Interferencia de película delgada

Fenómeno óptico

Interferencia de película delgada causada por el límite agua- lípido

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, aumentando la reflexión en algunas longitudes de onda y disminuyéndola en otras. Cuando la luz blanca incide sobre una película delgada, este efecto produce reflejos coloridos.

La interferencia de películas finas explica los múltiples colores que se ven en la luz reflejada por las burbujas de jabón y las películas de aceite sobre el agua . También es el mecanismo detrás de la acción de los recubrimientos antirreflectantes utilizados en gafas y lentes de cámaras . Si el espesor de la película es mucho mayor que la longitud de coherencia de la luz incidente, entonces el patrón de interferencia desaparecerá debido al ancho de línea de la fuente de luz.

La reflexión de una película delgada no suele ser de longitudes de onda individuales como las producidas por una rejilla de difracción o un prisma , sino que es una mezcla de varias longitudes de onda. Por lo tanto, los colores observados rara vez son los del arco iris, sino más bien marrones, dorados, turquesas, verde azulado, azules brillantes, morados y magentas. El estudio de la luz reflejada o transmitida por una película delgada puede revelar información sobre el espesor de la película o el índice de refracción efectivo del medio de la película. Las películas delgadas tienen muchas aplicaciones comerciales, incluidos revestimientos antirreflectantes , 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 revestimiento de descongelación de ITO en la ventana de una cabina de Airbus .

En óptica, una película delgada es una capa de material con un espesor en el rango de subnanómetros a micrómetros . 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 cuánta luz se transmitirá o reflejará en una interfaz. La luz reflejada desde las superficies superior e inferior interferirá. El grado de interferencia constructiva o destructiva entre las dos ondas luminosas depende de la diferencia de fase. Esta diferencia a su vez depende del espesor de la capa de la película, del índice de refracción de la película y del ángulo de incidencia de la onda original sobre la película. Además, se puede introducir un cambio de fase de 180° o radianes tras la reflexión en un límite dependiendo 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 por el que viaja la luz es menor que el índice de refracción del material que impacta. 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 coloridas dependiendo de la fuente de luz incidente. ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle n_{1}<n_{2}}$

Considere la luz que incide sobre una película delgada y se refleja tanto en el límite superior como en el inferior. Se debe calcular la diferencia de trayectoria óptica (OPD) de la luz reflejada para determinar las condiciones de interferencia. Con referencia al diagrama de rayos anterior, el OPD entre las dos ondas es el siguiente:

${\displaystyle OPD=n_{2}({\overline {AB}}+{\overline {BC}})-n_{1}({\overline {AD}})}$

Dónde,

${\displaystyle {\overline {AB}}={\overline {BC}}={\frac {d}{\cos(\theta _{2})}}}$

${\displaystyle {\overline {AD}}=2d\tan(\theta _{2})\sin(\theta _{1})}$

Usando la ley de Snell , ${\displaystyle n_{1}\sin(\theta _{1})=n_{2}\sin(\theta _{2})}$

${\displaystyle {\begin{aligned}OPD&=n_{2}\left({\frac {2d}{\cos(\theta _{2})}}\right)-2d\tan(\theta _{2})n_{2}\sin(\theta _{2})\\&=2n_{2}d\left({\frac {1-\sin ^{2}(\theta _{2})}{\cos(\theta _{2})}}\right)\\&=2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})\\\end{aligned}}}$

La interferencia será constructiva si la diferencia del camino óptico es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz, . ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle 2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$

Esta condición puede cambiar después de considerar posibles cambios de fase que ocurren durante la reflexión.

fuente monocromática

La gasolina sobre 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 una interferencia constructiva entre las ondas reflejadas y las bandas oscuras corresponden a regiones de interferencia destructiva. Como el espesor 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. Se observan anillos concéntricos cuando la superficie se ilumina con luz monocromática. Este fenómeno se utiliza con planos ópticos para medir la forma y planitud de las 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 dependiendo del espesor de la película local.

Interacción de fase

Interacción de fase constructiva.

Interacción de fase destructiva

Las figuras muestran dos haces de luz incidentes (A y B). Cada haz produce un haz reflejado (discontinuo). Las reflexiones de interés son la reflexión del haz A en la superficie inferior y la reflexión del haz B en la superficie superior. Estos haces reflejados se combinan para producir un haz resultante (C). Si los haces reflejados están en fase (como en la primera figura), el haz resultante es relativamente fuerte. Si, por el contrario, los haces reflejados tienen fases opuestas, el haz resultante se atenuará (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 haz A es un múltiplo entero impar de la mitad de la longitud de onda de la luz en la película, los haces interfieren destructivamente (como en la segunda figura). Por tanto, la película que se muestra en estas figuras se refleja con más fuerza en la longitud de onda del haz de luz de la primera figura y menos intensamente en la del haz de la segunda figura.

Ejemplos

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

Burbuja de jabón

Luz incidente sobre una película de jabón en el aire.

En el caso de una pompa de jabón , la luz viaja a través del aire e incide sobre 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 aire-película) 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 superior de la película de aire continuará hasta la interfaz inferior de la película de aire, donde puede reflejarse o transmitirse. La reflexión que ocurre en este límite no cambiará la fase de la onda reflejada porque . La condición de interferencia para una pompa de jabón es la siguiente: ${\displaystyle n_{\rm {air}}=1}$ ${\displaystyle n_{\rm {film}}>1}$ ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {film}}}$ ${\displaystyle n_{\rm {film}}>n_{\rm {air}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {film}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ para la interferencia constructiva de la luz reflejada

${\displaystyle 2n_{\rm {film}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ para interferencias destructivas 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. ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle n_{\rm {film}}}$ ${\displaystyle \theta _{2}}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle \lambda }$

película de aceite

Incidencia de luz sobre una película de aceite sobre el agua.

En el caso de una fina película de aceite, una capa de aceite se asienta sobre una capa de agua. El petróleo 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 cambio tras la reflexión desde el límite inferior porque . Las ecuaciones de interferencia serán las mismas. ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {water}}<n_{\rm {oil}}}$ ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {oil}}}$ ${\displaystyle n_{\rm {oil}}>n_{\rm {water}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {oil}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ para la interferencia constructiva de la luz reflejada

${\displaystyle 2n_{\rm {oil}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ para interferencias destructivas de la luz reflejada

Recubrimientos antirreflectantes

Luz incidente sobre un revestimiento antirreflectante sobre vidrio.

Un revestimiento antirreflectante elimina la luz reflejada y maximiza la luz transmitida en un sistema óptico. Una película está diseñada de manera que la luz reflejada produce interferencia destructiva y la luz transmitida produce interferencia constructiva para una longitud de onda de luz determinada. En la implementación más simple de dicho recubrimiento, la película se crea de modo 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. ${\displaystyle dn_{\rm {coating}}}$

${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}}$

${\displaystyle d=\lambda /(4n_{\rm {coating}})}$

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: ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}}$ ${\displaystyle n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {coating}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ por interferencia constructiva

${\displaystyle 2n_{\rm {coating}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ 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 sobre la película con 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. ${\displaystyle dn_{\rm {coating}}}$ ${\displaystyle (\theta _{2}=0)}$

Para estas películas la interferencia de la luz transmitida es absolutamente beneficiosa.

En naturaleza

La coloración estructural debida a capas de películas delgadas es común en el mundo natural. Las alas de muchos insectos actúan como películas delgadas debido a su mínimo espesor. 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 misma no está cubierta por escamas pigmentadas, como es el caso de las manchas azules en las alas de la mariposa Aglais io ^{. [1]} El aspecto brillante de las flores del ranúnculo se debe también a una fina película ^{[2] [3],} así como a las brillantes plumas del pecho del ave del paraíso . ^[4]

• 
  Las manchas azules en las alas de la mariposa pavo real europea ( Aglais io ) se deben a la interferencia de una película delgada. ^[1]
• 
  El brillo de las flores de ranúnculo se debe a la interferencia de una película fina. ^[2]

Aplicaciones

Una ventana óptica con revestimiento antirreflectante . En un ángulo de 45°, el recubrimiento es ligeramente más grueso con respecto a 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 cual fue diseñado este recubrimiento, casi no se observa reflexión.

Las películas delgadas se utilizan comercialmente en revestimientos antirreflectantes, espejos y filtros ópticos. Se pueden diseñar para controlar la cantidad de luz reflejada o transmitida en una superficie para una longitud de onda determinada. Un etalon de Fabry-Pérot aprovecha la interferencia de una película delgada para elegir selectivamente 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 deposición química de vapor y diversas técnicas de deposición física 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 recoger la luz. Los efectos de la interferencia de películas delgadas también se pueden observar en las mareas negras y las burbujas de jabón. El espectro de reflectancia de una película delgada presenta distintas oscilaciones y los extremos del espectro se pueden usar para calcular el espesor de la película delgada. ^[1]

La elipsometría es una técnica que se utiliza a menudo para medir propiedades de películas delgadas. En un experimento típico de elipsometría, la luz polarizada se refleja en la superficie de una película y se mide mediante un detector. Se mide la relación de reflectancia compleja, , del sistema. Luego se realiza un análisis de modelo en el que esta información se utiliza para determinar los espesores de las capas de película y los índices de refracción. ${\displaystyle \rho }$

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 cambian cuando se estimulan.

Historia

Los colores templados se producen cuando se calienta el acero y se forma una fina película de óxido de hierro en la superficie. El color indica la temperatura que alcanzó el acero, lo que convirtió a este 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 películas delgadas es un fenómeno comúnmente observado en la naturaleza y 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 de las plumas de pavo real era causada por finas capas alternas de placa y aire. En 1704, Isaac Newton afirmó 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 finas. ^[5] En 1801, Thomas Young proporcionó la primera explicación de la interferencia constructiva y destructiva. La contribución de Young pasó en gran medida desapercibida hasta el trabajo de Augustin Fresnel , quien ayudó a establecer la teoría ondulatoria de la luz en 1816. ^[6] Sin embargo, se pudo dar muy poca explicación de la iridiscencia hasta la década de 1870, cuando James Maxwell y Heinrich Hertz ayudaron a Explicar la naturaleza electromagnética de la luz . ^[5] Después de la invención del interferómetro de Fabry-Perot , en 1899, los mecanismos de interferencia de películas delgadas pudieron demostrarse a mayor escala. ^[6]

En gran parte de los primeros trabajos, los científicos intentaron explicar la iridiscencia, en animales como los pavos reales y los 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 ". ^[5] En 1923, CW Mason observó que las bárbulas de la pluma de pavo real estaban hechas de capas muy finas. Algunas de estas capas estaban coloreadas mientras que otras eran transparentes. Se dio cuenta de 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. ^[7]

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 películas delgadas como explicación de la iridiscencia. El primer examen de plumas iridiscentes mediante un microscopio electrónico se produjo en 1939 y reveló estructuras complejas de películas delgadas, mientras que un examen de la mariposa morfo , en 1942, reveló una serie extremadamente pequeña de estructuras de películas delgadas en la escala nanométrica. ^[5]

La primera producción de recubrimientos de película fina se produjo por casualidad. En 1817, Joseph Fraunhofer descubrió que, deslustrando el vidrio con ácido nítrico , podía reducir los reflejos en la superficie. En 1819, después de observar cómo se evaporaba una capa de alcohol de una lámina de vidrio, Fraunhofer observó que los colores aparecían justo antes de que el líquido se evaporara por completo, deduciendo que cualquier película delgada de material transparente producirá colores. ^[6]

Se lograron pocos avances en la tecnología de recubrimiento de película delgada hasta 1936, cuando John Strong comenzó a evaporar fluorita para fabricar recubrimientos antirreflectantes sobre vidrio. Durante la década de 1930, las mejoras en las bombas de vacío hicieron posibles los métodos de deposición al vacío , como la pulverización catódica . En 1939, Walter H. Geffcken creó los primeros filtros de interferencia utilizando revestimientos dieléctricos . ^[6]

Ver también

• Espectroscopía de interferencia reflectométrica.
• Óptica de película delgada
• Método de matriz de transferencia (óptica)

Referencias

1. Stavenga, Director General (2014). "La película delgada y la óptica multicapa provocan colores estructurales de muchos insectos y aves". Materiales hoy: actas . 1 : 109-121. doi :10.1016/j.matpr.2014.09.007.
2. Van Der Kooi, CJ; Elzenga, JTM; Dijksterhuis, J.; Stavenga, DG (2017). "Óptica funcional de flores de botón de oro brillantes". Revista de la interfaz de la Royal Society . 14 (127): 20160933. doi :10.1098/rsif.2016.0933. PMC 5332578 . PMID  28228540. 
3. Van Der Kooi, CJ; Marchitez, BD; Leertouwer, HL; Staal, M.; Elzenga, JTM; Stavenga, DG (2014). "¿Flores iridiscentes? Contribución de las estructuras superficiales a la señalización óptica" (PDF) . Nuevo fitólogo . 203 (2): 667–73. doi : 10.1111/nph.12808 . PMID  24713039.
4. Stavenga, director general; Leertouwer, HL; Marshall, Nueva Jersey; Osorio, D. (2010). "Cambios de color dramáticos en un ave del paraíso causados ​​por bárbulas de plumas del pecho con una estructura única". Actas de la Royal Society B: Ciencias Biológicas . 278 (1715): 2098–104. doi :10.1098/rspb.2010.2293. PMC 3107630 . PMID  21159676. 
5. Colores estructurales en el reino de la naturaleza Por Shūichi Kinoshita - World Scientific Publishing 2008 páginas 3–6
6. Filtros ópticos de película delgada Por Hugh Angus Macleod - Institute of Physics Publishing 2001 Páginas 1–4
7. Colores estructurales en el reino de la naturaleza Por Shūichi Kinoshita - World Scientific Publishing 2008 Páginas 165-167

Otras lecturas

• Fowles, Grant R. (1989), "Interferencia de haces múltiples", Introducción a la óptica moderna , Dover
• Greivenkamp, ​​John (1995), "Interferencia", Manual de óptica , McGraw-Hill
• Hecht, Eugene (2002), "Interferencia", Óptica , Addison Wesley
• Knittl, Zdeněk (1976), Óptica de películas delgadas; Una teoría óptica multicapa , Wiley, Bibcode : 1976otf..libro.....K
• DG Stavenga, La película delgada y la óptica multicapa causan colores estructurales en muchos insectos y aves. Materiales hoy: Actas, 1S, 109 – 121 (2014).