Õhukese kile interferents

Seebikile valgub musta tausta ees, olles ülevalt õhuke ja alt paks. Iga nähtav värvus on arvutatud kile peegeldatud valgusest. Selle kõrval on viirastus: samad kaks pinda liidetuna nii, nagu kiirteoptika neid liidab, ilma interferentsita. Klõpsa kilel või sisesta paksus, et näha peegeldatavat spektrit.

Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Õppetund

Teooria — Õhukese kile interferents

Õhukese kile interferents: kihi kahelt pinnalt peegelduv valgus naaseb kahe lainena, millest teine on viibinud δ = 4πn1d/λ võrra kihi puhul, mille murdumisnäitaja on n1 ja paksus d normaali suunalisel langemisel. Iga pind peegeldab amplituudiga r = (na − nb)/(na + nb), mis on negatiivne seal, kus valgus levib tihedamasse materjali. Lainete liitmisel, koos iga põrkega kile sees, saame peegelduvuseks R = (r01² + r1s² + 2r01r1s cos δ)/(1 + r01²r1s² + 2r01r1s cos δ).

Mida iga sümbol tähendab

d
kile paksus nanomeetrites (nm)
n_1
kile murdumisnäitaja antud lainepikkusel; vee oma on 550 nm juures 1,3347
δ
kui palju alumiselt pinnalt tulev valgus maha jääb, radiaanides: 2π on üks täislaine
Y
valguspeegelduvus valges valguses: peegeldunud spekter, mida on kaalutud inimsilma tundlikkusega, ideaalse valge peegeldaja puhul 100%
Eeldab
Valgus langeb pinnale risti, kile on vaadeldaval alal ühtlase paksusega ja neeldumine puudub. Seebikilet käsitletakse veena; seebikihte kummalgi pinnal ei modelleerita. Valge valgus on CIE standardvalgusallikas D65.

Kõige õhem seebikile on kõige tumedam 🖖

Vajuta Kohe purunemas. Kile ülaosa on nüüd 10 nm vett ja see on must. Üks veepind peegeldab üksi 2,055% 550 nm valgusest ning kiirteoptika, liites kile kaks pinda, eeldab 4,027%. Kile peegeldab 0,197%, mis on vähem kui kümnendik ühest pinnast. Kaks peegeldust on peaaegu sama suured, kuid ülemiselt pinnalt, kus valgus läheb õhust vette, tuleb peegeldus tagasi ümberpööratult (r = −0,1434) ning alumiselt pinnalt, veest õhku, ei tule (+0,1434). Lainepikkusest palju õhemas kiles naasevad need peaaegu samas faasis ja kustutavad teineteist. Kile paksenedes jääb põhjast tulev valgus maha faasi võrra δ = 4πn1d/λ; veerandlaine juures, 103,0 nm, need kaks liituvad ja kile peegeldab 7,892%, peaaegu kaks korda rohkem kui viirastus. Vahetult enne mustaks muutumist on kile tuhm sinakashall, sest lühimad lainepikkused, millel on suurim δ, kustuvad viimasena. Newton jälgis, kuidas see toimus klaaskatte all oleval seebimullil: selle tippu tekkis must laik, kus ta kirjutas, "alguses arvasin, et sellest kohast pole veelt valgust peegeldunud", ja siis lähemalt vaadates nägi selles nõrgalt peegelduvat küünalt.

Paks kile on taas valge ja interfereerub endiselt 🖖

Vajuta 3 µm kile. 550 nm juures peegeldab see kile 7,635%, mis on peaaegu suurim väärtus mis tahes paksuse puhul. Siiski peegeldab see valges valguses 4,013%, võrreldes viirastuse 4,025%-ga, ja paistab sama hall. Spekter näitab miks: 380 ja 780 nm vahel on 11 peegeldustippu, nii et iga kolmest värvisobitusfunktsioonist, mida leht integreerib, hõlmab mitut heledat ja tumedat interferentsiriba ning summa osutub võrdseks viirastusega. Nüüd vajuta Roheline tühistatud. 206 nm juures on nähtavas osas üksainus nõgu, mille keskpunkt on 550 nm, mis eemaldab rohelise ja jätab violetse, mis on valgest 0,256 kaugusel. Skaala kõige värvilisem kile asub sellest vaid mõne nanomeetri kaugusel. Värvus vajab spektris värvi laiust tühimikku, mille tekitab ainult õhuke kile, ning alates umbes 2 µm kuni lehe pakutava 5 µm piirini ei erine kile enam kordagi valgest rohkem kui 0,005 võrra, võrreldes 0,256-ga selle violetse puhul. Newtoni Opticks'i teine raamat algab sellega kui millegagi, mida teised olid juba näinud: õhukesed plaadid näitavad värvusi "vastavalt nende erinevale õhukusele, ehkki suurema paksuse juures paistavad need väga selged ja värvitud". Kiirteoptika arvutab paksu kile õigesti ainult seetõttu, et valge valgus keskmistab interferentsiribad välja. Ühe lainepikkusega valgus ei tee seda kunagi.

Topeltpaks vääristus nullib iseenda 🖖

Vajuta Vääristatud lääts. 100 nm magneesiumfluoriidi kroonklaasil vähendab peegeldust 550 nm juures 4,239%-lt 1,247%-ni. Osa sellest tuleneb leebematest muutustest murdumisnäitajas: liites kaks pinda nii, nagu kiirteoptika seda teeb, saame 2,754%. Ülejäänu on kustutamine. Mõlemad peegeldused pööravad laine ümber, kuna valgus läheb mõlemal juhul tihedamasse materjali, ja veerandlaine paksune kiht viivitab teist pool pööret (δ = 0,5013 pööret), nii et need saabuvad vastufaasis. Nüüd vajuta Topeltpaks vääristus. 200 nm juures on viivitus terve pööre, peegeldused on taas samas faasis ning pind peegeldab 550 nm juures 4,239%, sama palju kui katmata klaas; valges valguses peegeldab see 4,082%, võrreldes katmata klaasi 4,24%-ga. Paksem vääristus pole parem; õige paksus on. Kuna veerandlaine sobib ainult ühele lainepikkusele, peegeldab kaetud pind 450 nm juures 1,634% ja 650 nm juures 1,418%, mõlemas spektri otsas rohkem kui keskel, mis on põhjus, miks kaetud pind on pildil õrnalt violetne. Täielikuks kustutamiseks on vaja kihti murdumisnäitajaga √1,5185 = 1,2323: sisesta see kile murdumisnäitajaks, määra d väärtuseks tulemustes antud veerandlaine paksus 111,6 nm, ja 550 nm peegeldus langeb 0,000%-ni. Carl Zeiss taotles 1. novembril 1935 patenti vaakumis klaasile aurutatud kihile. See nimetab oma eelkäijaks Taylori 1904. aasta Briti patenti, mille ajendiks olid vanad läätsed, mille kulunud laigud tundusid läbipaistvamad kui nendega piirnev poleeritud klaas.

Ülesanne täielikult lahendatud

  1. Mitu klaasipinda vähendavad valguse poole võrra? 3 sammu

    Kaamera läätsesüsteemis on järjestikku palju klaasipindu. Mitu katmata N-BK7 pinda on vaja, et pool valgusest kaoks peegelduse tõttu, ja mitu vääristatud pinda? Arvuta ainult seda valgust, mis läbib iga pinna ilma peegeldumata. Vajuta Vääristatud lääts: leht annab katmata pinna 550 nm peegelduvuse ja vääristatud pinna oma.

    Ava see ülesanne tööriistas

    1. Iga pind laseb läbi 1 − R temani jõudvast valgusest, seega k pinda lasevad läbi (1 − R)k. Võrdsustame selle ühe poolega:

    2. Katmata klaasi puhul, kus R = 4,239%:

    3. Vääristatud pinna puhul, kus R = 1,247%:

    Vastus

    Seitseteist katmata pinda või 56 vääristatud pinda. Arvutuskäik annab k = 16,00 ja 55,24, ning pinnad on alati täisarvulised: kuusteist katmata pinda lasevad endiselt läbi 50,01%, seega on õhus vaja üheksat, mitte kaheksat katmata läätsedetaili, et kaotada pool 550 nm valgusest. Kümme pinda lasevad katmata kujul läbi 64,8% ja vääristatud kujul 88,2%. Kaotsiläinud valgus ei kao jäljetult: see põrkab pindade vahel ja osa sellest jõuab pildile uduna. Zeissi 1935. aasta patent toob selle negatiivi uduseks muutumise vääristamise teise põhjusena.

Õpitee

Laineoptika

Allikad (3)