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 película delgada 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 que se esconde detrás de la acción de los revestimientos antirreflejos que se utilizan en los anteojos y las lentes de las cámaras . Si el espesor de la película es mucho mayor que la longitud de coherencia de la luz incidente, el patrón de interferencia se difuminará debido al ancho de línea de la fuente de luz.

El reflejo de una película delgada no suele ser una longitud de onda individual como la que produce una rejilla de difracción o un prisma , sino una mezcla de varias longitudes de onda. Por lo tanto, los colores observados rara vez son los del arcoíris, sino más bien marrones, dorados, turquesas, verde azulado, azules brillantes, púrpuras 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 los revestimientos antirreflejos , los espejos y los filtros ópticos .

Teoría

Demostración de la diferencia de longitud del recorrido óptico para la luz reflejada desde los límites superior e inferior de una película delgada.

Interferencia de película delgada causada por el revestimiento descongelante ITO en una ventana de cabina de Airbus .

En óptica, una película delgada es una capa de material con un espesor que va desde el subnanómetro hasta el micrones . Cuando la luz incide sobre la superficie de una película, se transmite o se refleja en la superficie superior. La luz que se transmite alcanza 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 desde 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 espesor de la capa de película, el índice de refracción de la película y el ángulo de incidencia de la onda original sobre la película. Además, se puede introducir un cambio de fase de 180° o radianes al reflejarse en un límite, dependiendo de los índices de refracción de los materiales a cada lado del límite. Este cambio de fase se produce si el índice de refracción del medio a través del cual viaja la luz es menor que el índice de refracción del material que incide. En otras palabras, si la luz viaja desde el material 1 al material 2, se produce un cambio de fase al reflejarse. El patrón de luz que resulta de esta interferencia puede aparecer como bandas claras y oscuras o como bandas de colores, según la fuente de la luz incidente. ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle n_{1}<n_{2}}$

Considere la luz que incide sobre una película delgada y se refleja en los límites superior e inferior. Se debe calcular la diferencia de trayectoria óptica (OPD) de la luz reflejada para determinar la condición de interferencia. En referencia al diagrama de rayos anterior, la OPD entre las dos ondas es la 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 los posibles cambios de fase que ocurren durante la reflexión.

Fuente monocromática

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

Cuando la luz incidente es monocromática por naturaleza, 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 una ubicación a otra, 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 la 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. Las diferentes longitudes de onda de la luz crean interferencias constructivas para diferentes espesores de película. Las diferentes regiones de la película aparecen en diferentes colores según el espesor de la película local.

Interacción de fases

Interacción de la fase constructiva

Interacción de fase destructiva

Las figuras muestran dos haces de luz incidentes (A y B). Cada haz produce un haz reflejado (línea discontinua). 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 fase opuesta, el haz 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 misma. 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 de manera constructiva (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 se muestra en la segunda figura). Por lo tanto, la película que se muestra en estas figuras refleja con mayor intensidad en la longitud de onda del haz de luz de la primera figura y con menor intensidad 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 del medio de la película. En los ejemplos que aparecen a continuación se explican con más detalle las distintas configuraciones posibles de la película y las ecuaciones relacionadas.

Burbuja de jabón

Luz incidente sobre una película de jabón en el aire

En el caso de una burbuja de jabón , la luz viaja a través del aire y choca contra 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 aire-película continuará hasta la interfaz inferior película-aire 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 burbuja 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

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

Película de aceite

Luz incidente sobre una película de aceite en el agua

En el caso de una película delgada de aceite, una capa de aceite se encuentra 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 burbuja de jabón, los materiales a ambos lados de la película de aceite (aire y agua) tienen ambos índices de refracción que son menores que el índice de la película. . Habrá un cambio de fase en la reflexión desde el límite superior porque pero no hay cambio en la reflexión desde el límite inferior porque . Las ecuaciones para la 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

${\displaystyle 2n_{\rm {oil}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ por interferencia destructiva de la luz reflejada

Recubrimientos antirreflejos

Luz incidente sobre un revestimiento antirreflejo sobre vidrio

Un revestimiento antirreflejo elimina la luz reflejada y maximiza la luz transmitida en un sistema óptico. Una película está diseñada de tal manera que la luz reflejada produce interferencia destructiva y la luz transmitida produce interferencia constructiva para una longitud de onda de luz dada. En la implementación más simple de un revestimiento de este tipo, la película se crea de manera que su espesor óptico sea un cuarto de la 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° por reflexión en las interfaces superior e inferior de la película porque y . Las ecuaciones para la interferencia de la luz reflejada son: ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}}$ ${\displaystyle n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}}$

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

${\displaystyle 2n_{\rm {coating}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ para interferencia destructiva

Si el espesor óptico es igual a un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente y si la luz incide sobre la película con una incidencia normal , las ondas reflejadas estarán completamente desfasadas e interferirán destructivamente. Es posible reducir aún más la reflexión añadiendo más capas, cada una diseñada para coincidir con una longitud de onda de luz específica. ${\displaystyle dn_{\rm {coating}}}$ ${\displaystyle (\theta _{2}=0)}$

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

En la naturaleza

La coloración estructural debida a capas de película delgada 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 en sí no está cubierta por escamas alares pigmentadas, lo que es el caso de las manchas azules del ala de la mariposa Aglais io . ^[1] El aspecto brillante de las flores de ranúnculo también se debe a una película delgada ^{[2] [3]} así como las plumas brillantes 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 del ranúnculo se debe a la interferencia de una película fina. ^[2]

Aplicaciones

Una ventana óptica con revestimiento antirreflejo . En un ángulo de 45°, el revestimiento 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 revestimiento, casi no se observan reflejos.

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 Fabry-Pérot aprovecha la interferencia de la película delgada para elegir de forma selectiva qué longitudes de onda de luz se permiten transmitir a través del dispositivo. Estas películas se crean mediante procesos de deposición en los que se añade material a un sustrato de forma controlada. Los métodos incluyen la deposición química en fase de vapor y varias técnicas de deposición física en fase de vapor .

También se encuentran películas delgadas en la naturaleza. Muchos animales tienen una capa de tejido detrás de la retina , el tapetum lucidum , que ayuda a captar la luz. Los efectos de la interferencia de las películas delgadas también se pueden ver en manchas de petróleo y burbujas de jabón. El espectro de reflectancia de una película delgada presenta oscilaciones distintivas y los extremos del espectro se pueden utilizar para calcular el espesor de la película delgada. ^[1]

La elipsometría es una técnica que se utiliza a menudo para medir las propiedades de las 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. A continuación, se realiza un análisis del modelo, en el que la información se utiliza para determinar los espesores de las capas de la 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 estos cambian cuando se estimulan.

Historia

Los colores de templado se producen cuando el acero se calienta y se forma una fina película de óxido de hierro sobre la superficie. El color indica la temperatura que alcanzó el acero, lo que hizo de este uno de los primeros usos prácticos de la interferencia de película fina.

Colores de interferencia iridiscentes en una película de aceite

La iridiscencia causada por la interferencia de película delgada es un fenómeno que se observa comúnmente 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 en las plumas de pavo real era causada por capas delgadas y alternas de placa y aire. En 1704, Isaac Newton afirmó en su libro, Opticks , que la iridiscencia en una pluma de pavo real se debía al hecho de que las capas transparentes en la pluma eran muy delgadas. ^[5] 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. ^[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 Fabry-Perot , en 1899, los mecanismos de interferencia de película delgada 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, que él denominó " colores estructurales ". ^[5] En 1923, CW Mason notó que las bárbulas en la pluma del pavo real estaban hechas de capas muy delgadas. Algunas de estas capas estaban coloreadas mientras que otras eran transparentes. Notó que al presionar la bárbula, el color cambiaba hacia el azul, mientras que al hincharla con un químico lo cambiaba 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 película delgada como una explicación de la iridiscencia. El primer examen de plumas iridiscentes con un microscopio electrónico se produjo 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. ^[5]

La primera producción de recubrimientos de película delgada se produjo por pura casualidad. En 1817, Joseph Fraunhofer descubrió que, al empañar 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 produciría colores. ^[6]

La tecnología de recubrimiento de película delgada avanzó poco hasta 1936, cuando John Strong comenzó a evaporar 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 . ^[6]

Véase también

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

Referencias

1. Stavenga, DG (2014). "La óptica multicapa y de película delgada causa colores estructurales en muchos insectos y aves". Materials Today: Proceedings . 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, DG; Leertouwer, HL; Marshall, NJ; Osorio, D. (2010). "Cambios dramáticos de color en un ave del paraíso causados ​​por bárbulas de plumas del pecho con 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 Página 165-167

Lectura adicional

• 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..book.....K
• DG Stavenga, La óptica de película delgada y multicapa causa colores estructurales en muchos insectos y aves. Materiales actuales: Actas, 1S, 109 – 121 (2014).