Полный текст:
Содержание
Введение. 3
1. Оптические свойства тонких пленок. 4
2. Просветление оптики. 11
Заключение. 13
Список литературы.. 14
Введение
Тонкие пленки, нанесенные на поверхность вещества, в частности на стекло, из которого изготовляются оптические приборы, значительно влияют на отражение и пропускание света, если их толщина соизмерима с длиной световой волны.
Наиболее интересные свойства имеют пленки с толщиной, которая равняется четверти длины волны, которые, в зависимости от показателя преломления, максимально уменьшают или увеличивают отражение света поверхностью.[1]
Так, если свет с длиной волны ? падает из среды с показателем преломления n1 под углом ?1 на вещество с показателем преломления n3, покрытую тонкой пленкой с показателем преломления n2 и толщиной h, то при оптической толщине пленки H = n2h
то коэффициент отражения
где r12 – коэффициент отражения на грани сред 1 и 2, и для нормального падения
.
Отсюда видно, что коэффициент отражения можно сделать нулевым, если подобрать материалы так, чтобы . На этом принципе работает просветление оптики. Обычно подобрать вещество, для которого это соотношение выполнялось бы идеально (а еще необходимо, чтобы пленка хорошо держалась на стекле) трудно, потому используются вещества с близким показателем преломления.
Если , то коэффициент отражения становится близким к единице, что можно использовать для изготовления зеркал.
1. Оптические свойства тонких пленок
В оптике тонких пленок изучается прохождение света через один или последовательно через несколько непоглощающих слоев вещества, толщина которых соизмерима с длиной световой волны. Специфика оптики тонких пленок заключается в том, что в ней определяющую роль играет интерференция света между частично отражаемыми на верхних и нижних границах слоев световыми волнами.
При освещении тонкой пленки можно наблюдать интерференцию световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхности пленок (рис. 1). Для белого света, представляющего собой смешение электромагнитных волн из всего оптического спектра интерференционные полосы приобретают окраску. Это явление получило название цветов тонких пленок. Цвета тонких пленок наблюдаются на стенках мыльных пузырьков, на пленках масла, нефти, на поверхности металлов при их закалке (цвета побежалости).[2]
Рис. 1.
Для объяснения этих явлений рассмотрим расположенную в вакууме плоско параллельную диэлектрическую пластинку (рис. 1) толщины с показателем преломления , где - диэлектрическая проницаемость диэлектрика освещаемую плоской световой монохроматической волной с длиной волны под углом (рис. 1). При отражении световых волн от верхней и нижней поверхности пластинки между отраженными волнами возникнет оптическая разность хода , которая является следствием того факта, что волна, отраженная от нижней поверхности пластинки проходит больший путь внутри диэлектрической пластинки, чем волна, отраженная от верней поверхности в вакууме, приобретающая дополнительный набег фазы при отражении от оптически более плотной среды.
Из геометрических соображений следует, что:
, (1)
где - угол преломления падающего светового пучка пластинкой (рис. 1), связанного с углом падения соотношением следующим из закона Снеллиуса: .
При условии, что
(2)
кратно целому числу ... длин волн, в точке наблюдения на расстоянии от поверхности пленки во много раз большем, чем толщина пластинки, отраженные от обеих поверхностей пластинки волны будут складываться в фазе и формировать интерференционный максимум.
Аналогичным образом получим условия минимума интерференционной картины в точке наблюдения на бесконечности, если волны отраженные от обеих поверхностей пластинки волны будут складываться в противофазе, т.е.
, (3)
где произвольное целое число.
Интерференционная картина, образованная отраженными под разными углами плоскими волнами от поверхностей плоско параллельной пластинки / пленки, получила название интерференционных полос равного наклона. В этом названии отражается тот факт, наблюдаемая интерференционная картина образована параллельно распространяющимися волнами, падающими на пластинку под одним углом / наклоном. Область наблюдения интерференции расположена в бесконечности, где «пересекаются» параллельные лучи. Углы, в направлении которых формируются максимумы и минимумы интерференционной картины в соответствии с (2), (3) зависят от длины волны. Это объясняет окраску интерференционной картины световых лучей, отраженных от поверхностей плоско параллельной пластинки при ее облучении белым светом.[3]
Для наблюдения интерференционной картины полос равного наклона на конечном расстоянии от пластинки используется линза (рис. 2). Благодаря свойству линзы параллельные световые лучи сходятся в некоторой точке фокальной плоскости. Эта точка совпадает с фокусом линзы, если лучи параллельны главной оптической оси. В силу зависимости (2), (3) направления на главные максимумы и минимумы от длины волны, в фокальной плоскости линзы можно наблюдать окрашенную в цвета оптического спектра интерференционную картину полос равного наклона.
Другой вид интерференции света в тонких пленках, толщина которых меняется ее по поперечному сечению, получил название интерференционных полос равной толщины. Для изучения этого явления рассмотрим пленку переменной толщины в виде клина (рис. 3). Рассмотрим падающую на поверхность диэлектрического клина с показателем преломления , где – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, плоскую световую монохроматическую волну I с длиной волны (рис. 3).
Рис. 2.
Рис. 3.
Отраженные от верхней и нижней граней клина плоские волны I' и I» (рис. 3) пересекутся вблизи поверхности клина из-за не параллельности его граней. Следовательно, при помещении экрана вблизи поверхности клина можно наблюдать интерференционную картину в виде полос, параллельных ребру клина, которую образуют волны, отразившиеся от его граней в тех точках их поверхности, где клин имеет одинаковую толщину. Это объясняет названия рассматриваемого явления. При облучении поверхности клина белым светом интерференционная картина в виде полос равной толщины оказывается окрашенной в цвета оптического спектра. Для наблюдения интерференционной картины в виде полос равной толщины используется линза (рис. 4), назначение которой состоит в увеличении изображения интерференционной картины, для ее визуального наблюдения.[4]
Рис. 4.
Интерференционная картина в виде полос равной толщины широко используется на практике для контроля степени неровности различных поверхностей, пленок, а также всевозможных покрытий. Если поверхности пленки неровные, то полосы равной толщины принимают неправильную причудливую форму, связанную с соответствующим контуром равной толщины пленки.
Для получения количественных соотношений, характерных для рассматриваемого явления, рассмотрим расчет интерференционной картины в виде колец Ньютона, которая имеет место при освещении плоской монохроматической световой волной с длиной волны диэлектрической (стеклянной) линзы (рис. 5) с показателем преломления диэлектрика , помещенной на отражающую поверхность (зеркало).
Рис. 5.
Найдем оптическую разность хода волн, отраженных от нижней поверхности линзы и от поверхности зеркала. Для облегчения расчетов заменим внутреннюю криволинейную поверхность линзы в точке отражения луча плоскостью, параллельной отражающей поверхности (рис. 5). В результате такого упрощения удается свести расчет интерференционной картины в виде колец Ньютона к расчету интерференционной картины в виде полос равной толщины. Полосы представляют собой концентрические эллипсы при наклонном падении света на линзу или окружности при нормальном падении. Как следует из приведенных выше рассуждений о возможности наблюдения полос равной толщины, соответствующая интерференционная картина наблюдается вблизи поверхности пленки. В первом приближении можно полагать, что наблюдаемые интерференционные полосы располагаются непосредственно на поверхности пленки в точке отражения волны. Тогда радиусы колец Ньютона (рис. 5) равны радиусам окружностей, каждая из которых соответствует точкам нижней поверхности линзы, находящихся на одинаковом расстоянии от отражающей поверхности. Если предположить, что - радиус кривизны линзы, а , то (рис. 5).[5]
(4)
(5)
Радиусы колец Ньютона , соответствующих интерференционным максимумам с номерами , получающихся при нормальном падении световой волны к поверхности пластинки можно найти из (2) при и с учетом (3):
, (5)
где – длина световой волны, освещающей линзу.
Четным значениям соответствуют светлые кольца, а нечетным - темные (рис. 6). В частности в центре картины будет находиться темное кольцо, вырождающееся в темную точку и соответствующее направлению противофазного сложения интерферирующих волн. Если линзу при наблюдении колец Ньютона поднимать вертикально вверх, то из-за увеличения проходимого лучами пути интерференционные кольца, каждое из которых соответствует некоторой постоянной разности хода, будет стягиваться к центру. При этом центр картины по мере поднятия линзы будет становиться попеременно то светлым, то темным.
Рис. 6.
2. Просветление оптики
Одним из наиболее важных способов практического применения оптических свойств тонких пленок является просветление оптики.
Просветление оптики – это уменьшение коэффициентов отражения поверхностей оптических деталей путем нанесения на них одной или нескольких непоглощающих пленок. Без таких (просветляющих) пленок потери на отражение света могут быть значительными; так в видимой области спектра (длина волны l = 400-700 нм) даже при нормальном падении лучей на границе воздух – оптическая среда они могут составлять до 10% от интенсивности падающего излучения (см. рис. 7). В системах с большим числом поверхностей, например в сложных объективах, потери света могут достигать 70% и более. Многократное отражение от преломляющих поверхностей вызывает появление внутри приборов рассеянного света, что ухудшает качество изображений, формируемых оптическими системами приборов. Эти нежелательные явления устраняются с помощью просветления оптики, которое является одним из важнейших применений оптики тонких слоев.
Просветление оптики – результат интерференции света, отражаемого от передних и задних границ просветляющих пленок; она приводит к взаимному «гашению» отраженных световых волн и, следовательно, к усилению интенсивности проходящего света. При углах падения, близких к нормальному, эффект просветления максимален, если толщина тонкой пленки равна нечетному числу четвертей длины световой волны в материале пленки, а показатель преломления (ПП) пленки удовлетворяет равенству n22 = n1n3, где n1 и n3 — ПП сред, граничащих с пленкой (часто первой средой является воздух). Отраженный свет ослабляется тем сильнее, чем больше разность n3 — n2; если же и n2 > n3, то интерференция отраженных от границ пленки лучей, напротив, усилит интенсивность отраженного света (см. рис. 8).
Изменяя толщину просветляющей пленки, можно сместить минимум отражения в различные участки спектра. Покрытия с минимальным отражением в желтой области (l = 555 нм, область наибольшей чувствительности человеческого глаза) наносят на объективы, применяемые в черно-белой фотографии; в отраженном свете их поверхности имеют пурпурный оттенок (т. н. голубая оптика). В просветленных объективах для цветной фотографии отражение минимально в голубой области спектра; оттенок их поверхностей — янтарный.[6]
Для деталей из стекла с низким ПП просветление однослойными пленками недостаточно эффективно. Применение двухслойных просветляющих пленок позволяет почти полностью устранить отражение света от поверхности детали-подложки независимо от ее ПП, но лишь в узкой области спектра. Трехслойные просветляющие пленки дают возможность получить равномерно низкое (~ 0,5%) отражение в широкой спектральной области, например во всем видимом диапазоне (см. рис. 9). Двух- и трехслойные покрытия используют для просветления оптики, работающей в ультрафиолетовой области, где из-за низкого значения n3 однослойные покрытия малоэффективны. Теоретически наилучшее просветление оптики в широкой области спектра может быть достигнуто с помощью неоднородных просветляющих пленок, значение ПП которых плавно меняется от n подложки до n окружающей среды.
В практически получаемых неоднородных пленках сменяется ступенчато; ширина спектральной области с низким отражением увеличивается с возрастанием числа «ступенек», при этом характер изменения ПП становится более плавным.
Рис. 7. Рис. 8. Рис. 9.
Заключение
Подводя итог проделанной работы, еще раз перечислим наиболее важные полученные выводы:
Просветление оптики – нанесение для увеличения светопропускания оптической системы на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей пленки или нескольких пленок одна поверх другой, коэффициент преломления которых меньше коэффициента преломления стекла линз.
Просветляющие пленки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст оптического изображения. Просветленный объектив требует бережного обращения, так как пленки, нанесенные на поверхность линз, легко повреждаются. Особенно они разрушаются маслом и жиром, попадающим на линзу. По методике нанесения и составу просветляющего покрытия просветление бывает физическим и химическим.
Толщина просветляющего слоя (например, кремниевой кислоты) равняется 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отраженные от ее наружной и внутренней сторон, погасятся вследствие интерференции и их интенсивность станет равной нулю. Для наилучшего эффекта коэффициент преломления просветляющей пленки должен равняться квадратному корню коэффициента преломления оптического стекла линзы, но реально применимые материалы с таким показателем преломления отсутствуют.
Этот метод подавления отражения света зависит от длины волны. В первых просветленных объективах добивались понижения коэффициэнта отражения для лучей зеленого участка спектра (555 нм — область наибольшей чувствительности человеческого глаза), поэтому объективы имели сине-фиолетовую или голубовато-зеленую окраску («голубая оптика»). Такие объективы на просвет имеют желтую окраску.
Список литературы
1. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. – Л.: Норма, 1973. – 188 с.
2. Просветление оптики / Под ред. И.В. Гребенщикова, М.: Энергоатомиздат, 1984. – 286 с.
3. Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. – М.: Наука, 1991. – 349 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Учебное пособие. – М.: Лань, 2007. – 496 с.
[1] Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. – М.: Наука, 1991. – 349 с.
[2] Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. – Л.: Норма, 1973. – 188 с.
[3] Просветление оптики / Под ред. И.В. Гребенщикова, М.: Энергоатомиздат, 1984. – 286 с.
[4] Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Учебное пособие. – М.: Лань, 2007. – 496 с.
[5] Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. – М.: Наука, 1991. – 349 с.
[6] Просветление оптики / Под ред. И.В. Гребенщикова, М.: Энергоатомиздат, 1984. – 286 с.