Notes sur les interférences des couches minces : 9 faits à connaître

Qu'est-ce que l'interférence de couche mince ?

Définition des interférences en couche mince :

L'interférence de film mince fait référence au phénomène où se produit l'interférence des ondes lumineuses qui sont réfléchies par les côtés supérieur et inférieur d'un film mince. Cette interférence est capable d'augmenter ou de réduire la lumière réfléchie par le film.

Comment se passe l'interférence des couches minces ?

Travail d'interférence de film mince | Explication des interférences en couche mince

Selon l'optique, un film mince fait référence à une couche mince d'un matériau dont l'épaisseur se situe dans la plage de sous-nanomètre à microns. Lorsque les ondes lumineuses tombent sur la surface du film mince, elles sont soit réfléchies par la surface supérieure du matériau, soit transmises à travers celle-ci. Les ondes lumineuses qui parviennent à se transmettre à travers la surface supérieure peuvent à nouveau souffrir d'une réflexion ou d'une transmission à partir de la surface inférieure du film mince. La quantité de lumière (description quantitative) qui peut être réfléchie ou transmise par les surfaces du matériau est régie par les équations de Fresnel.

Parfois, les ondes lumineuses qui sont réfléchies par la surface supérieure interagissent ou interfèrent avec les ondes lumineuses qui sont réfléchies par la surface inférieure et forment un motif d'interférence. Le niveau d'interférence qui peut être soit constructif soit destructeur entre les deux ondes lumineuses réfléchies dépend de la différence de phase des deux ondes lumineuses.

La différence de phase entre les deux ondes dépend à nouveau de la largeur ou de l'épaisseur de la couche de film mince, de l'indice de réfraction du film mince et de l'angle auquel l'onde lumineuse initiale est incidente sur la couche de film donnée. Par ailleurs, l'indice de réfraction du milieu de l'autre côté de la frontière du film participe également au déphasage de 180° ou radians.

Une onde lumineuse peut subir un déphasage de 180° après réflexion depuis la limite inférieure si l'indice de réfraction du milieu que la lumière frappe est supérieur à l'indice de réfraction du milieu dans lequel la lumière voyageait initialement. En d'autres termes, on peut dire que si n1 est l'indice de réfraction du premier milieu et n2 est l'indice de réfraction du matériau du film et on sait que n1 < n2, alors l'onde lumineuse voyageant du milieu 1 au milieu 2, peut subissent un déphasage de π radians après réflexion.

Après l'interférence d'un tel milieu, on observe que le motif d'interférence de la lumière forme soit des bandes lumineuses et sombres alternées, soit des bandes de couleurs différentes en fonction du type de lumière incidente (chromatique ou monochromatique ou blanche).

Dépendance de l'interférence du film mince sur la longueur d'onde

Condition d'interférence constructive et destructive dans le film mince

Condition d'interférence destructive dans le film mince

La condition pour qu'une interférence destructive se produise, c'est-à-dire la condition nécessaire pour que les rayons lumineux réfléchis interfèrent et s'annulent les uns les autres, est que l'épaisseur du film doit être un multiple impair de 1/4 de la longueur d'onde de la lumière incidente. L'onde lumineuse appartenant à une telle gamme de longueurs d'onde ne peut pas être réfléchie et est donc complètement transmise.

film mince
Interférence destructrice. Source de l'image : JhbdelInterférence en couche mince phase 2CC BY-SA 3.0

Condition pour interférence constructive en couches minces

La condition pour interférence constructive c'est-à-dire que la condition nécessaire pour que les rayons lumineux réfléchis interfèrent et se renforcent mutuellement est que l'épaisseur du film doit être un multiple impair de la moitié de la longueur d'onde de la lumière incidente sur celui-ci. Dans de tels cas, la réflexion des ondes lumineuses par la limite du film mince augmente et la transmission des ondes diminue.

mince flim constructif
Interférence constructive. Source de l'image : JhbdelInterférence en couche mince phase 1CC BY-SA 3.0

Quelle est la cause d'un film mince à voir coloré dans une lumière blanche ?

Dépendance de l'interférence de la couche mince sur la couleur de la lumière.

En raison de la dépendance du niveau d'interférence sur la longueur d'onde dans les films minces, on constate que la lumière blanche qui comprend un certain nombre de longueurs d'onde est réfléchie et transmise de manière inégale. Certaines longueurs d'onde ou couleurs de lumière blanche s'intensifient après une interférence constructive et certaines longueurs d'onde ou couleurs souffrent d'interférences destructives et sont atténuées. Le phénomène d'interférence des couches minces nous fournit une explication sur l'apparition de plusieurs couleurs de lumière provenant des bulles de savon et des films d'huile après réflexion.

Revêtements anti-reflets en termes d'interférences en couches minces

Les traitements antireflet incorporés dans les objectifs et les lunettes des caméras agissent également sur le phénomène d'interférence des couches minces. Ceux-ci sont conçus de telle sorte que le déphasage relatif entre le faisceau réfléchi aux limites supérieure et inférieure d'un film mince soit de 180°.

Facteurs dont dépend l'épaisseur des films minces :

L'épaisseur ou la largeur réelle du film qui est couvert par les ondes lumineuses tout en le traversant dépend de deux facteurs principaux : son indice de réfraction et l'angle d'incidence de l'onde lumineuse entrante. Lorsque l'indice de réfraction du milieu augmente par rapport à l'indice de réfraction de l'air, la vitesse de la lumière diminue. Autrement dit, on peut dire que la vitesse de la lumière dans un milieu est inversement proportionnelle à l'indice de réfraction du milieu.

Nous savons que la fréquence de la lumière reste la même pour chaque milieu, donc la variation de vitesse se produit en raison du changement de longueur d'onde de la lumière. Pour cette raison, les films sont fabriqués en gardant à l'esprit la longueur d'onde lorsque la lumière se propage à travers le film mince.

Lorsque l'angle d'incidence est de zéro degré ou que les ondes lumineuses tombent normalement, l'épaisseur du film est généralement 1/4 ou 1/2 de la longueur d'onde centrale de la lumière incidente. Lorsque l'angle d'incidence est oblique, l'épaisseur du film est donnée par le produit du cosinus de l'angle d'incidence avec 1/4 ou 1/2 de la longueur d'onde. Cela explique pourquoi parfois nous voyons une variation de couleur lorsque nous changeons d'angle de vue. (Pour une largeur de film donnée, la couleur de la lumière passe des longueurs d'onde les plus courtes aux plus longues lorsque nous inclinons l'angle d'incidence de la position normale à l'oblique.)

Couleur de la lumière générée par l'interférence des couches minces :

Après passage à travers le film mince, des interférences constructives ou destructives se produisent et cela génère une réflexion étroite ou des bandes passantes de transmission. En raison de la formation de ces bandes passantes étroites, nous ne pouvons pas distinguer les longueurs d'onde en fonction de la couleur. La lumière réfléchie ou transmise comprend un mélange de plusieurs longueurs d'onde absentes du reste du spectre.

Une telle visée est également générée par des prismes ou des réseaux de diffraction. Les couleurs observées dans ce cas appartiennent rarement au spectre VIBGYOR (Violet, Indigo, Bleu, Vert, Jaune, Orange, Rouge) et sont généralement des nuances de brun, sarcelle, or, lavande, turquoise, bleu vif et magenta.

Nous pouvons examiner et analyser l'onde lumineuse réfléchie ou transmise par un film mince pour recueillir des informations sur la largeur du film mince ou l'indice de réfraction opératoire du milieu à film mince. Les films minces sont utilisés dans le commerce à diverses fins telles que les revêtements antireflet, les lentilles de caméra antireflet, les miroirs et les filtres optiques.

Qu'est-ce que l'interférence des couches minces Qu'est-ce qui donne la couleur aux bulles de savon et aux déversements d'huile ?

Interférence de couche mince dans la bulle de savon :

Le phénomène d'interférence des couches minces nous fournit une explication sur l'apparition de plusieurs couleurs de lumière provenant des bulles de savon et des films d'huile après réflexion. Après passage à travers le film mince, des interférences constructives ou destructives se produisent et cela génère une réflexion étroite ou des bandes passantes de transmission. Par conséquent, la surface des bulles de savon agit comme un film mince et produit un spectre de couleurs similaire à celui d'un arc-en-ciel.

Bulle de savon ciel 2
Interférence de couche mince dans une bulle de savon. Source de l'image : Inaglorie de BrockenCiel de bulle de savonCC BY-SA 3.0

Comment savoir si les interférences des couches minces sont constructives ou destructives ?

Dérivation d'interférence en couche mince | Équation d'interférence de couche mince :

Considérons un scénario dans lequel des ondes lumineuses sont incidentes sur un matériau en couche mince. Ces rayons lumineux sont réfléchis à la fois par les limites supérieure et inférieure du film mince. L'épaisseur optique ou la différence de chemin optique (OPD) de la lumière réfléchie doit être mesurée pour obtenir les conditions d'interférence.

Diagramme d'interférence en couche mince

Interférence de couche mince
Représentation schématique de la différence de chemin optique dans un film mince. Source de l'image : NicoguaroInterférence de couche minceCC BY 4.0

Compte tenu du diagramme de rayons ci-dessous, la différence de chemin optique entre les deux ondes lumineuses est donnée par :

1

Ici,

2

En utilisant la loi de Snell, on peut dire que

3

Par conséquent,

4

Film mince de formule d'interférence constructive | Film mince de formule d'interférence destructrice

Lorsque l'OPD ou la différence de chemin optique entre les deux ondes est égale à un multiple entier de la longueur d'onde donnée de la lumière, c'est-à-dire OPD = mλ, (où m est un entier), alors une interférence destructive peut se produire. Pour obtenir des interférences constructives, la différence de longueur de trajet requise (2t) doit être égal à un multiple entier de la moitié de la longueur d'onde donnée.

Cependant, on observe que cette condition d'interférence constructive ou destructive peut changer en fonction des déphasages possibles. Cependant, on constate que

Quelles sont les applications des interférences en couches minces ?

Application de l'interférence en couche mince :

Le phénomène d'interférence des couches minces est utilisé pour les applications suivantes :

  • Revêtements antireflet: Les revêtements antireflet sont utilisés pour éliminer ou limiter la lumière réfléchie par un système optique (miroirs, lentilles, etc.) et maximiser ou améliorer la lumière transmise par un tel système. Un revêtement antireflet est conçu ou fabriqué de telle sorte que la lumière réfléchie par le système optique génère des interférences destructives et que la lumière transmise par le système optique génère des interférences constructives pour une certaine couleur ou longueur d'onde de la lumière incidente.

Typiquement, un revêtement antireflet est conçu de telle sorte que sa largeur ou son épaisseur optique soit égale à un quart de longueur d'onde de l'onde lumineuse incidente et que l'indice de réfraction du milieu se situe entre l'indice de réfraction de l'air et l'indice de réfraction du verre. Mathématiquement, cela peut être démontré par les équations :

nair <nélectrolytiques <nen verre.

d= /(4nélectrolytiques)

  • Fabrication d'instruments optiques: Le phénomène d'interférence de couches minces est largement utilisé pour la fabrication d'instruments optiques. Les composants optiques tels qu'une lentille ou un miroir sont testés pour leur précision en les comparant à un maître lors de leur conception et de leur fabrication. Ces composants optiques sont conformés de manière à avoir une précision inférieure à une longueur d'onde sur toute la surface du système.
  • Objectifs de la recherche: L'interférence de film mince peut fournir des informations sur l'indice de réfraction d'un matériau, son épaisseur optique, l'interaction avec différentes longueurs d'onde de la lumière, etc. Pour cette raison, l'interférence de film mince est utilisée pour analyser et comparer plusieurs supports optiques différents.

Questions d'interférence de couche mince | Problèmes d'exemple d'interférence de couche mince | Chiffre lié à l'interférence des couches minces :

Les caméras complexes sont conçues en utilisant une combinaison de séries de plusieurs objectifs et miroirs. Parfois, les rayons lumineux sont réfléchis par ces surfaces de lentilles et réduisent la clarté et la résolution de l'image. Ces reflets parasites internes des lentilles sont limités en recouvrant les lentilles d'une fine couche de fluorure de magnésium. Le revêtement antireflet provoque des interférences destructrices en couches minces et élimine la lumière parasite.

Problèmes de pratique d'interférence de film mince

Quelle peut être selon vous la largeur de film la plus fine possible, si l'indice de réfraction du revêtement est égal à 1.38 et la longueur d'onde sur laquelle il est conçu pour fonctionner de manière optimale est de 550 nm, qui est généralement la longueur d'onde la plus intense appartenant au spectre visible ? L'indice de réfraction du verre est pris égal à 1.52.

Solution:

Pour obtenir des interférences destructrices ici,

2t=n2/2

Soit la longueur d'onde dans le filmn2 et est donné par

λn2= /n2

Par conséquent, l'épaisseur t peut être donné par

t = (λ/n2)/4 = (550 nm/1.38) /4 = 99.6 nm

Remarque: Les films de revêtement antireflet comme celui mentionné dans cette question sont considérés comme l'un des moyens les plus efficaces de générer des interférences destructives avec l'utilisation de la couche la plus mince possible. Cela fournit également une intensité de lumière parasite réduite appartenant à un spectre plus large et sur une plus large plage d'angles d'incidence.

Le revêtement antireflet tire son nom de sa fonction de réduire la réflexion d'une longueur d'onde particulière. Cependant, des longueurs d'onde autres que celles mentionnées peuvent traverser partiellement le filtre, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas entièrement annulées. Ces revêtements antireflet sont également utilisés pour la fabrication de vitres d'automobiles et de lunettes de soleil.

Trouver les trois plus petites largeurs optiques possibles d'une bulle de savon qui peuvent générer des interférences constructives pour la lumière appartenant au spectre rouge ayant une longueur d'onde de 650 nm ? L'indice de réfraction de la bulle de savon est considéré comme égal à l'indice de réfraction de l'eau dans ce cas.

Solution: Ici, n1 = n= 1.00 pour l'air

n2 = 1.333 pour le savon (équivalent à de l'eau).

 Un décalage de /2 se produit pour le rayon réfléchi par la surface supérieure de la bulle de savon. Le rayon qui souffre de la réflexion de la surface inférieure ne subit aucun décalage.

Pour obtenir des interférences constructives, la différence de longueur de trajet requise (2t) doit être égal à un multiple entier de la moitié de la longueur d'onde donnée.

Par conséquent, les trois premières valeurs de différence de longueur possibles sont λn/2, 3λn/2 et 5λn/2.

Pour obtenir une interférence destructive, la différence de longueur de trajet requise doit être égale au multiple entier de la longueur d'onde donnée.

Par conséquent, les trois premières valeurs de différence de longueur possibles sont 0, λn, et 2λn.

Alors,

Interférence constructive peut avoir lieu lorsque 

2tc= n/2, 3λn/2 et 5λn/2, et ainsi de suite

Par conséquent, la plus petite largeur ou épaisseur constructive possible tc est égal à:

tc= n/4 = (λ/n)/4 = (650 nm/1.333)/4 = 122 nm

La deuxième valeur possible de l'épaisseur qui peut fournir une interférence constructive est t»c = 3λn/4, donc, t»c = 366 nm.

De même, la troisième valeur possible de l'épaisseur qui peut fournir une interférence constructive est t′ ′c = 5λn/4, donc, t′ ′c = 610 nm.

Remarque: À partir de la question ci-dessus, nous pouvons observer que si la lumière incidente était purement rouge, nous pourrions alors observer des bandes lumineuses et sombres qui augmentent uniformément en termes d'épaisseur.

La position de la première bande sombre possible serait à 0 épaisseur, puis la première bande brillante possible pourrait être positionnée à 122 nm d'épaisseur, puis la deuxième bande sombre à 244 nm, la bande lumineuse à 366 nm, la bande sombre à 488 nm et brillante bande à 610 nm. Si la bulle de savon avait une variation uniforme d'épaisseur partout, comme un coin lisse, alors le motif de bande obtenu serait réparti uniformément dans l'espace.

Pourquoi ne voyons-nous pas d'interférences dans les films épais ?

Les sources lumineuses ne sont généralement pas infiniment petites dans le monde pratique. Les ondes lumineuses se déplacent sous la forme d'un faisceau ayant une certaine largeur. Cela signifie que les ondes lumineuses sont incidentes sur la surface d'un matériau sur une plage d'angles. Pour les films minces, les angles couvrent approximativement la même quantité de différence de chemin optique et génèrent un motif d'interférence.

Cependant, pour les matériaux en couches épaisses, la différence de chemin optique à différents angles n'est pas la même. Sous certains angles, les ondes lumineuses montrent des interférences constructives, tandis que certains angles montrent interférence destructive. Le motif résultant est donc annulé et nous ne pouvons voir aucune interférence.

Pourquoi une large source de lumière est-elle nécessaire pour observer le motif d'interférence par un film mince ?

Si l'on considère une source étroite ou une source ponctuelle de lumière pour observer les interférences, alors elle ne pourra éclairer qu'une petite partie sélective du film mince. En d'autres termes, l'œil humain ne pourra voir qu'une certaine section du film mince. Pour cette raison, il sera plutôt impossible d'observer l'intégralité du motif d'interférence.

Contrairement à cela, lorsque nous utilisons une source de lumière plus large, les ondes lumineuses illuminent toute la surface à des angles d'incidence considérablement différents et renvoient un faisceau parallèle à l'œil humain. Cela aide à visualiser l'intégralité du motif d'interférence formé par le film mince.

Comment trouver l'épaisseur minimale d'un film mince ?

L'épaisseur minimale requise t du film mince est donnée par l'équation t = (λ/n2)/4. Où n2 est l'indice de réfraction du film mince.

Conclusion : Dans ce didacticiel sur les notes d'interférence de couche mince, nous en avons terminé avec la discussion sur l'interférence de couche mince, l'équation, le travail, la dépendance, les applications, les problèmes et quelques questions fréquemment posées. Pour en savoir plus sur l'énergie lumineuse cliquez ici .

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