Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Цвет — тонкая пленка
Цвет тонких пленок обусловлен явлениями интерференции света, падающего на пленку и отражающегося как от верхней, так и от нижней поверхности пленок; благодаря различной скорости прохождения света в воздухе и в пленке вследствие интерференции света отраженный луч может усиливаться или затухать. Когда на пленку падает сложный белый световой луч, часть окрашенных лучей, составляющих белый луч, усиливается, другая часть затухает, в результате чего пленка получает в зависимости от ее толщины тот или иной цвет. [1]
Цвета тонких пленок ( например, пленки нефти на воде) и цвета радуги имеют совершенно различные оттенки. [2]
Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. [3]
Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 ( рис. 176) 2, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а вторая — от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн — сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина t усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции ( усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. [4]
Цвета радуги являются чистыми спектральными цветами ( см. задачу 844), так как по данному направлению виден лишь луч вполне определенной длины волны, Цвета тонких пленок , наоборот, получаются из-за гашения ( полного или частичного) лучей некоторого спектрального интервала в результате интерференции. [5]
Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. [6]
Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев и н-терференции света. [7]
Инфракрасное изображение, спроектированное на эту пленку, создает благодаря неравномерности испарения масла микрорельеф. При освещении этого микрорельефа возникает интерференционная картина ( в цветах тонких пленок ), воспроизводящая наблюдаемый объект. [8]
Если наблюдение ведется в монохроматическом свете, то интерференционная картина представляет собой чередование светлых и темных полос. При наблюдении в белом свете пленка оказывается окрашенной в разные цвета. Подобная окрашенность пленок, обусловленная интерференцией отраженных от поверхностей лучей, носит название цветов тонких пленок . Следует заметить, что при наблюдении в белом свете отклонение от параллельности поверхности пластинки должно быть незначительным. [9]
Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность их волновой интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир. Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок , дифракция света и его дисперсия. Именно Ньютон осознал поляризацию как изначальное свойство света, объясняемое оцредел. Гюйгенс полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью. [10]
Одно время высказывались сомнения в том, что цвет побежалости на железе действительно зависит от толщины пленки. Катодная обработка железа с цветами побежалости в разбавленной соляной кислоте дает более однородное уменьшение толщины3 и ожидаемое изменение цветов было в действительности получено; в данном случае уменьшение толщины зависит от катодного восстановления окиси железа до закиси, которая очень быстро растворяется в кислоте; скорость реакции зависит только от силы тока и таким образом легко получить необходимую однородность уменьшения толщины пленки. Следовательно, указанное выше возражение по отношению к интерференционному объяснению цветов тонких пленок устранено. [11]
Но на бесконечности или в фокальной плоскости собирающей линзы полосы наблюдаются и при протяженном источнике. Оказывается, что для достаточно тонкой пластинки или пленки ( поверхности которой не обязательно, должны быть параллельными и вообще плоскими) можно наблюдать интерференционную картину, локализованную вблизи отражающей поверхности. В белом свете интерференционные полосы окрашены. Поэтому такое явление называют цвета тонких пленок . [12]
Теперь вернемся к интерференционной картине, показанной на рис. IV цветной вклейки, и выясним происхождение разноцветных полос, наблюдаемых при падении белого света. Во всех подобных случаях объяснение этих полос одинаково. Необходимо рассмотреть интерференционную картину, которая получилась бы при падении света каждого спектрального цвета в отдельности; затем для каждого узкого участка пленки надо отметить, какие цвета на нем могут и какие не могут наблюдаться, после чего можно предсказать тот сложный цвет, который будет виден в данном месте пленки при падении белого света. Например, если в некотором месте голубой цвет отсутствует, а красный интенсивен, при падении белого света будет виден цвет, сходный с одним из цветов красного конца спектра: с желтым или красным. Если в другом месте могут наблюдаться только голубой и красный цвета, то падение белого света даст в этом месте пурпуровый цвет. Изложенный метод предсказания цвета иллюстрирован на рис. VII цветной вклейки. Там этот метод применен к дифракционным картинам от одной щели при белом освещении, но тот же метод можно применять ко всем видам интерференционных картин, в частности к результатам опыта Юнга и к цветам тонких пленок . [13]
Источник
4. Цвета тонких пленок
В естественных условиях легко наблюдать интерференцию в тонких пленках.
Всем известны красивые радужные цвета, появляющиеся на поверхности мыльных пузырей, в тонких слоях масла или нефти, плавающих на поверхности воды, и в некоторых других случаях. Все эти явления имеют интерференционный характер и наблюдаются при отражении света от очень тонких слоев прозрачных и бесцветных веществ.
Пусть на тонкую пленку, например мыльную (рис. 2) с показателем преломления n, падают монохроматические лучи от источника света, в среде с показателем преломления n1. Предположим, что мы наблюдаем явление интерференции глазом, смотря на верхнюю поверхность пленки. На рис. 2 толщина d пленки сильно увеличена. Через какую-либо точку А на поверхности пленки от источника в глаз наблюдателя попадут два луча ОА и . Луч ОА попадает в глаз непосредственно после отражения от верхней поверхности. Луч
, как видно на рис. 2, попадает в глаз после прохождения через пленку и отражения от ее нижней поверхности. В зависимости от величины разности фаз глаз увидит точку А светлой или темной. Найдем величину разности хода в зависимости от угла падения и толщины пленки
.
Если провести ВК перпендикулярно обоим лучам, то до точек В и К оба луча проходят одинаковые пути в одинаковых условиях и приходят в эти точки в одинаковой фазе. Начиная от этих точек, условия их распространения до точки А становятся различными. Луч ОА проходит отрезок КА в среде с показателем преломления n1, луч проходит путь ВС + СА в среде с показателем преломленияn. Величина разности хода будет определяться оптической разностью фаз лучей 1 и 2 до точки А. Определим эту разность хода:
Оптическая разность хода равна
Из рис. 2 видно, что КА = ВА Sin ;
ВС = CА = .
По закону преломления илиsin =
sin
Подставляя эти значения в разность хода лучей, получим:
= — 2 dn1tgSin =
(n – n1 SinSin ) =
=(n-
)= =
После сокращения получим: = 2 d
Для определения разности хода лучей в точке А необходимо учесть, что световые волны, как и всякие волны, отражаясь от оптически более плотной (n > n1) среды теряют «полволны», т.е. происходит и з м е н е н и е ф а з ы на противоположную. Если первой средой является воздух, то n1 = I и луч ОА будет терять полволны, т.к. он отражается от оптически более плотной среды. Следовательно, между лучами ОА и ОВ образуется дополнительная разность хода в полволны. Учитывая это получаем разность хода , равной:
= 2 d
Когда толщина d и угол падения таковы, что указанная разность хода лучей равна четному числу полуволн, то по условию максимума мы будем видеть в точке А свет, при нечетном числе полуволн по условию минимума — темноту. При изменении угла падения лучей интерференционная картина будет меняться.
До сих пор предполагалось, что источник испускает монохроматический свет, т. е . с одной длиной волны . Если пленка освещается источником белого света, то в точке А мы будем видеть свет такого цвета, для длины волны которого осуществляется условие максимума, т. е. длина волны укладывается целое число раз в разности хода . В точку А придут и другие лучи других длин волн , входящих в состав белого луча, но максимальную яркость будут иметь те лучи, длина волны которых удовлетворяет условию максимума, т.е. укладывается целое число в разности хода, поэтому мы увидим и соответствующий цвет.
Другой точке поверхности пленки, на которую падают белые лучи под другим углом, будет соответствовать другая разность хода, которая в свою очередь, будет составлять целое число других волн. Поэтому эта точка будет иметь другой цвет. Таким образом, пленка будет иметь радужную окраску. Если на пленку, имеющую во всех точках одинаковую толщину, падает пучок параллельных лучей белого света, то она вся будет окрашена в один цвет. Если угол падения изменить, а лучи оставить параллельными, то окраска пленки изменится, но опять она вся будет окрашена одним цветом. При освещении пучком параллельных лучей белого света, пленка будет иметь радужную окраску лишь в том случае, если толщина ее будет различна в разных точках, т.е. она не будет плоско-параллельной. Это используется как метод контроля равенства толщины тончайших пластинок из стекла, которые применяются в целом ряде очень точных оптических приборов.
Интерференционная картина будет наблюдаться и в проходящем свете. Но так как в проходящем свете нет потери полволны, то вся картина интерференции изменится на обратную: на месте светлых полос будут темные, на месте темных — светлые.
Источник