Dünne Schichten und Interferometrie

Dünnschichtinterferenz und Interferometer wandeln optische Wegunterschiede in messbare Interferenzmuster um, die für Beschichtungen und zur präzisen Längen- und Formmessung verwendet werden.

Definition

Die Nutzung der Interferenz zwischen Wellen, die von den Oberflächen dünner Schichten reflektiert werden, oder zwischen Strahlen in einem Interferometer, um Interferenzmuster zu erzeugen, deren Änderungen optische Wegunterschiede mit hoher Präzision offenbaren.

Scope

Dieses Thema behandelt Interferenzen, die durch Amplitudenteilung in dünnen Schichten und durch Interferometer erzeugt werden. Es umfasst die Farben von Seifenfilmen und Ölteppichen, die Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz in einer einzelnen Schicht, Antireflexions- und Hochreflexions-Mehrschichtbeschichtungen sowie die Prinzipien der Michelson-, Mach-Zehnder-, Sagnac- und Fabry-Pérot-Interferometer. Es wird behandelt, wie Interferometer winzige Änderungen der Weglänge in Verschiebungen von Interferenzmustern für Metrologie, Spektroskopie und die Erfassung von Verschiebung und Brechungsindex umwandeln.

Core questions

• Was bestimmt die Farben, die in einem dünnen Film wie einer Seifenblase zu sehen sind?
• Wie unterdrücken oder verstärken Mehrschichtbeschichtungen die Reflexion?
• Wie wandelt ein Interferometer eine Weglängenänderung in eine messbare Interferenzmusterverschiebung um?
• Was unterscheidet die gängigen Interferometerkonfigurationen?

Key concepts

• Dünnschichtinterferenz
• Antireflexionsbeschichtung
• Phasenverschiebung bei Reflexion
• Michelson-Interferometer
• Mach-Zehnder-Interferometer
• Fabry-Pérot-Etalon
• Interferenzmusterverschiebung
• optische Metrologie

Key theories

Dünnschichtinterferenz

Licht, das von der Vorder- und Rückseite einer dünnen Schicht reflektiert wird, interferiert; der Wegunterschied, einschließlich Phasenverschiebungen bei der Reflexion, bestimmt, welche Wellenlängen verstärkt werden, wodurch die charakteristischen Farben und die Grundlage für optische Beschichtungen entstehen.

Interferometrische Messung

Interferometer teilen Licht in zwei Pfade und rekombinieren es, so dass eine Änderung in einem Pfad um einen Bruchteil einer Wellenlänge die Interferenzmuster messbar verschiebt, was die Metrologie von Verschiebung, Oberfläche und Brechungsindex ermöglicht.

Clinical relevance

Antireflexionsbeschichtungen verbessern die Transmission von Linsen in Mikroskopen, Endoskopen und Brillen, während interferometrische Methoden eine präzise Messung der Hornhauttopographie und der axialen Augenlänge ermöglichen, die bei der Planung von Kataraktoperationen verwendet werden.

History

Newton untersuchte die farbigen Ringe dünner Schichten, die seinen Namen tragen, obwohl er sie in seinem korpuskularen Rahmen interpretierte. Die Wellenerklärung folgte von Young und Fresnel, und Michelsons Interferometer aus den 1880er Jahren, das im Michelson-Morley-Experiment und später zur Definition des Meters verwendet wurde, etablierte die Interferometrie als Präzisionswerkzeug.

Key figures

• Albert A. Michelson
• Ludwig Mach
• Isaac Newton

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

Warum zeigt ein dünner Ölfilm auf Wasser Regenbogenfarben?

Licht, das von der Ober- und Unterseite des Films reflektiert wird, interferiert; der Wegunterschied hängt von der Filmdicke und dem Betrachtungswinkel ab, so dass verschiedene Wellenlängen an verschiedenen Stellen verstärkt werden, wodurch sich verschiebende Farbbänder entstehen.

Wie funktioniert eine Antireflexionsbeschichtung?

Eine Beschichtung, die ein Viertel der Wellenlänge dick ist und einen mittleren Brechungsindex aufweist, bewirkt, dass die Reflexionen von ihren beiden Oberflächen destruktiv interferieren, wodurch ein Großteil des reflektierten Lichts ausgelöscht und die Transmission erhöht wird.