Interferência de filme fino - Thin-film interference

Um padrão de interferência colorido é observado quando a luz é refletida dos limites superior e inferior de uma fina película de óleo. As diferentes bandas se formam à medida que a espessura do filme diminui a partir de um ponto de escoamento central.

Cores em luz refletida de uma bolha de sabão

Um acoplador de saída de laser é revestido com muitos filmes empilhados, para atingir uma refletividade de 80% a 550 nm. Esquerda: O espelho é altamente refletivo para amarelo e verde, mas altamente transmissivo para vermelho e azul. À direita: o espelho transmite 25% da luz do laser de 589 nm.

A interferência de filme fino é um fenômeno natural no qual as ondas de luz refletidas pelos limites superior e inferior de um filme fino interferem entre si, aumentando ou reduzindo a luz refletida . Quando a espessura do filme é um múltiplo ímpar de um quarto do comprimento de onda da luz sobre ele, as ondas refletidas de ambas as superfícies interferem e se cancelam. Como a onda não pode ser refletida, ela é completamente transmitida . Quando a espessura é um múltiplo de meio comprimento de onda da luz, as duas ondas refletidas se reforçam, aumentando a reflexão e reduzindo a transmissão. Assim, quando a luz branca, que consiste em uma faixa de comprimentos de onda, incide no filme, certos comprimentos de onda (cores) são intensificados enquanto outros são atenuados . A interferência de filme fino explica as várias cores vistas na luz refletida por bolhas de sabão e filmes de óleo na água . É também o mecanismo por trás da ação de revestimentos anti-reflexo usados ​​em óculos e lentes de câmeras .

A verdadeira espessura do filme depende de seu índice de refração e do ângulo de incidência da luz. A velocidade da luz é mais lenta em um meio de índice mais alto; assim, um filme é fabricado em proporção ao comprimento de onda à medida que passa pelo filme. Em um ângulo normal de incidência, a espessura será normalmente um quarto ou meio múltiplo do comprimento de onda central, mas em um ângulo oblíquo de incidência, a espessura será igual ao cosseno do ângulo nas posições de quarto ou meio comprimento de onda, que é responsável pela mudança de cores à medida que o ângulo de visão muda. (Para qualquer espessura, a cor mudará de um comprimento de onda mais curto para um mais longo conforme o ângulo muda de normal para oblíquo.) Esta interferência construtiva / destrutiva produz larguras de banda estreitas de reflexão / transmissão, então as cores observadas raramente são comprimentos de onda separados, como produzido por uma rede de difração ou prisma , mas uma mistura de vários comprimentos de onda ausentes de outros no espectro. Portanto, as cores observadas raramente são as do arco-íris, mas marrons, dourados, turquesas, azul-petróleo, azuis brilhantes, roxos e magentas. Estudar a luz refletida ou transmitida por um filme fino pode revelar informações sobre a espessura do filme ou o índice de refração efetivo do meio de filme. Filmes finos têm muitas aplicações comerciais, incluindo revestimentos anti-reflexo , espelhos e filtros ópticos .

Teoria

Demonstração da diferença de comprimento do caminho óptico para a luz refletida dos limites superior e inferior de um filme fino.

Interferência de filme fino causada por revestimento de degelo ITO em uma janela da cabine do Airbus .

Em ótica, um filme fino é uma camada de material com espessura na faixa de sub- nanômetro a mícron . Quando a luz atinge a superfície de um filme, ela é transmitida ou refletida na superfície superior. A luz que é transmitida atinge a superfície inferior e pode mais uma vez ser transmitida ou refletida. As equações de Fresnel fornecem uma descrição quantitativa de quanto da luz será transmitida ou refletida em uma interface. A luz refletida das superfícies superior e inferior irá interferir. O grau de interferência construtiva ou destrutiva entre as duas ondas de luz depende da diferença em sua fase. Essa diferença, por sua vez, depende da espessura da camada do filme, do índice de refração do filme e do ângulo de incidência da onda original no filme. Além disso, um deslocamento de fase de 180 ° ou radianos pode ser introduzido após reflexão em um limite, dependendo dos índices de refração dos materiais em ambos os lados do limite. Esta mudança de fase ocorre se o índice de refração do meio através do qual a luz está viajando for menor do que o índice de refração do material que está impactando. Em outras palavras, se e a luz estiver viajando do material 1 para o material 2, ocorre uma mudança de fase na reflexão. O padrão de luz que resulta dessa interferência pode aparecer como faixas claras e escuras ou como faixas coloridas, dependendo da fonte da luz incidente. ${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle n_ {1} <n_ {2}}$

Considere a luz incidente em um filme fino e refletida pelos limites superior e inferior. A diferença do caminho óptico (OPD) da luz refletida deve ser calculada para determinar a condição de interferência. Referindo-se ao diagrama de raios acima, o OPD entre as duas ondas é o seguinte:

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

Onde,

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

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

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

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

A interferência será construtiva se a diferença do caminho óptico for igual a um múltiplo inteiro do comprimento de onda da luz ,. ${\ displaystyle \ lambda}$

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

Esta condição pode mudar depois de considerar possíveis mudanças de fase que ocorrem durante a reflexão.

Fonte monocromática

A gasolina na água mostra um padrão de franjas claras e escuras quando iluminada com luz laser de 589 nm.

Onde a luz incidente é monocromática por natureza, os padrões de interferência aparecem como faixas claras e escuras. As bandas claras correspondem a regiões nas quais a interferência construtiva está ocorrendo entre as ondas refletidas e as bandas escuras correspondem às regiões de interferência destrutiva. Como a espessura do filme varia de um local para outro, a interferência pode mudar de construtiva para destrutiva. Um bom exemplo desse fenômeno, denominado " anéis de Newton " , demonstra o padrão de interferência que resulta quando a luz é refletida de uma superfície esférica adjacente a uma superfície plana. Anéis concêntricos são observados quando a superfície é iluminada com luz monocromática. Este fenômeno é usado com planos ópticos para medir a forma e o nivelamento das superfícies.

Fonte de banda larga

Se a luz incidente for de banda larga ou branca, como a luz do sol, os padrões de interferência aparecem como faixas coloridas. Diferentes comprimentos de onda de luz criam interferência construtiva para diferentes espessuras de filme. Diferentes regiões do filme aparecem em cores diferentes dependendo da espessura local do filme.

Interação de fase

Interação de fase construtiva

Interação de fase destrutiva

As figuras mostram dois feixes de luz incidentes (A e B). Cada feixe produz um feixe refletido (tracejado). As reflexões de interesse são a reflexão do feixe A da superfície inferior e a reflexão do feixe B da superfície superior. Esses feixes refletidos se combinam para produzir um feixe resultante (C). Se os feixes refletidos estão em fase (como na primeira figura), o feixe resultante é relativamente forte. Se, por outro lado, os feixes refletidos têm fase oposta, o feixe resultante é atenuado (como na segunda figura).

A relação de fase dos dois feixes refletidos depende da relação entre o comprimento de onda do feixe A no filme e a espessura do filme. Se a distância total do feixe A percorre no filme é um múltiplo inteiro do comprimento de onda do feixe no filme, então os dois feixes refletidos estão em fase e interferem construtivamente (como mostrado na primeira figura). Se a distância percorrida pelo feixe A for um múltiplo inteiro ímpar da metade do comprimento de onda da luz no filme, os feixes interferem destrutivamente (como na segunda figura). Assim, o filme mostrado nessas figuras reflete mais fortemente no comprimento de onda do feixe de luz na primeira figura, e menos fortemente no do feixe na segunda figura.

Exemplos

O tipo de interferência que ocorre quando a luz é refletida de um filme fino depende do comprimento de onda e do ângulo da luz incidente, da espessura do filme, dos índices de refração do material em ambos os lados do filme e do índice do meio de filme. Várias configurações de filme possíveis e as equações relacionadas são explicadas em mais detalhes nos exemplos abaixo.

Bolha de sabão

Interferência de filme fino em uma bolha de sabão. A cor varia com a espessura do filme.

Incidente de luz em uma película de sabão no ar

No caso de uma bolha de sabão , a luz viaja pelo ar e atinge uma película de sabão. O ar tem um índice de refração de 1 ( ) e o filme tem um índice maior que 1 ( ). A reflexão que ocorre no limite superior do filme (o limite ar-filme) irá introduzir uma mudança de fase de 180 ° na onda refletida porque o índice de refração do ar é menor que o índice do filme ( ). A luz que é transmitida na interface ar-filme superior continuará para a interface ar-filme inferior, onde pode ser refletida ou transmitida. A reflexão que ocorre neste limite não mudará a fase da onda refletida porque . A condição para interferência de uma bolha de sabão é a seguinte: ${\ displaystyle n _ {\ rm {air}} = 1}$${\ displaystyle n _ {\ rm {film}}> 1}$${\ displaystyle n _ {\ rm {air}} <n _ {\ rm {filme}}}$${\ displaystyle n _ {\ rm {film}}> n _ {\ rm {air}}}$

${\ displaystyle 2n _ {\ rm {film}} d \ cos (\ theta _ {2}) = \ left (m - {\ frac {1} {2}} \ right) \ lambda}$  para interferência construtiva de luz refletida

${\ displaystyle 2n _ {\ rm {film}} d \ cos {\ big (} \ theta _ {2}) = m \ lambda}$  para interferência destrutiva da luz refletida

Onde está a espessura do filme, é o índice de refração do filme, é o ângulo de incidência da onda no limite inferior, é um número inteiro e é o comprimento de onda da luz. ${\ displaystyle d}$${\ displaystyle n _ {\ rm {film}}}$${\ displaystyle \ theta _ {2}}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle \ lambda}$

Filme de óleo

Incidente de luz em um filme de óleo na água

No caso de uma película fina de óleo, uma camada de óleo fica sobre uma camada de água. O óleo pode ter um índice de refração próximo a 1,5 e a água um índice de 1,33. Como no caso da bolha de sabão, os materiais de cada lado do filme de óleo (ar e água) têm índices de refração menores que o índice do filme. . Haverá uma mudança de fase após reflexão do limite superior porque, mas nenhuma mudança após reflexão do limite inferior porque . As equações para interferência serão as mesmas. ${\ displaystyle n _ {\ rm {ar}} <n _ {\ rm {água}} <n _ {\ rm {óleo}}}$${\ displaystyle n _ {\ rm {ar}} <n _ {\ rm {óleo}}}$${\ displaystyle n _ {\ rm {óleo}}> n _ {\ rm {água}}}$

${\ displaystyle 2n _ {\ rm {oil}} d \ cos (\ theta _ {2}) = \ left (m - {\ frac {1} {2}} \ right) \ lambda}$  para interferência construtiva de luz refletida

${\ displaystyle 2n _ {\ rm {óleo}} d \ cos {\ big (} \ theta _ {2}) = m \ lambda}$  para interferência destrutiva da luz refletida

Revestimentos anti-reflexo

Incidente de luz em um revestimento anti-reflexo de vidro

Um revestimento anti-reflexo elimina a luz refletida e maximiza a luz transmitida em um sistema óptico. Um filme é projetado de forma que a luz refletida produza interferência destrutiva e a luz transmitida produz interferência construtiva para um determinado comprimento de onda de luz. Na implementação mais simples de tal revestimento, o filme é criado de modo que sua espessura óptica seja um quarto do comprimento de onda da luz incidente e seu índice de refração seja maior que o índice do ar e menor que o índice do vidro. ${\ displaystyle dn _ {\ rm {revestimento}}}$

${\ displaystyle n _ {\ rm {air}} <n _ {\ rm {revestimento}} <n _ {\ rm {vidro}}}$

${\ displaystyle d = \ lambda / (4n _ {\ rm {revestimento}})}$

Uma mudança de fase de 180 ° será induzida após a reflexão nas interfaces superior e inferior do filme porque e . As equações para interferência da luz refletida são: ${\ displaystyle n _ {\ rm {air}} <n _ {\ rm {revestimento}}}$${\ displaystyle n _ {\ rm {revestimento}} <n _ {\ rm {vidro}}}$

${\ displaystyle 2n _ {\ rm {revestimento}} d \ cos {\ big (} \ theta _ {2}) = m \ lambda}$  para interferência construtiva

${\ displaystyle 2n _ {\ rm {revestimento}} d \ cos (\ theta _ {2}) = \ left (m - {\ frac {1} {2}} \ right) \ lambda}$  para interferência destrutiva

Se a espessura óptica for igual a um quarto do comprimento de onda da luz incidente e se a luz atingir o filme na incidência normal , as ondas refletidas ficarão completamente defasadas e interferirão destrutivamente. É possível reduzir ainda mais a reflexão adicionando mais camadas, cada uma projetada para corresponder a um comprimento de onda de luz específico. ${\ displaystyle dn _ {\ rm {revestimento}}}$${\ displaystyle (\ theta _ {2} = 0)}$

A interferência da luz transmitida é completamente construtiva para esses filmes.

Na natureza

A coloração estrutural devido às camadas de filme fino é comum no mundo natural. As asas de muitos insetos agem como películas finas por causa de sua espessura mínima. Isso é claramente visível nas asas de muitas moscas e vespas. Nas borboletas, a ótica de película fina é visível quando a própria asa não está coberta por escamas pigmentadas, como é o caso das manchas azuis das asas da borboleta Aglais io . A aparência brilhante das flores do botão de ouro também se deve a uma película fina, assim como as penas brilhantes do peito da ave do paraíso .

• 

  As manchas azuis das asas da borboleta Aglais io são devido à interferência de película fina.

• 

  O brilho das flores de botão de ouro é devido à interferência de película fina.

Formulários

Uma janela ótica revestida com anti-reflexo . Em um ângulo de 45 °, o revestimento é ligeiramente mais espesso em relação à luz incidente, fazendo com que o comprimento de onda central mude para o vermelho e os reflexos apareçam na extremidade violeta do espectro. A 0 °, para o qual este revestimento foi projetado, quase nenhuma reflexão é observada.

Filmes finos são usados ​​comercialmente em revestimentos anti-reflexo, espelhos e filtros ópticos. Eles podem ser projetados para controlar a quantidade de luz refletida ou transmitida em uma superfície para um determinado comprimento de onda. Um Fabry-Pérot etalon aproveita a interferência de filme fino para escolher seletivamente quais comprimentos de onda de luz podem transmitir através do dispositivo. Esses filmes são criados por meio de processos de deposição nos quais o material é adicionado a um substrato de maneira controlada. Os métodos incluem deposição química de vapor e várias técnicas físicas de deposição de vapor .

Filmes finos também são encontrados na natureza. Muitos animais possuem uma camada de tecido atrás da retina , o Tapetum lucidum , que auxilia na coleta de luz. Os efeitos da interferência de filme fino também podem ser vistos em manchas de óleo e bolhas de sabão. O espectro de refletância de um filme fino apresenta oscilações distintas e os extremos do espectro podem ser usados ​​para calcular a espessura do filme fino.

A elipsometria é uma técnica frequentemente usada para medir propriedades de filmes finos. Em um experimento típico de elipsometria, a luz polarizada é refletida em uma superfície de filme e medida por um detector. A relação de refletância complexa,, do sistema é medida. Em seguida, é realizada uma análise de modelo em que esta informação é usada para determinar as espessuras da camada de filme e os índices de refração. ${\ displaystyle \ rho}$

A interferometria de polarização dupla é uma técnica emergente para medir o índice de refração e a espessura de filmes finos em escala molecular e como eles mudam quando estimulados.

História

As cores de têmpera são produzidas quando o aço é aquecido e uma fina película de óxido de ferro se forma na superfície. A cor indica a temperatura que o aço atingiu, o que tornou este um dos primeiros usos práticos da interferência de película fina.

Cores de interferência iridescentes em um filme de óleo

A iridescência causada por interferência de película fina é um fenômeno comumente observado na natureza, sendo encontrada em uma variedade de plantas e animais. Um dos primeiros estudos conhecidos desse fenômeno foi conduzido por Robert Hooke em 1665. Na Micrographia , Hooke postulou que a iridescência nas penas do pavão era causada por finas camadas alternadas de placa e ar. Em 1704, Isaac Newton afirmou em seu livro, Opticks , que a iridescência em uma pena de pavão era devido ao fato de que as camadas transparentes na pena eram tão finas. Em 1801, Thomas Young forneceu a primeira explicação da interferência construtiva e destrutiva. A contribuição de Young passou despercebida até o trabalho de Augustin Fresnel , que ajudou a estabelecer a teoria das ondas da luz em 1816. No entanto, muito pouca explicação poderia ser feita sobre a iridescência até a década de 1870, quando James Maxwell e Heinrich Hertz ajudaram a explicar o eletromagnético natureza da luz . Após a invenção do interferômetro de Fabry-Perot , em 1899, os mecanismos de interferência de filme fino puderam ser demonstrados em maior escala.

Em muitos dos primeiros trabalhos, os cientistas tentaram explicar a iridescência, em animais como pavões e escaravelhos , como alguma forma de cor de superfície, como uma tinta ou pigmento que pode alterar a luz quando refletida de diferentes ângulos. Em 1919, Lord Rayleigh propôs que as cores brilhantes e mutáveis ​​não eram causadas por tintas ou pigmentos, mas por estruturas microscópicas, que ele chamou de " cores estruturais ". Em 1923, CW Mason observou que as bárbulas na pena do pavão eram feitas de camadas muito finas. Algumas dessas camadas eram coloridas, enquanto outras eram transparentes. Ele percebeu que pressionar a bárbula mudaria a cor para o azul, enquanto inchar com uma substância química mudaria para o vermelho. Ele também descobriu que o branqueamento dos pigmentos das penas não remove a iridescência. Isso ajudou a dissipar a teoria da cor da superfície e a reforçar a teoria da cor estrutural.

Em 1925, Ernest Merritt , em seu artigo Um Estudo Espectrofotométrico de Certos Casos de Cor Estrutural , descreveu pela primeira vez o processo de interferência de película fina como uma explicação para a iridescência. O primeiro exame de penas iridescentes por um microscópio eletrônico ocorreu em 1939, revelando estruturas de filme fino complexas, enquanto um exame da borboleta morfo , em 1942, revelou um conjunto extremamente pequeno de estruturas de filme fino na escala nanométrica.

A primeira produção de revestimentos de película fina ocorreu quase por acidente. Em 1817, Joseph Fraunhofer descobriu que, ao embaçar o vidro com ácido nítrico , ele poderia reduzir os reflexos na superfície. Em 1819, depois de ver uma camada de álcool evaporar de uma lâmina de vidro, Fraunhofer notou que as cores apareciam pouco antes de o líquido evaporar completamente, deduzindo que qualquer película fina de material transparente produziria cores.

Poucos avanços foram feitos na tecnologia de revestimento de película fina até 1936, quando John Strong começou a evaporar a fluorita para fazer revestimentos anti-reflexo no vidro. Durante a década de 1930, as melhorias nas bombas de vácuo possibilitaram os métodos de deposição a vácuo , como a pulverização catódica . Em 1939, Walter H. Geffcken criou os primeiros filtros de interferência usando revestimentos dielétricos .

Veja também

• Espectroscopia de interferência refletométrica
• Óptica de filme fino
• Método da matriz de transferência (ótica)

Referências

Leitura adicional

• Fowles, Grant R. (1989), "Multiple-Beam Interference", Introduction to Modern Optics , Dover
• Greivenkamp, ​​John (1995), "Interference", Handbook of Optics , McGraw – Hill
• Hecht, Eugene (2002), "Interference", Optics , Addison Wesley
• Knittl, Zdeněk (1976), Optics of Thin Films; An Optical Multilayer Theory , Wiley, Bibcode : 1976otf..book ..... K
• DG Stavenga, Filme fino e ótica de multicamadas causam cores estruturais de muitos insetos e pássaros Materiais hoje: Proceedings, 1S, 109 - 121 (2014).