Interferencja na cienkim pokrywce: skąd pochodzi barwy bąblów kwasu miedziowego

Dwa odbicia, jedna wzór interferencyjny

Film z mydła lub błyskawica olejnej jest wystarczająco cienki, aby światło uderzające w nie wygenerowało dwa oddzielne strumienie odbite: jeden odskakujący prosto od powierzchni górnej, a drugi przechodzący przez film, odskakujący od powierzchni dolnej i wracający do przodu. Ponieważ oba strumienie pochodzą z tej samej wejściowej fali i kończą podróż w tym samym kierunku ku twoim oczom, nawiązują one interferencję. Czy ta interferencja jest konstruktywna (jasna) czy destruktorna (ciemna, lub brak tej barwy) zależy wyłącznie od dodatkowej drogi, którą przebywa drugie strumienie wewnątrz filmu, w porównaniu do długości fali światła.

Bo ta różnica ścieżek zależy od długości fali, różne kolory światła białego konstruktynają interferencję na różnych grubościach filmu. Film o jednej dokładnej grubości zasili czerwone i anuluje niebieskie; lekko grubszy lub delikatniej skąpany obszar zasila inny kolor — dokładnie taką same spiralną wzór tęczy widzisz na powierzchni bąblu mydłowego, gdzie grubość filmu ciągle się zmienia w wyniku grawitacji i ekspansiografii.

Odcinek ścieżki optycznej i przesunięcie połowy długości fali

Warunek na konstruktywną lub destruktystyczną interferencję zależy od indeksu przenikania n folii, jej fizycznej grubości t oraz kąta odbicia θ światła wewnątrz folii — z dodatkowym elementem, który ciągle sprawia zamieszanie: odbicie na granicy, gdzie indeks przenikania wzrasta, odwraca falę o pół długości fali (tak samo jak fala na sznurku odbijająca się o ścianę, której nie można przepchnąć), podczas gdy odbicie na granicy, gdzie indeks zmniejsza się, tego nie robi. Dla folii zawsze leżącej w powietrzu (niski-wysoki-niski indeks przenikania), tylko odbicie ze strony górnej jest odwracane, więc dwie promienie odbite są już pół długości fali na przemian przed tym, jak żaden z nich przejedzie dodatkową drogę:

odcinek ścieżki optycznej (dodatkowa droga przebyta wewnątrz folii): delta = 2 * n * t * cos(θ) odbicie od jednego z brzegów, które jest odwrotnie przesunięte o pół długości fali (folia zawsze leżąca w powietrzu): konstruktywna (jasna): delta = (m + 1/2) * λ m = 0, 1, 2, ... destruktystyczna (ciemna): delta = m * λ brak odbicia lub dwukrotne odbicie (np. warstwa odpornej na odbłyski na szklu): konstruktywna (jasna): delta = m * λ destruktystyczna (ciemna): delta = (m + 1/2) * λ To jest też przyczyną, dla której folia zawsze wygląda ciemno (nie jasno), prawie na chwilę przed tym, jak się roztrąci: gdy folia staje się cieńsza niż około czwartego najkrótszej widocznej długości fali, odcinek ścieżki z powodu jedynie grubości staje się niewyliczalny, a jedno nieprzyjazne odwrotne przesunięcie pół długości fali wymusza destruktystyczną interferencję dla każdego koloru naraz, więc prawie żaden światło nie odbija się powrotnie — patrzysz prosto przez nią.

optical path difference (extra distance travelled inside the film):

  delta = 2 * n * t * cos(theta)

one reflection flipped by half a wavelength (soap film in air):

  constructive (bright):   delta = (m + 1/2) * lambda      m = 0, 1, 2, ...
  destructive  (dark):     delta =  m * lambda

zero or two flips (e.g. anti-reflection coating on glass):

  constructive (bright):   delta =  m * lambda
  destructive  (dark):     delta = (m + 1/2) * lambda

Lakry antyrefleksowe działają w odwrotnej kolejności

Inżynierowie świadomie zdeponowują cienką warstwę na lustrzach kamer i okularach, wybraną tak, aby indeks przewodzenia miedzy nią a szkłem znajdował się między powietrzem a szklanym, oraz o grubości czwarto-wielokrotności długości fali. Dzięki temu refleks od góry warstwy i refleks od granicy warstwa-szkło anihilują się destruktywnie dla długości fali interesującej (zazwyczaj dostosowanej do środka spektrum widzialnego, zielonożółtego, dlatego lustra z lakrą często pokazują słabe poświecenie purpurowe — pozostają niekompletne, nieanihilowane czerwone i niebieskie). Lakry wielowarstwowe stosują kilka takich filmów dostosowanych do różnych długości fal, aby zminimalizować refleks na prawie całości spektrum widzialnego. Jest to standardowa praktyka w współczesnej optice kamer i teleskopów.

Pętle Newtona i pomiar nanometrów za pomocą widzialnego światła

Naciskając lekko zakończony lustrzany kąt na płaski płytek szklanej, uzyskuje się cienką, wycinkową warstwę powietrza między nimi, której grubość rośnie od punktu styku wzdłuż wyjścia — prześwietlając ją światłem, widzimy skoncentryowane pętle jasne i mroźne, zwane pętlami Newtona, każda z pętli oznaczająca powierzchnię o stałej różnicy ścieżek. Dlategoże światło widzialne ma długość fali około 500 nanometrów, a interferencja jest czuła na różnice ścieżek w proporcji do części tej długości, interferencja cienkich warstw jest jednym z najprecyzyjniejszych i najprostszych sposobów pomiaru bardzo małych grubości i płaskości powierzchni — ten sam zasada, ulepszona do interferometrii laserowej, leży podstawą metrologii precyzyjnej produkcji i, w granicach ekstremalnych, detektorów fal graviacyjnych.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Thin-Film Interference — Soap Bubbles & Oil Slicks i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.