ملاحظات حول تداخل الأغشية الرقيقة: 9 حقائق يجب أن تعرفها

ما هو تدخل الأغشية الرقيقة؟

تعريف تدخل الأغشية الرقيقة :

يشير تداخل الأغشية الرقيقة إلى الظاهرة التي يحدث فيها تداخل لموجات الضوء التي تنعكس من الجانبين العلوي والسفلي للفيلم الرقيق. هذا التداخل قادر على زيادة أو تقليل الضوء المنعكس من الفيلم.

كيف يحدث تداخل الأغشية الرقيقة؟

عمل تدخل غشاء رقيق | شرح تداخل الأغشية الرقيقة

وفقًا للبصريات ، يشير الفيلم الرقيق إلى طبقة رقيقة من مادة لها سمك في نطاقنانومتر إلى ميكرونس. عندما تسقط موجات الضوء على سطح الفيلم الرقيق ، فإن الموجات إما تنعكس عائدة من السطح العلوي للمادة أو تنتقل عبرها. يمكن أن تعاني موجات الضوء التي يمكن أن تنتقل عبر السطح العلوي من الانعكاس أو الإرسال مرة أخرى من السطح السفلي للغشاء الرقيق. كمية الضوء (الوصف الكمي) التي يمكن أن تنعكس أو تنتقل من أسطح المادة تحكمها معادلات فرينل.

في بعض الأحيان ، تتفاعل موجات الضوء التي تنعكس من السطح العلوي أو تتداخل مع موجات الضوء التي تنعكس على السطح السفلي وتشكل نمط تداخل. يعتمد مستوى التداخل الذي يمكن أن يكون إما بنَّاءً أو هدامًا بين موجتي الضوء المنعكسين على اختلاف الطور بين موجتي الضوء.

يعتمد فرق الطور بين الموجتين مرة أخرى على عرض أو سماكة الطبقة الرقيقة ، ومعامل انكسار الفيلم الرقيق ، والزاوية التي تسقط فيها موجة الضوء الأولية على طبقة الفيلم المحددة. علاوة على ذلك ، فإن معامل الانكسار للوسط الموجود على الجانب الآخر من حدود الفيلم يلعب أيضًا دورًا في تحويل المرحلة بمقدار 180 درجة أو π راديان.

يمكن أن تعاني الموجة الضوئية من تحول طور قدره 180 درجة بعد الانعكاس من الحد السفلي إذا كان مؤشر انكسار الوسط الذي يضربه الضوء أكبر من مؤشر انكسار الوسط الذي كان الضوء ينتقل فيه في البداية. بعبارة أخرى ، يمكننا القول أنه إذا كان n1 هو معامل الانكسار للوسيط الأول و n2 هو معامل الانكسار لمادة الفيلم ويعطى أن n1 <n2 ، فإن الموجة الضوئية التي تنتقل من متوسط ​​1 إلى متوسط ​​2 يمكنها تعاني من تحول طور قدره π راديان بعد الانعكاس.

بعد التداخل من مثل هذا الوسيط ، لوحظ أن نمط التداخل للضوء يشكل إما نطاقات مشرقة ومظلمة بديلة أو نطاقات من ألوان مختلفة بناءً على نوع الضوء الساقط (لوني أو أحادي اللون أو أبيض).

اعتماد تدخل الأغشية الرقيقة على الطول الموجي

شرط للتدخل البناء والمدمّر في الأغشية الرقيقة

شرط التداخل المدمر في الأغشية الرقيقة

الشرط لحدوث التداخل المدمر ، أي أن الشرط الضروري لتداخل أشعة الضوء المنعكسة وإلغاء بعضها البعض هو أن سمك الفيلم يجب أن يكون مضاعفًا فرديًا لربع الطول الموجي للضوء الساقط عليه. لا يمكن أن تنعكس الموجة الضوئية التي تنتمي إلى نطاق الطول الموجي هذا وبالتالي تنتقل بالكامل.

التدخل الهدام. مصدر الصورة: جبدلمرحلة تداخل الأغشية الرقيقة 2CC BY-SA 3.0

شرط للتدخل البناء في الأغشية الرقيقة

شرط تداخل بناء على سبيل المثال ، فإن الشرط الضروري لأشعة الضوء المنعكسة للتداخل والتعزيز مع بعضها البعض هو أن سمك الفيلم يجب أن يكون مضاعفًا فرديًا لـ 1/2 من الطول الموجي للضوء الساقط عليه. في مثل هذه الحالات ، يزداد انعكاس موجات الضوء بواسطة حدود الغشاء الرقيق ويقل انتقال الموجات.

تداخل بناء. مصدر الصورة: جبدلمرحلة تداخل الأغشية الرقيقة 1CC BY-SA 3.0

ما سبب ظهور غشاء رقيق ملون في ضوء أبيض؟

اعتماد تدخل الأغشية الرقيقة على لون الضوء.

نظرًا لاعتماد مستوى التداخل على الطول الموجي في الأغشية الرقيقة ، يُلاحظ أن الضوء الأبيض الذي يتكون من عدد من الأطوال الموجية ينعكس وينتقل بشكل غير متساو. يتم تكثيف أطوال موجية معينة أو ألوان معينة من الضوء الأبيض بعد التداخل البناء وتعاني أطوال موجية أو ألوان معينة من تداخل مدمر ويتم إضعافها. توفر لنا ظاهرة تداخل الأغشية الرقيقة شرحًا لحدوث ألوان متعددة من الضوء من فقاعات الصابون وأغشية الزيت بعد الانعكاس.

الطلاءات المضادة للانعكاس من حيث تداخل الأغشية الرقيقة

تعمل الطلاءات المضادة للانعكاس المدمجة في عدسات الكاميرا والنظارات أيضًا على ظاهرة تداخل الأغشية الرقيقة. تم تصميمها بحيث يكون تحول الطور النسبي بين الحزمة المنعكسة عند الحدود العليا والسفلى للفيلم الرقيق 180 درجة.

العوامل التي يعتمد عليها سمك الأغشية الرقيقة:

سمك أو عرض الفيلم الحقيقي الذي تغطيه الموجات الضوئية أثناء مرورها يعتمد على عاملين رئيسيين: مؤشر الانكسار وزاوية وقوع الموجة الضوئية الواردة. عندما يزداد معامل الانكسار للوسط مقارنة بمعامل انكسار الهواء ، تنخفض سرعة الضوء. بعبارة أخرى ، يمكننا القول أن سرعة الضوء في الوسط تتناسب عكسًا مع معامل الانكسار للوسط.

ونحن نعلم أن يظل تردد الضوء كما هو لكل وسيطلذلك فإن التغير في السرعة يحدث بسبب التغير في الطول الموجي للضوء. لهذا السبب ، يتم تصنيع الأغشية مع الأخذ في الاعتبار الطول الموجي عندما ينتقل الضوء عبر الغشاء الرقيق.

عندما تكون زاوية السقوط صفر درجة أو تسقط موجات الضوء بشكل طبيعي ، يكون سمك الفيلم عمومًا 1/4 أو 1/2 من الطول الموجي المركزي للضوء الساقط. عندما تكون زاوية السقوط مائلة ، يتم إعطاء سمك الفيلم بواسطة ناتج جيب التمام لزاوية السقوط مع 1/4 أو 1/2 من الطول الموجي. هذا ما يفسر لماذا نرى أحيانًا اختلافًا في اللون بينما نغير زاوية الرؤية. (بالنسبة لعرض فيلم معين ، يُنظر إلى لون الضوء وهو يتحول من أطوال موجية أقصر إلى أطول عندما نميل زاوية السقوط من الوضع الطبيعي إلى الوضع المائل.)

لون الضوء الناتج عن تداخل الأغشية الرقيقة:

بعد المرور عبر الغشاء الرقيق ، يحدث تداخل بناء أو مدمر مما يولد انعكاسًا ضيقًا أو نطاقات إرسال. نظرًا لتشكيل هذه النطاقات الضيقة ، لا يمكننا التمييز بين الأطوال الموجية بناءً على اللون. يشتمل الضوء المنعكس أو المنقول على خليط من عدة أطوال موجية غائبة عن الجزء المتبقي من الطيف.

يتم إنشاء مثل هذه الرؤية أيضًا من خلال المنشور أو حواجز شبكية الحيود. نادرًا ما تنتمي الألوان التي لوحظت في هذه الحالة إلى طيف VIBGYOR (البنفسجي والنيلي والأزرق والأخضر والأصفر والبرتقالي والأحمر) وعادة ما تكون ظلال من البني والأزرق المخضر والذهبي والخزامى والفيروز والأزرق الفاتح والأرجواني.

يمكننا فحص وتحليل موجة الضوء المنعكسة أو المنقولة بواسطة غشاء رقيق لجمع معلومات حول عرض الغشاء الرقيق أو معامل الانكسار لوسط الغشاء الرقيق. تستخدم الأفلام الرقيقة تجاريًا لعدد من الأغراض مثل الطلاءات المضادة للانعكاس وعدسات الكاميرا المضادة للانعكاس والمرايا والمرشحات الضوئية.

ما هو تداخل الأغشية الرقيقة ما الذي يعطي اللون لفقاعات الصابون وانسكاب الزيت؟

تدخل الأغشية الرقيقة في فقاعة الصابون:

توفر لنا ظاهرة تداخل الأغشية الرقيقة شرحًا لحدوث ألوان متعددة من الضوء من فقاعات الصابون وأغشية الزيت بعد الانعكاس. بعد المرور عبر الغشاء الرقيق ، يحدث تداخل بناء أو مدمر مما يولد انعكاسًا ضيقًا أو نطاقات إرسال. لذلك ، يعمل سطح فقاعة الصابون كغشاء رقيق وينتج طيفًا من الألوان يشبه قوس قزح.

تدخل الأغشية الرقيقة في فقاعة صابون. مصدر الصورة: Brocken Inagloryفقاعة صابون السماءCC BY-SA 3.0

كيف تعرف ما إذا كان تداخل الأغشية الرقيقة بناءًا أم مدمرًا؟

اشتقاق تداخل الأغشية الرقيقة | معادلة تداخل الأغشية الرقيقة:

دعونا نفكر في سيناريو تسقط فيه موجات الضوء على مادة رقيقة. تنعكس هذه الأشعة الضوئية من الحدين العلوي والسفلي للغشاء الرقيق. يجب قياس السُمك البصري أو اختلاف المسار البصري (OPD) للضوء الذي ينعكس للحصول على شروط التداخل.

مخطط تداخل غشاء رقيق

تدخل الأغشية الرقيقة
تمثيل تخطيطي لاختلاف المسار البصري في غشاء رقيق. مصدر الصورة: نيكوجواروتدخل غشاء رقيقCC BY 4.0

بالنظر إلى الرسم التخطيطي الشعاعي الموضح أدناه ، يتم إعطاء فرق المسار البصري بين موجتي الضوء من خلال:

هنا،

باستخدام قانون سنيل ، يمكننا قول ذلك

ولذلك،

صيغة التداخل البناءة رقيقة | صيغة التداخل المدمرة رقيقة

عندما يكون الاختلاف في OPD أو الاختلاف في المسار البصري بين الموجتين مساويًا لمضاعف متكامل للطول الموجي المعطى للضوء ، أي OPD = mλ ، (حيث m عدد صحيح) يمكن أن يحدث تداخل مدمر. للحصول على التداخل البناء ، فرق طول المسير المطلوب (2t) يجب أن يكون مساويًا لمضاعف متكامل لنصف الطول الموجي المحدد.

ومع ذلك ، يُلاحظ أن حالة التداخل البناء أو المدمر يمكن أن تتغير اعتمادًا على تحولات الطور المحتملة. ومع ذلك ، لوحظ أن

ما هي تطبيقات تدخل الأغشية الرقيقة؟

تطبيق تدخل الأغشية الرقيقة:

تُستخدم ظاهرة تداخل الأغشية الرقيقة في التطبيقات التالية:

  • الطلاءات المضادة للانعكاس: تستخدم الطلاءات المضادة للانعكاس لإزالة أو الحد من الضوء المنعكس بواسطة نظام بصري (مرايا ، عدسات ، إلخ) وتعظيم أو تعزيز الضوء الذي ينقله مثل هذا النظام. تم تصميم أو تصنيع الطلاء المضاد للانعكاس بحيث يولد الضوء المنعكس بواسطة النظام البصري تداخلًا مدمرًا ويولد الضوء المنقول بواسطة النظام البصري تداخلاً بناءً مع لون معين أو طول موجي للضوء الساقط.

عادةً ما يتم تصميم طلاء مضاد للانعكاس بحيث يكون عرضه البصري أو سمكه مساويًا لربع الطول الموجي لموجة الضوء الساقط ، ويقع مؤشر انكسار الوسط بين معامل انكسار الهواء ومعامل انكسار الزجاج. رياضيا ، يمكن إثبات ذلك من خلال المعادلات:

nهواء الطلاءزجاج

د = λ / (4nالطلاء)

  • تصنيع الاجهزة البصرية: ظاهرة تداخل الأغشية الرقيقة تستخدم على نطاق واسع لتصنيع الأدوات البصرية. يتم اختبار المكونات الضوئية مثل العدسة أو المرآة للتأكد من دقتها من خلال مقارنتها بالسيد أثناء تصميمها وتصنيعها. تتشكل هذه المكونات الضوئية بطريقة تجعلها تتمتع بدقة أقل من طول موجي على كامل سطح النظام.
  • أغراض البحث: يمكن أن يوفر تداخل الأغشية الرقيقة معلومات حول مؤشر انكسار مادة ما ، وسمكها البصري ، والتفاعل مع أطوال موجية مختلفة من الضوء ، وما إلى ذلك. ولهذا السبب ، يتم استخدام تداخل الأغشية الرقيقة لتحليل ومقارنة العديد من الوسائط البصرية المختلفة.

أسئلة تدخل الأغشية الرقيقة | مشاكل تداخل الأغشية الرقيقة على سبيل المثال | العددية المتعلقة بتداخل الأغشية الرقيقة:

تم تصميم الكاميرات المعقدة باستخدام مجموعة من عدة عدسات ومرايا. في بعض الأحيان ، تنعكس أشعة الضوء من أسطح العدسة وتقلل من وضوح ودقة الصورة. هذه الانعكاسات الداخلية الشاردة من العدسات محدودة بتغطية العدسات بطبقة رقيقة من فلوريد المغنيسيوم. يتسبب الطلاء المضاد للانعكاس في حدوث تداخل مدمر في الأغشية الرقيقة ويزيل الضوء الشارد.

مشاكل ممارسة تدخل الأغشية الرقيقة

وفقًا لك ، يمكن أن يكون أقل عرض ممكن للفيلم ، إذا كان معامل الانكسار للطلاء يساوي 1.38 وكان الطول الموجي المصمم للعمل على النحو الأمثل هو 550 نانومتر وهو عادةً الطول الموجي الأكثر كثافة الذي ينتمي إلى الطيف المرئي ؟ يُؤخذ معامل انكسار الزجاج على أنه 1.52.

حل:

للحصول على تدخل مدمر هنا ،

2 ر = λn2/2

دع الطول الموجي في الفيلم يكون λn2 وتعطى من قبل

λn2= λ / ن2

لذلك ، سمك t يمكن أن تعطى بواسطة

ر = (λ / ن 2) / 4 = (550 نانومتر / 1.38) / 4 = 99.6 نانومتر

ملاحظة: تعتبر أغشية الطلاء المضادة للانعكاس مثل تلك المذكورة في هذا السؤال من أكثر الطرق فعالية لتوليد تداخل مدمر باستخدام أنحف طبقة ممكنة. يوفر هذا أيضًا شدة منخفضة للضوء الشارد الذي ينتمي إلى طيف أوسع وعلى نطاق أوسع من زوايا الحوادث.

تمت تسمية الطلاء المضاد للانعكاس بعد وظيفته في تقليل انعكاس طول موجي معين. ومع ذلك ، فإن الأطوال الموجية غير المذكورة يمكن أن تمر جزئيًا عبر المرشح ، أي لا يتم إلغاؤها تمامًا. تستخدم هذه الطلاءات المضادة للانعكاس أيضًا في صنع نوافذ السيارات والنظارات الشمسية.

أوجد أصغر ثلاثة عرض بصري ممكن لفقاعة صابون يمكن أن يولد تداخلاً بناءً للضوء الذي ينتمي إلى الطيف الأحمر الذي يبلغ طوله الموجي 650 نانومتر؟ يعتبر معامل انكسار فقاعة الصابون مساويًا لانكسار الماء في هذه الحالة.

حل: هنا، n1 = n= 1.00 للهواء

n2 = 1.333 للصابون (ما يعادل الماء).

 يحدث انزياح بمقدار λ / 2 للأشعة التي تنعكس من السطح العلوي لفقاعة الصابون. الشعاع الذي يعاني من الانعكاس من السطح السفلي لا يتعرض لأي تحول.

للحصول على التداخل البناء ، فرق طول المسير المطلوب (2t) يجب أن يكون مساويًا لمضاعف متكامل لنصف الطول الموجي المحدد.

لذلك ، فإن أول ثلاث قيم محتملة لفرق الطول هي λn / 2 و 3λn / 2 و 5λn / 2.

للحصول على تداخل مدمر ، يجب أن يكون فرق طول المسير المطلوب مساويًا للمضاعف المتكامل لطول الموجة المحدد.

لذلك ، فإن أول ثلاث قيم محتملة لفرق الطول هي 0 ،nو 2λn.

وبالتالي،

تداخل بناء يمكن أن يحدث عندما 

2tc = λn / 2 و 3λn / 2 و 5λn / 2 وهكذا

لذلك ، أصغر عرض أو سمك بناء ممكن tc مساوي ل:

tc = λn / 4 = (/ n) / 4 = (650 نانومتر / 1.333) / 4 = 122 نانومتر

القيمة الثانية المحتملة للسمك التي يمكن أن توفر تداخلًا بناء هي t'c = 3λn/ 4 اذن t'c = 366 نانومتر.

وبالمثل ، فإن القيمة الثالثة المحتملة للسمك التي يمكن أن توفر تداخلًا بناء هي t′ ′c = 5λn/ 4 ، إذن ، t′ ′c = 610 نانومتر.

ملاحظة: من السؤال أعلاه يمكننا أن نلاحظ أنه إذا كان الضوء الساقط أحمرًا تمامًا ، فيمكننا ملاحظة العصابات الساطعة والداكنة التي تزداد بشكل موحد من حيث السماكة.

سيكون موضع أول نطاق مظلم محتمل عند سمك 0 ، ثم يمكن وضع أول نطاق ساطع محتمل بسمك 122 نانومتر ، ثم النطاق المظلم الثاني عند 244 نانومتر ، والنطاق الساطع عند 366 نانومتر ، والفرقة الداكنة عند 488 نانومتر ، واللمعان. الفرقة عند 610 نانومتر. إذا كان لفقاعة الصابون تباين منتظم في السماكة في جميع الأنحاء ، مثل إسفين ناعم ، فسيتم توزيع نمط الشريط الذي تم الحصول عليه بالتساوي في الفضاء.

لماذا لا نرى تدخلًا في الأفلام السميكة؟

لم يتم العثور على مصادر الضوء بشكل عام لتكون صغيرة بشكل غير محدود في العالم العملي. تنتقل موجات الضوء كشعاع له عرض معين. هذا يعني أن موجات الضوء تقع على سطح مادة ما في نطاق من الزوايا. بالنسبة للأغشية الرقيقة ، تغطي الزوايا المقدار نفسه تقريبًا من اختلاف المسار البصري وتولد نمط تداخل.

ومع ذلك ، بالنسبة للمواد ذات الطبقات السميكة ، يختلف اختلاف المسار البصري عند الزوايا المختلفة. في زوايا معينة ، تظهر موجات الضوء تداخلاً بناءً ، بينما تظهر بعض الزوايا التدخل الهدام. وبالتالي ، يتم إلغاء النمط الناتج ولا يمكننا رؤية أي تداخل.

لماذا نحتاج إلى مصدر واسع للضوء لمراقبة نمط التداخل بواسطة غشاء رقيق؟

إذا اعتبرنا مصدرًا ضيقًا أو مصدر نقطة للضوء لمراقبة التداخل ، فسيكون قادرًا على إضاءة جزء انتقائي صغير فقط من الفيلم الرقيق. بمعنى آخر ، ستكون العين البشرية قادرة على رؤية جزء معين فقط من الفيلم الرقيق. نتيجة لهذا ، سيكون من المستحيل مراقبة نمط التداخل بالكامل.

على النقيض من ذلك ، عندما نستخدم مصدرًا أوسع للضوء ، فإن موجات الضوء تضيء السطح بالكامل بزوايا سقوط مختلفة إلى حد كبير وتعكس شعاعًا موازيًا للعين البشرية. هذا يساعد في عرض نمط التداخل الكامل الذي يتكون من الفيلم الرقيق.

كيف تجد الحد الأدنى لسمك الغشاء الرقيق؟

الحد الأدنى للسمك المطلوب t يتم إعطاء الغشاء الرقيق بواسطة المعادلة t = (λ / n2) / 4. حيث n2 هو معامل الانكسار للطبقة الرقيقة.

الخلاصة: في هذا البرنامج التعليمي لملاحظات التداخل الرقيق ، انتهينا من المناقشة حول تداخل الأغشية الرقيقة ، والمعادلة ، والعمل ، والاعتماد ، والتطبيقات ، والمشكلات ، وبعض الأسئلة الشائعة. لمعرفة المزيد عن الطاقة الضوئية انقر هنا.

اترك تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول المشار إليها إلزامية *

انتقل إلى الأعلى