miniatura|Interferència de pel·lícula fina causada pel límit aigua- lípid La interferència de pel·lícula fina és un fenomen natural en què les ones de llum reflectides pels límits superior i inferior d'una pel·lícula fina interfereixen entre si, augmentant la reflexió en algunes longituds d'ona i disminuint-la en altres. Quan la llum blanca incideix sobre una pel·lícula fina, aquest efecte produeix reflexos de colors.
La interferència de pel·lícula fina explica els múltiples colors que es veuen en la llum reflectida per les bombolles de sabó i les pel·lícules d'oli sobre l'aigua. També és el mecanisme que hi ha darrere de l'acció dels recobriments antireflectants utilitzats en ulleres i lents de càmera. Si el gruix de la pel·lícula és molt més gran que la longitud de coherència de la llum incident, el patró d'interferència s'esvairà a causa de l'amplada de línia de la font de llum.
La reflexió d'una pel·lícula prima no sol ser longituds d'ona individuals com les produïdes per una xarxa de difracció o un prisma, sinó una barreja de diverses longituds d'ona. Per tant, els colors observats rarament són els de l'arc de Sant Martí, sinó més aviat marrons, daurats, turqueses, xarles, blaus brillants, porpres i magentes. Estudiar la llum reflectida o transmesa per una pel·lícula prima pot revelar informació sobre el gruix de la pel·lícula o l'índex de refracció efectiu del medi de la pel·lícula. Les pel·lícules primes tenen moltes aplicacions comercials, com ara recobriments antireflectants, miralls i filtres òptics.
Teoria miniatura|300x300px|Demostració de la diferència de longitud de camí òptic per a la llum reflectida pels límits superior i inferior d'una pel·lícula fina. En òptica, una pel·lícula fina és una capa de material amb un gruix en el rang subnanomètric a micres. Quan la llum incideix sobre la superfície d'una pel·lícula, es transmet o es reflecteix a la superfície superior. La llum que es transmet arriba a la superfície inferior i pot tornar a ser transmesa o reflectida. Les equacions de Fresnel proporcionen una descripció quantitativa de quanta llum es transmetrà o reflectirà en una interfície. La llum reflectida des de les superfícies superior i inferior interferirà. El grau d'interferència constructiva o destructiva entre les dues ones de llum depèn de la diferència en la seva fase. Aquesta diferència, al seu torn, depèn del gruix de la capa de la pel·lícula, l'índex de refracció de la pel·lícula i l'angle d'incidència de l'ona original sobre la pel·lícula. A més, un canvi de fase de 180° o es poden introduir radians en reflexionar en una frontera depenent dels índexs de refracció dels materials a banda i banda de la frontera. Aquest canvi de fase es produeix si l'índex de refracció del medi a través del qual viatja la llum és inferior a l'índex de refracció del material sobre el qual incideix. En altres paraules, si i la llum viatja del material 1 al material 2, es produeix un canvi de fase durant la reflexió. El patró de llum que resulta d'aquesta interferència pot aparèixer com a bandes clares i fosques o com a bandes de colors, depenent de la font de la llum incident.
Considereu la llum que incideix sobre una pel·lícula fina i que es reflecteix tant pels límits superior com inferior. Cal calcular la diferència de camí òptic (OPD) de la llum reflectida per determinar la condició d'interferència. Si ens fixem en el diagrama de raigs anterior, l'OPD entre les dues ones és la següent:
miniatura|Interferència de pel·lícula fina causada pel recobriment descongelant d'ITO en una finestra de la cabina d'Airbus. On,
Utilitzant la llei de Snell,
La interferència serà constructiva si la diferència del camí òptic és igual a un múltiple enter de la longitud d'ona de la llum, .
Aquesta condició pot canviar després de considerar els possibles canvis de fase que es produeixen durant la reflexió.
Font monocromàtica miniatura|La gasolina sobre l'aigua mostra un patró de franges brillants i fosques quan s'il·lumina amb llum làser de 589 nm. Quan la llum incident és de naturalesa monocromàtica, els patrons d'interferència apareixen com a bandes clares i fosques. Les bandes clares corresponen a regions on es produeix una interferència constructiva entre les ones reflectides i les bandes fosques corresponen a regions d'interferència destructiva. Com que el gruix de la pel·lícula varia d'una ubicació a una altra, la interferència pot canviar de constructiva a destructiva. Un bon exemple d'aquest fenomen, anomenat "anells de Newton", demostra el patró d'interferència que es produeix quan la llum es reflecteix des d'una superfície esfèrica adjacent a una superfície plana. S'observen anells concèntrics quan la superfície s'il·lumina amb llum monocromàtica. Aquest fenomen s'utilitza amb superfícies òptiques planes per mesurar la forma i la planitud de les superfícies.
Font de banda ampla Si la llum incident és de banda ampla, o blanca, com la llum del sol, els patrons d'interferència apareixen com a bandes de colors. Diferents longituds d'ona de llum creen interferència constructiva per a diferents gruixos de pel·lícula. Diferents regions de la pel·lícula apareixen en diferents colors segons el gruix de la pel·lícula local.
Interacció de fase miniatura|250x250px|Interacció de fase constructiva Les figures mostren dos feixos de llum incidents (A i B). Cada feix produeix un feix reflectit (entre punts). Les reflexions d'interès són la reflexió del feix A a la superfície inferior i la reflexió del feix B a la superfície superior. Aquests feixos reflectits es combinen per produir un feix resultant (C). Si els feixos reflectits estan en fase (com a la primera figura), el feix resultant és relativament fort. Si, en canvi, els feixos reflectits tenen fase oposada, el feix resultant s'atenua (com a la segona figura). miniatura|250x250px|Interacció de fase destructiva La relació de fase dels dos feixos reflectits depèn de la relació entre la longitud d'ona del feix A a la pel·lícula i el gruix de la pel·lícula. Si la distància total que recorre el feix A a la pel·lícula és un múltiple enter de la longitud d'ona del feix a la pel·lícula, aleshores els dos feixos reflectits estan en fase i interfereixen constructivament (com es mostra a la primera figura). Si la distància recorreguda pel feix A és un múltiple enter senar de la meitat de la longitud d'ona de la llum a la pel·lícula, els feixos interfereixen destructivament (com a la segona figura). Per tant, la pel·lícula que es mostra en aquestes figures es reflecteix amb més força a la longitud d'ona del feix de llum de la primera figura i amb menys força a la del feix de la segona figura.
Exemples El tipus d'interferència que es produeix quan la llum es reflecteix en una pel·lícula fina depèn de la longitud d'ona i l'angle de la llum incident, el gruix de la pel·lícula, els índexs de refracció del material a banda i banda de la pel·lícula i l'índex del medi de la pel·lícula. Diverses configuracions possibles de la pel·lícula i les equacions relacionades s'expliquen amb més detall en els exemples següents.
Bombolla de sabó miniatura|Incidència de llum sobre una pel·lícula de sabó a l'aire En el cas d'una bombolla de sabó, la llum viatja a través de l'aire i incideix sobre una pel·lícula de sabó. L'aire té un índex de refracció d'1 ( ) i la pel·lícula té un índex superior a 1 (). La reflexió que es produeix al límit superior de la pel·lícula (el límit aire-pel·lícula) introduirà un canvi de fase de 180° a l'ona reflectida perquè l'índex de refracció de l'aire és inferior a l'índex de la pel·lícula ( ). La llum que es transmet a la interfície superior aire-pel·lícula continuarà fins a la interfície inferior pel·lícula-aire, on es podrà reflectir o transmetre. La reflexió que es produeix en aquest límit no canviarà la fase de l'ona reflectida perquè La condició d'interferència per a una bombolla de sabó és la següent:
per a la interferència constructiva de la llum reflectida per a la interferència destructiva de la llum reflectida
On és el gruix de la pel·lícula, és l'índex de refracció de la pel·lícula, és l'angle d'incidència de l'ona sobre el límit inferior, és un nombre enter, i és la longitud d'ona de la llum.
Pel·lícula d'oli miniatura|Incidència de llum sobre una pel·lícula d'oli sobre aigua En el cas d'una fina pel·lícula d'oli, una capa d'oli es troba sobre una capa d'aigua. L'oli pot tenir un índex de refracció proper a 1,5 i l'aigua té un índex d'1,33. Com en el cas de la bombolla de sabó, els materials a banda i banda de la pel·lícula d'oli (aire i aigua) tenen índexs de refracció inferiors a l'índex de la pel·lícula. Hi haurà un canvi de fase en la reflexió des del límit superior perquè però sense desplaçament en reflexió des del límit inferior perquè Les equacions per a la interferència seran les mateixes.
per a la interferència constructiva de la llum reflectida per a la interferència destructiva de la llum reflectida
Recobriments antireflectants miniatura|Incidència de llum sobre un recobriment antireflectant del vidre Un recobriment antireflectant elimina la llum reflectida i maximitza la llum transmesa en un sistema òptic. Una pel·lícula està dissenyada de manera que la llum reflectida produeixi interferència destructiva i la llum transmesa produeixi interferència constructiva per a una longitud d'ona de llum determinada. En la implementació més senzilla d'aquest recobriment, la pel·lícula es crea de manera que el seu gruix òptic és un quart de longitud d'ona de la llum incident i el seu índex de refracció és més gran que l'índex de l'aire i més petit que l'índex del vidre.
S'induirà un canvi de fase de 180° en reflexionar tant a les interfícies superior com inferior de la pel·lícula perquè i Les equacions per a la interferència de la llum reflectida són:
per a la interferència constructiva per a interferències destructives
Si el gruix òptic és igual a un quart de longitud d'ona de la llum incident i si la llum incideix sobre la pel·lícula en incidència normal , les ones reflectides estaran completament fora de fase i interferiran de manera destructiva. És possible reduir encara més la reflexió afegint més capes, cadascuna dissenyada per coincidir amb una longitud d'ona de llum específica.
La interferència de la llum transmesa és completament constructiva per a aquestes pel·lícules.
A la natura La coloració estructural deguda a capes de pel·lícula fina és comuna al món natural. Les ales de molts insectes actuen com a pel·lícules primes a causa del seu gruix mínim. Això és clarament visible a les ales de moltes mosques i vespes. En les papallones, l'òptica de la pel·lícula fina és visible quan l'ala en si no està coberta per escates pigmentades de l'ala, com és el cas de les taques blaves de l'ala de la papallona Aglais io. L'aspecte brillant de les flors de ranuncle també es deu a una pel·lícula fina, així com a les plomes brillants del pit de l'ocell del paradís.
Referències
Categoria:Òptica