Dunnefilminterferentie of interferentie aan dunne lagen is een natuurlijk verschijnsel waarbij lichtgolven die door de boven- en ondergrens van een dunne film worden weerkaatst, met elkaar interfereren. Hierdoor neemt de reflectie bij sommige golflengten toe en bij andere af. Wanneer wit licht op een dunne laag valt, produceert dit effect kleurrijke reflecties.
Dunnefilminterferentie verklaart de meerdere kleuren die te zien zijn in licht dat weerkaatst wordt door zeepbellen en oliefilms op water. Het is ook het mechanisme achter de werking van antireflectiecoatings die gebruikt worden op brillen en cameralenzen. Als de dikte van de film veel groter is dan de coherentielengte van het invallende licht, vervaagt het interferentiepatroon vanwege de lijnbreedte van de lichtbron.
De reflectie van een dunne laag bestaat doorgaans niet uit afzonderlijke golflengten zoals bij een diffractierooster of prisma, maar uit een mengsel van verschillende golflengtes. De waargenomen kleuren zijn daarom zelden kleuren van de regenboog, maar eerder bruin, goud, turkoois, groenblauw, helderblauw, paars en magenta. Het licht dat door een dunne film wordt gereflecteerd of doorgelaten kan informatie geven over de dikte van de film of de effectieve brekingsindex van het materiaal. Dunne films hebben veel commerciële toepassingen, waaronder antireflectiecoatings, spiegels en optische filters.
Theorie miniatuur|300x300px|Demonstratie van het optische padlengteverschil voor licht dat wordt gereflecteerd door de boven- en ondergrens van een dunne film. miniatuur|Dunnefilminterferentie veroorzaakt door ITO-ontdooicoating op een cockpitraam van een Airbus. In de optica is een dunne film een laag materiaal met een dikte in de orde van grootte van subnanometers tot microns. Wanneer licht het oppervlak van zo'n dunne film raakt, wordt het ofwel doorgelaten, ofwel gereflecteerd aan het bovenoppervlak. Doorgelaten licht bereikt het onderoppervlak en kan daar opnieuw worden doorgelaten of gereflecteerd. De fresnelvergelijkingen geven een kwantitatieve beschrijving van hoeveel licht er aan een grensvlak wordt doorgelaten of gereflecteerd.
Er ontstaat interferentie tussen het licht dat van het boven- en onderoppervlak wordt gereflecteerd. De mate van constructieve of destructieve interferentie tussen de twee lichtgolven hangt af van het faseverschil. Dit faseverschil hangt op zijn beurt af van de dikte van de filmlaag, de brekingsindex van de film en de invalshoek van de oorspronkelijke golf op de film. Bovendien kan er een faseverschuiving van 180° of radialen optreden, afhankelijk van de brekingsindices van de materialen aan weerszijden van het grensvlak. Deze faseverschuiving treedt op wanneer de brekingsindex van het medium waar het licht doorheen reist kleiner is dan de brekingsindex van het materiaal waarop het valt. Met andere woorden, als en het licht beweegt van materiaal 1 naar materiaal 2, zal er bij reflectie een faseverschuiving optreden. Het lichtpatroon dat door deze interferentie ontstaat, kan verschijnen als lichte en donkere banden of als kleurrijke banden, afhankelijk van de bron van het invallende licht.
Wanneer licht op een dunne film valt en door zowel de boven- als de ondergrens wordt gereflecteerd, moet het optische padverschil (OPD) van het gereflecteerde licht worden berekend om de interferentieconditie te bepalen. Kijkend naar het bovenstaande diagram is het OPD tussen de twee golven als volgt:
Waar,
Met behulp van de wet van Snellius,
Interferentie is constructief wanneer het optische padverschil gelijk is aan een geheel veelvoud van de golflengte van het licht, .
Deze situatie kan veranderen bij mogelijke faseverschuivingen die optreden bij reflectie.
Monochromatische bron miniatuur|Benzine op water vertoont een patroon van heldere en donkere strepen wanneer het wordt belicht met laserlicht van 589 nm. Wanneer het invallende licht monochromatisch is, verschijnen interferentiepatronen als lichte en donkere banden. Lichte banden corresponderen met gebieden waar constructieve interferentie optreedt tussen de gereflecteerde golven, terwijl donkere banden corresponderen met gebieden waar destructieve interferentie optreedt. Naarmate de dikte van de film varieert, kan de interferentie veranderen van constructief naar destructief. Een goed voorbeeld van dit fenomeen is Newtons ringen, waarbij een interferentiepatroon ontstaat wanneer licht wordt gereflecteerd door een bolvormig oppervlak naast een vlak oppervlak. Concentrische ringen worden waargenomen wanneer het oppervlak wordt verlicht met monochromatisch licht. Dit fenomeen wordt gebruikt met optisch glas om de vorm en vlakheid van oppervlakken te meten.
Breedbandbron Als het invallende licht meerdere kleuren bevat of wit licht is, zoals zonlicht, verschijnen interferentiepatronen als kleurrijke banden. Omdat het licht verschillende golflengten bevat, ontstaat er constructieve interferentie voor verschillende filmdiktes. Verschillende delen van de film lijken dan verschillende kleuren te hebben, afhankelijk van de plaatselijke filmdikte.
Fase-interactie miniatuur|Constructieve fase-interactie miniatuur|Destructieve fase-interactie De figuren tonen twee invallende lichtbundels (A en B). Elke bundel produceert een gereflecteerde bundel (gestippeld). De reflecties die van belang zijn, zijn de reflectie van bundel A op het onderste oppervlak en de reflectie van bundel B op het bovenste oppervlak. Deze gereflecteerde bundels combineren tot een resulterende bundel (C). Als de gereflecteerde bundels in fase zijn (zoals in de eerste figuur), is de resulterende bundel relatief sterk. Als de gereflecteerde bundels daarentegen in tegenfase zijn, is de resulterende bundel verzwakt (zoals in de tweede figuur).
De faseverhouding van de twee gereflecteerde lichtbundels hangt af van de verhouding tussen de golflengte van lichtbundel A in de film en de dikte van de film. Als de totale afstand die lichtbundel A in de film aflegt een veelvoud is van de golflengte van de lichtbundel in de film, dan zijn de twee gereflecteerde lichtbundels in fase en interfereren ze constructief (zoals in de eerste afbeelding). Als de afstand die lichtbundel A aflegt een oneven veelvoud is van de halve golflengte van het licht in de film, dan interfereren de lichtbundels destructief (zoals in de tweede afbeelding). De film in deze afbeeldingen reflecteert dus sterker bij de golflengte van de lichtbundel in de eerste afbeelding en minder sterk bij die van de lichtbundel in de tweede afbeelding.
Voorbeelden Het soort interferentie dat optreedt wanneer licht wordt weerkaatst door een dunne film, is afhankelijk van de golflengte en de invalshoek van het licht, de dikte van de film, de brekingsindices van het materiaal aan weerszijden van de film en de brekingsindex van het filmmedium. Verschillende mogelijke filmconfiguraties en de bijbehorende vergelijkingen worden in de onderstaande voorbeelden nader toegelicht.
Zeepbel miniatuur|Lichtinval op een zeepfilm in de lucht In het geval van een zeepbel reist licht door de lucht en raakt het een zeepfilm. De lucht heeft een brekingsindex van 1 () en de zeepfilm heeft een index die groter is dan 1 (). De reflectie die optreedt aan de bovenste grens van de film (de grens tussen lucht en film) zal een faseverschuiving van 180° in de gereflecteerde golf veroorzaken, omdat de brekingsindex van de lucht lager is dan die van de film (). Licht dat wordt doorgelaten bij het bovenste lucht-filmgrensvlak, zal doorgaan naar het onderste film-luchtgrensvlak, waar het kan worden gereflecteerd of doorgelaten. De reflectie die bij deze grens plaatsvindt, zal de fase van de gereflecteerde golf niet veranderen, omdat . De voorwaarde voor interferentie bij een zeepbel is als volgt:
voor constructieve interferentie van gereflecteerd licht voor destructieve interferentie van gereflecteerd licht
Waar is de filmdikte, is de brekingsindex van de film, is de invalshoek van de golf op de ondergrens, is een geheel getal, en is de golflengte van licht.
Oliefilm miniatuur|Licht valt op een oliefilm op water. Een oliefilm wil zeggen dat er een laag olie bovenop een laag water ligt. Zeg dat de olie een brekingsindex heeft van ongeveer 1,5 en het water een brekingsindex van 1,33. Net als bij een zeepbel hebben de materialen aan weerszijden van de oliefilm (lucht en water) beide een brekingsindex die lager is dan die van de film: . Er zal een faseverschuiving optreden bij reflectie vanaf de bovenste grens, omdat , maar geen verschuiving bij reflectie vanaf de ondergrens omdat . De vergelijkingen voor interferentie blijven hetzelfde.
voor constructieve interferentie van gereflecteerd licht voor destructieve interferentie van gereflecteerd licht
Antireflecterende coatings miniatuur|Licht dat invalt op een antireflectiecoating op glas
Een antireflectiecoating elimineert gereflecteerd licht en maximaliseert doorgelaten licht in een optisch systeem. Een film wordt zo ontworpen dat gereflecteerd licht destructieve interferentie veroorzaakt en doorgelaten licht constructieve interferentie voor een gegeven golflengte. In de eenvoudigste implementatie van een dergelijke coating wordt de film zo gemaakt dat de optische dikte een kwart golflengte is van het invallende licht, en de brekingsindex ervan groter is dan die van lucht en kleiner dan die van glas.
Bij reflectie aan zowel de boven- als onderkant van de film zal een faseverschuiving van 180° optreden, omdat en . De vergelijkingen voor de interferentie van het gereflecteerde licht zijn:
voor constructieve interferentie voor destructieve interferentie
Als de optische dikte gelijk is aan een kwart van de golflengte van het invallende licht en als het licht loodrecht op de film valt zullen de gereflecteerde golven volledig uit fase zijn en destructieve interferentie veroorzaken. Verdere vermindering van reflectie is mogelijk door meer lagen toe te voegen, elk ontworpen om overeen te komen met een specifieke golflengte van licht.
De interferentie van doorgelaten licht is volledig constructief voor deze films.
In de natuur Structurele kleuring door dunne filmlagen komt veel voor in de natuur. De vleugels van veel insecten fungeren als dunne films vanwege hun minimale dikte. Dit is duidelijk te zien bij de vleugels van veel vliegen en wespen. Bij vlinders is de dunnefilm-optiek zichtbaar wanneer de vleugel zelf niet bedekt is met gepigmenteerde vleugelschubben, zoals het geval is bij de blauwe vleugelvlekken van de Aglais io-vlinder. De glanzende uitstraling van boterbloemen is ook te danken aan een dunne film , evenals de glanzende borstveren van de paradijsvogel.
Toepassingen miniatuur|Een optisch venster met een antireflectiecoating. Bij een hoek van 45° is de coating iets dikker ten opzichte van het invallende licht, waardoor de centrale golflengte verschuift naar rood en reflecties optreden aan de violette kant van het spectrum. Bij 0°, waarvoor deze coating is ontworpen, wordt vrijwel geen reflectie waargenomen. Dunne films worden commercieel gebruikt in onder meer antireflectiecoatings, spiegels en optische filters. Ze kunnen zo worden ontworpen dat ze de hoeveelheid licht die door een oppervlak wordt gereflecteerd of doorgelaten voor een bepaalde golflengte regelen. Een Fabry-Pérot-etalon maakt gebruik van dunnefilminterferentie om selectief te kiezen welke golflengten van licht door het apparaat worden doorgelaten. Deze films worden gemaakt door middel van depositieprocessen waarbij materiaal op gecontroleerde wijze aan een substraat wordt toegevoegd. Methoden om dit te produceren zijn bijvoorbeeld chemische dampafzetting en verschillende fysische dampafzettingstechnieken.