P 27: Interferenz an dünnen Schichten: Seifenblasen, Interferometer, Vergütung, aktualisiert

  2.9.6 Animation veränderlicher Seifenhäute

Zuerst seht euch mal dieses Video der Uni Illmenau an:

 Und nun spielt mit der Animation dazu auf Leifiphysik:

 Animation zu dünnen Schichten

Tipps zum Umgang mit der Animation: 

- Zum Aufbau einer Seifenblasenhaut siehe letzten Post. Das, was nach unten dicker wird, ist die eingeschlossene Wasserschicht. Deswegen ist der Regler für die Dicke oben immer auf kleineren Werten als die Dicke unten: d<D.

weahtherchannel

- Stellt farbiges Licht ein. Zuerst rotes Licht. Die Regler für Dicke oben und unten sind beide zu Beginn ganz links.

 Oben kann man die Seifenblase extrem dünn machen (weniger als 1% der Wellenlänge).

Erklärt das Bild! Denkt daran, die Seifenblase wird wegen der Schwerkraft auf die Flüssigkeit nach unten immer dicker (bis zum eingestellten Wert).

- Nun macht die Wellenlänge kürzer. Was könnt ihr beobachten? Erklärt es euch gegenseitig und schreibt euch wesentliche Erkenntnisse in euer Heft!

- Verstellt mal den Brechungsindex... wenn der Brechungsindex größer wird, kommen von unten (der dickeren Seite) immer neue Streifen dazu. Wieso?

- Und nun ein ganz konkreter Wert: n= 1,5, Dicke oben 95 nm, unten beliebig (fahrt mal durch und erklärt die Beobachtung), Wellenlänge 380 nm...oben ist schwarz...Wieso?

- Nun geht auf 570 nm Wellenlänge. Oben ist es hell. Wieso?

- Und zum Schluß: Stellt auf weißes Licht. Die vorher eingestellten farbigen Streifen bleiben stehen, aber es kommen neue Farben hinzu...

Wieso? Und wieso sind unter den jeweiligen vorherigen Streifen langwelligere Farben und oben drüber kurzwelligere Farben?

Wieso wechselt sich das ab?

Bitte notiert euch alles als Regel in euer Heft:

>>> Wenn oben die Seifenblase wesentlich dünner als..., dann ....

usw....

2.9.7 Das Fabry- Pérot Interferometer

Wir haben nur den Fall betrachtet, dass das Licht nur einmal hin und her reflektiert wird. Im Prinzip kann es sehr oft hin- und herlaufen und nicht nur zwei sondern viele Strahlen treten an Ober- oder Unterseite aus.

Dann müssen die Wellenlängen, bei denen Maxima auftreten, viel genauer getroffen werden.

Eine solche Doppel-Platte nennt man dann ein Interferometer...dieses hier nach seinen Erfindern Fabry- Pérot - Interferometer.

aus Spektrum.de

 

Man kann den Bereich zwischen den beiden Glasplatten auch als Resonator für Lichtwellen auffassen. Nur eine bestimmte Wellenlänge schauckelt sich auf und tritt aus.

Wir werden diesen Trick bei der Funktionserklärung für einen Laser wiederfinden.

Mit einem solchen Interferometer  kann man mit höchster Genauigkeit Wellenlängen filtern oder einstellen.

Dass mehr Strahlen zu schärferen Bildern führen als wenige Strahlen, kennt ihr:

Ein Doppelspalt bringt zwei Strahlen zur Überlagerung. es gibt recht breite Maxima. Ein Gitter bringt sehr viele Strahlen zur Überlagerung, die Maxima liegen weit voneinander entfernt und sind sehr scharf. Mit einem Gitter kann ich also viel besser Wellenlängen getrennt beobachten als mit einem Doppelspalt.

 2.9.8 Vergütung

Eine wichtige Anwendung (und beliebte Rechenaufgabe) ist die Vergütung einer Linse.

astroshop

 

Durch Bedampfen mit (durchaus mehreren) dünnen Schichten sorgt man dafür, dass bestimmte Farbbereiche durch Interferenz an dünnen Schichten besonders gut durchgelassen werden oder besonders schlecht reflektiert werden.

Letzteres nennt man das "Entspiegeln eines Brillenglases" (Reflexminderung):

Wenn man einem Brillenträger in das Gesicht sieht, erkennt man weniger Reflexe auf der Brille und kann der Person besser in die Augen sehen....

Optik Ripken

 Besonders gut sieht man die Vergütung an Objektiven von Ferngläsern.

Normale optische Linsen lassen nur etwa 60% des Lichtes durch. Möchte man besonders das rötliche Streulicht reduzieren, so muss die Vergütungsschicht dafür sorgen, dass rotes Licht besonders gut reflektiert wird, also nicht durchkommt. Dann verstärkt man das gelb/grüne und blaue Licht, das bis zu 95% durchgelassen wird.

Eine solche Vergütungsschicht schimmert dann rötlich.

Bresser Optik

Bei hochwertigen Objektiven arbeitet man mit bis zu 15 Vergütungsschichten.

Die beiden Bilder oben zeigen die Vergütung auf den Objekltiven eines der teuersten Ferngläser, die es gibt (Inventar Sternwarte auf dem SFN).

Erklärung:

Man dampft eine Schicht auf die Linse, deren Brechungsindex kleiner als der des Glases ist.

Dann tritt sowohl bei der Reflexion an der Grenze Luft/Schicht als auch an der Grenze Schicht/Glas ein Phasensprung auf. Phasensprünge treten also bei A und B im folgenden Bild auf.

wikipedia commons

Wir machen es wieder vereinfacht und betrachten nur den senkrechten Fall:

Man erkennt: Möchte man eine bestimmte Wellenlänge im reflektierten Licht unterdrücken, so muss

∆xR = 2 n`*d + λ /2  - λ/2 = 2n`* d = λ /2 sein. Im durchgehenden Licht ist dann diese Wellenlänge durch den Gangunterschied 2n`*d +  λ /2  =  λ /2 + λ /2 =   λ verstärkt.

Übungsaufgabe:

Auf eine Linse soll eine dünne Schicht der Dicke d = 100 nm aufgedampft werden. Dadurch soll Licht der Wellenlänge 550 nm besonders gut durchgelassen werden.

Welchen Brechungsindex n`muss diese Schicht bekommen?

(Antwort: 2 n`* 100 nm = 550nm/2 ergibt n`= 1,375)

Mit einer nanokristallinen Vergütungsschicht (Strukturen kleiner als typische Lichtwellenlängen) erreichen Cannon- und Nikon bei ihren teuren Objektiven inzwischen Durchlässigkeiten von 99,95%. Nur 0,05% werden reflektiert!

Das hat die Bildqualität deutlich verbessert.