Interferencia en películas delgadas

Objetivos de aprendizaje.

Discuta la formación del arco iris en películas delgadas.

Los colores brillantes que se ven en una mancha de aceite que flota en el agua, o en una burbuja de jabón iluminada por el Sol, son causados ​​por el fenómeno de la interferencia. Los colores más brillantes son aquellos en donde se produce interferencia constructiva. Esta interferencia es entre la luz reflejada desde diferentes superficies de una película delgada; por lo tanto, este efecto se conoce como interferencia de película delgada. Como se observó anteriormente, los efectos de interferencia son más notorios cuando la luz interactúa con algo que tiene un tamaño similar a su longitud de onda. Una película delgada es aquella que tiene un espesor t menor que unas pocas veces la longitud de onda de la luz, λ. Dado que el color está asociado indirectamente con λ y dado que toda interferencia depende de alguna manera de la relación de λ al tamaño del objeto involucrado, deberíamos esperar ver diferentes colores para diferentes espesores de una película, como en el gráfico mostrado en la figura inferior (estas burbujas de jabón exhiben colores brillantes cuando se exponen a la luz solar).

¿Qué causa la interferencia de película delgada?

La figura superior muestra cómo la luz reflejada desde las superficies superior e inferior de una película puede interferir. La luz incidente se refleja solo parcialmente en la superficie superior de la película (rayo 1). El resto ingresa a la película y se refleja parcialmente en la superficie inferior. Parte de la luz reflejada en la superficie inferior puede emerger desde la parte superior de la película (rayo 2) e interferir con la luz reflejada desde la parte superior (rayo 1). Dado que el rayo que ingresa a la película recorre una mayor distancia, puede estar en fase o fuera de fase con el rayo reflejado desde la parte superior.
Sin embargo, considere por un momento, nuevamente, las burbujas de la primera figura. Las burbujas son más oscuras donde son más delgadas. Además, si observa cuidadosamente una burbuja de jabón, notará que se oscurece en el punto donde se rompe. Para películas muy delgadas, la diferencia trayectorias del rayo 1 y el rayo 2 en la figura superior es insignificante; entonces, ¿por qué deberían interferir destructivamente y no constructivamente? La respuesta es que puede ocurrir un cambio de fase tras la reflexión. La regla es la siguiente:

Cuando la luz se refleja desde un medio que tiene un índice de refracción mayor que el del medio en el que viaja, un cambio de fase a 180º (o un cambio a λ/2) ocurre.

La luz que golpea una película delgada se refleja parcialmente (rayo 1) y se refracta parcialmente en la superficie superior. El rayo refractado se refleja parcialmente en la superficie inferior y emerge como rayo 2. Estos rayos interferirán de una manera que dependerá del grosor de la película y los índices de refracción de los diversos medios.
Si la película en la figura anterior es una burbuja de jabón (esencialmente agua con aire en ambos lados), entonces hay un cambio λ/2 para el rayo 1 y ninguno para el rayo 2. Por lo tanto, cuando la película es muy delgada, el la diferencia de camino entre los dos rayos es insignificante, están exactamente fuera de fase y se producirán interferencias destructivas en todas las longitudes de onda, por lo que la burbuja de jabón estará oscura aquí.
El grosor de la película en relación con la longitud de onda de la luz es el otro factor crucial en la interferencia de la película delgada. El rayo 2 en figura anterior recorre una distancia mayor que el rayo 1. Para la luz incidente perpendicular a la superficie, el rayo 2 recorre una distancia de aproximadamente 2t más lejos que el rayo 1. Cuando esta distancia es un múltiplo integral o medio integral de la longitud de onda en el medio (λ_n = λ/n, donde λ es la longitud de onda en el vacío n es el índice de refracción), se produce una interferencia constructiva o destructiva, dependiendo también de si hay un cambio de fase en rayo.

Fuente:
https://opentextbc.ca/physicstestbook2/chapter/thin-film-interference/