От каких параметров зависит цвет тонкой пленки

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 dn₁tgSin =  (n – n₁ SinSin ) =

=(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

От каких параметров зависит цвет тонкой пленки

Интерференция в тонких пленках

Интерференцию света по методу деления амплитуды во многих отношениях наблюдать проще, чем в опытах с делением волнового фронта. Один из способов, использующих такой метод, – опыт Поля.

В опыте Поля свет от источника S отражается двумя поверхностями тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки (рис. 8.7).

В любую точку P, находящуюся с той же стороны от пластинки, что и источник, приходят два луча. Эти лучи образуют интерференционную картину.

Для определения вида полос можно представить себе, что лучи выходят из мнимых изображений S₁ и S₂ источника S, создаваемых поверхностями пластинки. На удаленном экране, расположенном параллельно пластинке, интерференционные полосы имеют вид концентрических колец с центрами на перпендикуляре к пластинке, проходящем через источник S. Этот опыт предъявляет менее жесткие требования к размерам источника S, чем рассмотренные выше опыты. Поэтому можно в качестве S применить ртутную лампу без вспомогательного экрана с малым отверстием, что обеспечивает значительный световой поток. С помощью листочка слюды (толщиной 0,03 – 0,05 мм) можно получить яркую интерференционную картину прямо на потолке и на стенах аудитории. Чем тоньше пластинка, тем крупнее масштаб интерференционной картины, т.е. больше расстояние между полосами.

Полосы равного наклона

Особенно важен частный случай интерференции света, отраженного двумя поверхностями плоскопараллельной пластинки, когда точка наблюдения P находится в бесконечности, т.е. наблюдение ведется либо глазом, аккомодированным на бесконечность, либо на экране, расположенном в фокальной плоскости собирающей линзы (рис. 8.8).

В этом случае оба луча, идущие от S к P, порождены одним падающим лучом и после отражения от передней и задней поверхностей пластинки параллельны друг другу. Оптическая разность хода между ними в точке P такая же, как на линии DC:

Здесь n – показатель преломления материала пластинки. Предполагается, что над пластинкой находится воздух, т.е. . Так как , (h – толщина пластинки, и – углы падения и преломления на верхней грани; ), то для разности хода получаем

Следует также учесть, что при отражении волны от верхней поверхности пластинки в соответствии с формулами Френеля ее фаза изменяется на π. Поэтому разность фаз δ складываемых волн в точке P равна:

где – длина волны в вакууме.

В соответствии с последней формулой светлые полосы расположены в местах, для которых , где m – порядок интерференции. Полоса, соответствующая данному порядку интерференции, обусловлена светом, падающим на пластинку под вполне определенным углом α. Поэтому такие полосы называют интерференционными полосами равного наклона. Если ось объектива расположена перпендикулярно пластинке, полосы имеют вид концентрических колец с центром в фокусе, причем в центре картины порядок интерференции максимален.

Полосы равного наклона можно получить не только в отраженном свете, но и в свете, прошедшем сквозь пластинку. В этом случае один из лучей проходит прямо, а другой – после двух отражений на внутренней стороне пластинки. Однако видимость полос при этом низкая.

Для наблюдения полос равного наклона вместо плоскопараллельной пластинки удобно использовать интерферометр Майкельсона (рис. 8.9). Рассмотрим схему интерферометра Майкельсона: з1 и з2 – зеркала. Полупрозрачное зеркало посеребрено и делит луч на две части – луч 1 и 2. Луч 1, отражаясь от з1 и проходя , дает , а луч 2, отражаясь от з2 и далее от , дает . Пластинки и одинаковы по размерам. ставится для компенсации разности хода второго луча. Лучи и когерентны и интерферируют.

Интерференция от клина. Полосы равной толщины

Мы рассмотрели интерференционные опыты, в которых деление амплитуды световой волны от источника происходило в результате частичного отражения на поверхностях плоскопараллельной пластинки. Локализованные полосы при протяженном источнике можно наблюдать и в других условиях. 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. Возникающие при этих условиях полосы называют полосами равной толщины. В белом свете интерференционные полосы окрашены. Поэтому такое явление называют цветами тонких пленок. Его легко наблюдать на мыльных пузырях, на тонких пленках масла или бензина, плавающих на поверхности воды, на пленках окислов, возникающих на поверхности металлов при закалке, и т.п.

Рассмотрим интерференционную картину, получаемую от пластинок переменной толщины (от клина).

Направления распространения световой волны, отраженной от верхней и нижней границы клина, не совпадают. Отраженные и преломленные лучи встречаются, поэтому интерференционную картину при отражении от клина можно наблюдать и без использования линзы, если поместить экран в плоскость точек пересечения лучей (хрусталик глаза помещают в нужную плоскость).

Интерференция будет наблюдаться только во 2-й области клина, так как в 1-й области оптическая разность хода будет больше длины когерентности.

Результат интерференции в точках и экрана определяется по известной формуле , подставляя в неё толщину пленки в месте падения луча ( или ). Свет обязательно должен быть параллельным ( ): если одновременно будут изменяться два параметра b и α, то устойчивой интерференционной картины не будет.

Поскольку разность хода лучей, отразившихся от различных участков клина, будет неодинаковой, освещенность экрана будет неравномерной, на экране будут темные и светлые полосы (или цветные при освещении белым светом, как показано на рис. 8.11). Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины.

На рис. 8.12 изображена оправа, в которой зажаты две стеклянные пластины. Одна из них слегка выпуклая, так что пластины касаются друг друга в какой-то точке. И в этой точке наблюдается нечто странное: вокруг нее возникают кольца. В центре они почти не окрашены, чуть дальше переливаются всеми цветами радуги, а к краю теряют насыщенность цветов, блекнут и исчезают.

Так выглядит эксперимент, в XVII веке положивший начало современной оптике. Ньютон подробно исследовал это явление, обнаружил закономерности в расположении и окраске колец, а также объяснил их на основе корпускулярной теории света.

Кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла (рис. 8.13), называют кольцами Ньютона.

Общий центр колец расположен в точке касания. В отраженном свете центр темный, так как при толщине воздушной прослойки, на много меньшей, чем длина волны , разность фаз интерферирующих волн обусловлена различием в условиях отражения на двух поверхностях и близка к π. Толщина h воздушного зазора связана с расстоянием r до точки касания (рис. 8.13):

Здесь использовано условие . При наблюдении по нормали темные полосы, как уже отмечалось, соответствуют толщине , поэтому для радиуса m-го темного кольца получаем

(m = 0, 1, 2, …).

Если линзу постепенно отодвигать от поверхности стекла, то интерференционные кольца будут стягиваться к центру. При увеличении расстояния на картина принимает прежний вид, так как место каждого кольца будет занято кольцом следующего порядка. С помощью колец Ньютона, как и в опыте Юнга, можно сравнительно простыми средствами приближенно определить длину волны света.

Полосы равной толщины можно наблюдать и с помощью интерферометра Майкельсона, если одно из зеркал з1 или з2 (рис. 8.9) отклонить на небольшой угол.

Итак, полосы равного наклона получаются при освещении пластинки постоянной толщины ( ) рассеянным светом, в котором содержатся лучи разных направлений. Полосы равной толщины наблюдаются при освещении пластинки переменной толщины (клина) ( ) параллельным пучком света. Полосы равной толщины локализованы вблизи пластинки.

Источник

➤