire inferior donde puede reflejarse o transmitirse. La reflexión que ocurre en este límite no cambiará la fase de la onda reflejada porque . La condición para la interferencia de una pompa de jabón es la siguiente:

  para la interferencia constructiva de la luz reflejada
  para la interferencia destructiva de la luz reflejada

Donde es el espesor de la película, es el índice de refracción de la película, es el ángulo de incidencia de la onda en el límite inferior, es un número entero y es la longitud de onda de la luz.

Película de aceite

Incidente de luz sobre una película de aceite en el agua

En el caso de una película delgada de aceite, una capa de aceite se asienta sobre una capa de agua. El aceite puede tener un índice de refracción cercano a 1,5 y el agua tiene un índice de 1,33. Como en el caso de la pompa de jabón, los materiales a ambos lados de la película de aceite (aire y agua) tienen índices de refracción menores que el índice de la película. . Habrá un cambio de fase tras la reflexión desde el límite superior porque, pero no habrá un cambio tras la reflexión desde el límite inferior porque . Las ecuaciones de interferencia serán las mismas.

  para la interferencia constructiva de la luz reflejada
  para la interferencia destructiva de la luz reflejada

Recubrimientos antirreflejos

Incidencia de luz sobre un revestimiento antirreflectante sobre vidrio

Un revestimiento antirreflejos elimina la luz reflejada y maximiza la luz transmitida en un sistema óptico. Una película está diseñada de manera que la luz reflejada produzca una interferencia destructiva y la luz transmitida produzca una interferencia constructiva para una longitud de onda de luz determinada. En la implementación más simple de tal recubrimiento, la película se crea de manera que su espesor óptico sea ​​un cuarto de longitud de onda de la luz incidente y su índice de refracción sea mayor que el índice del aire y menor que el índice del vidrio.

Se inducirá un cambio de fase de 180 ° tras la reflexión en las interfaces superior e inferior de la película porque y . Las ecuaciones para la interferencia de la luz reflejada son:

  para interferencia constructiva
  por interferencia destructiva

Si el espesor óptico es igual a un cuarto de longitud de onda de la luz incidente y si la luz incide en la película con una incidencia normal , las ondas reflejadas estarán completamente desfasadas e interferirán destructivamente. Es posible reducir aún más la reflexión agregando más capas, cada una diseñada para coincidir con una longitud de onda de luz específica.

La interferencia de la luz transmitida es completamente constructiva para estas películas.

En naturaleza

La coloración estructural debido a las capas de película delgada es común en el mundo natural. Las alas de muchos insectos actúan como películas delgadas debido a su mínimo grosor. Esto es claramente visible en las alas de muchas moscas y avispas. En las mariposas, la óptica de película delgada es visible cuando el ala en sí no está cubierta por escamas pigmentadas, como es el caso de las manchas azules del ala de la mariposa Aglais io . El aspecto brillante de las flores de ranúnculo también se debe a una película delgada, así como a las brillantes plumas del pecho del ave del paraíso .

Aplicaciones

Una ventana óptica con revestimiento antirreflejos . En un ángulo de 45 °, el recubrimiento es ligeramente más grueso para la luz incidente, lo que hace que la longitud de onda central se desplace hacia el rojo y aparezcan reflejos en el extremo violeta del espectro. A 0 °, para el que se diseñó este recubrimiento, casi no se observa ningún reflejo.

Las películas delgadas se utilizan comercialmente en revestimientos antirreflejos, espejos y filtros ópticos. Pueden diseñarse para controlar la cantidad de luz reflejada o transmitida en una superficie para una longitud de onda determinada. Un etalón de Fabry-Pérot aprovecha la interferencia de película delgada para elegir de forma selectiva qué longitudes de onda de luz pueden transmitirse a través del dispositivo. Estas películas se crean mediante procesos de deposición en los que se agrega material a un sustrato de manera controlada. Los métodos incluyen la deposición química de vapor y varias técnicas físicas de deposición de vapor .

Las películas delgadas también se encuentran en la naturaleza. Muchos animales tienen una capa de tejido detrás de la retina , el Tapetum lucidum , que ayuda a recolectar la luz. Los efectos de la interferencia de película delgada también se pueden ver en manchas de aceite y pompas de jabón. El espectro de reflectancia de una película delgada presenta oscilaciones distintas y los extremos del espectro se pueden usar para calcular el espesor de la película delgada.

Elipsometría es una técnica que se utiliza a menudo para medir las propiedades de películas delgadas. En un experimento de elipsometría típico, la luz polarizada se refleja en la superficie de una película y se mide con un detector. Se mide la relación de reflectancia compleja`` del sistema. A continuación, se lleva a cabo un análisis de modelo en el que esta información se utiliza para determinar los espesores de capa de película y los índices de refracción.

La interferometría de polarización dual es una técnica emergente para medir el índice de refracción y el espesor de películas delgadas a escala molecular y cómo estos cambian cuando se estimulan.

Historia

Los colores templados se producen cuando el acero se calienta y se forma una fina película de óxido de hierro en la superficie. El color indica la temperatura que alcanzó el acero, lo que lo convirtió en uno de los primeros usos prácticos de la interferencia de película delgada.
Colores de interferencia iridiscentes en una película de aceite

La iridiscencia causada por la interferencia de una película delgada es un fenómeno comúnmente observado en la naturaleza, que se encuentra en una variedad de plantas y animales. Uno de los primeros estudios conocidos de este fenómeno fue realizado por Robert Hooke en 1665. En Micrographia , Hooke postuló que la iridiscencia en las plumas de pavo real era causada por capas delgadas y alternas de placa y aire. En 1704, Isaac Newton declaró en su libro, Opticks , que la iridiscencia de una pluma de pavo real se debía al hecho de que las capas transparentes de la pluma eran muy delgadas. En 1801, Thomas Young proporcionó la primera explicación de la interferencia constructiva y destructiva. La contribución de Young pasó en gran parte desapercibida hasta el trabajo de Augustin Fresnel , quien ayudó a establecer la teoría ondulatoria de la luz en 1816. Sin embargo, se pudo dar muy poca explicación a la iridiscencia hasta la década de 1870, cuando James Maxwell y Heinrich Hertz ayudaron a explicar la radiación electromagnética. naturaleza de la luz . Después de la invención del interferómetro de Fabry-Perot , en 1899, los mecanismos de interferencia de película delgada pudieron demostrarse a mayor escala.

En gran parte del trabajo inicial, los científicos intentaron explicar la iridiscencia, en animales como pavos reales y escarabajos , como alguna forma de color de la superficie, como un tinte o pigmento que podría alterar la luz cuando se refleja desde diferentes ángulos. En 1919, Lord Rayleigh propuso que los colores brillantes y cambiantes no eran causados ​​por tintes o pigmentos, sino por estructuras microscópicas, a las que denominó " colores estructurales ". En 1923, CW Mason notó que las bárbulas de la pluma de pavo real estaban hechas de capas muy delgadas. Algunas de estas capas estaban coloreadas mientras que otras eran transparentes. Notó que presionar la bárbula cambiaría el color hacia el azul, mientras que hincharla con un químico lo cambiaría hacia el rojo. También descubrió que blanquear los pigmentos de las plumas no eliminaba la iridiscencia. Esto ayudó a disipar la teoría del color de la superficie y reforzar la teoría del color estructural.

En 1925, Ernest Merritt , en su artículo Un estudio espectrofotométrico de ciertos casos de color estructural , describió por primera vez el proceso de interferencia de película delgada como una explicación de la iridiscencia. El primer examen de plumas iridiscentes con un microscopio electrónico ocurrió en 1939, revelando estructuras complejas de película delgada, mientras que un examen de la mariposa morfo , en 1942, reveló una serie extremadamente pequeña de estructuras de película delgada en la escala nanométrica.

La primera producción de revestimientos de película fina se produjo por accidente. En 1817, Joseph Fraunhofer descubrió que, al empañar el vidrio con ácido nítrico , podía reducir los reflejos en la superficie. En 1819, después de ver evaporarse una capa de alcohol de una hoja de vidrio, Fraunhofer notó que los colores aparecían justo antes de que el líquido se evaporara por completo, deduciendo que cualquier película delgada de material transparente produciría colores.

Se hicieron pocos avances en la tecnología de recubrimiento de película delgada hasta 1936, cuando John Strong comenzó a evaporar la fluorita para hacer recubrimientos antirreflejos sobre vidrio. Durante la década de 1930, las mejoras en las bombas de vacío hicieron posible los métodos de deposición al vacío , como la pulverización catódica . En 1939, Walter H. Geffcken creó los primeros filtros de interferencia utilizando recubrimientos dieléctricos .

Ver también

Referencias

Otras lecturas