Physik & Technik

Schichtdicke für Interferenz an dünnen Schichten berechnen

Geben Sie Wellenlänge, Brechzahl von Umgebung, Schicht und Untergrund sowie die gewünschte Ordnung ein und wählen Sie Auslöschung oder Verstärkung.

Schicht und Licht
Grün 550 nm liegt in der Mitte des sichtbaren Spektrums.
Luft 1,0; Wasser 1,33.
Magnesiumfluorid 1,38; Seifenlauge etwa 1,33; Titandioxid etwa 2,4.
Kronglas 1,52; bei einer Seifenhaut in Luft 1,0.
Ergebnis

Wie dick muss die Schicht sein?

Seifenblasen, Ölfilme auf Pfützen und die bläulich schimmernden Gläser von Brillen und Kameraobjektiven zeigen denselben Effekt: Licht wird an der Ober- und Unterseite einer dünnen Schicht reflektiert, und die beiden Teilwellen überlagern sich. Je nach Schichtdicke und Wellenlänge verstärken sie sich oder löschen sich aus.

Entscheidend ist der Gangunterschied von zweimal Schichtdicke mal Brechzahl, dazu kommen Phasensprünge. Wird Licht an einem optisch dichteren Medium reflektiert, springt seine Phase um eine halbe Wellenlänge. Der Rechner prüft an beiden Grenzflächen, ob ein Sprung auftritt, und wählt danach die richtige Bedingung für Auslöschung oder Verstärkung.

Ergebnis ist die Schichtdicke der gewählten Ordnung, also die dünnste, zweitdünnste und so weiter. Zusätzlich berechnet der Rechner mit den Fresnel-Formeln den Reflexionsgrad bei der gewählten Wellenlänge mit und ohne Schicht und nennt die Brechzahl, mit der eine einzelne Schicht die Reflexion vollständig auslöschen würde.

Gangunterschied Δ=2⋅n 1⋅d; λ / 4−Schicht: d=(2 m−1)⋅λ / (4⋅n 1); λ / 2−Schicht: d=m⋅λ / (2⋅n 1)\text{Gangunterschied}\,\Delta = 2 \cdot n\,1 \cdot d;\ \lambda\,/\,4 - \text{Schicht}:\ d = \left(2\,m - 1\right) \cdot \lambda\,/\,\left(4 \cdot n\,1\right);\ \lambda\,/\,2 - \text{Schicht}:\ d = m \cdot \lambda\,/\,\left(2 \cdot n\,1\right)

Beispiel: Entspiegelung von Kronglas (n2 = 1,52) mit Magnesiumfluorid (n1 = 1,38) in Luft für 550 nm. Beide Reflexionen haben einen Phasensprung, also löscht eine λ/4-Schicht aus: d = 550 nm / (4 · 1,38) = 99,64 nm. Die Reflexion sinkt von 4,26 % auf 1,26 %.

Entspiegelung, Seifenhaut und Grenzen

Eine einfache Antireflexschicht aus Magnesiumfluorid ist seit Jahrzehnten Standard. Ideal wäre eine Brechzahl gleich der Wurzel aus dem Produkt der Brechzahlen von Luft und Glas, bei Kronglas also etwa 1,23. Weil es kaum haltbare Stoffe mit so niedriger Brechzahl gibt, bleibt bei einer Einzelschicht eine Restreflexion von gut einem Prozent. Hochwertige Brillengläser und Objektive tragen daher mehrere Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl.

Bei einer Seifenhaut in Luft gibt es nur an der Vorderseite einen Phasensprung. Die Bedingungen kehren sich um: Eine sehr dünne Haut erscheint im reflektierten Licht dunkel, kurz bevor die Blase platzt. Dickere Bereiche schillern farbig, weil für jede Farbe eine andere Dicke zur Verstärkung führt.

Die Wellenlänge, für die eine Schicht ausgelegt ist, wird nur dort exakt ausgelöscht. Für Blau und Rot bleibt eine geringe Reflexion übrig; deshalb erscheinen entspiegelte Gläser meist grünlich oder violett. Höhere Ordnungen ergeben dickere Schichten, die zwar leichter herzustellen sind, aber schmalbandiger wirken.

Der Rechner gilt für senkrechten Lichteinfall und nicht absorbierende Schichten. Bei schrägem Einfall wird der wirksame Gangunterschied kleiner, die Farben verschieben sich zu kürzeren Wellenlängen. Die Zusammenhänge folgen der Wellenoptik und den Fresnel-Gleichungen, wie sie in Optik-Lehrbüchern beschrieben sind.

Tipps und typische Fehler

Schichten planen.

  • Phasensprung: Prüfen.
  • Ordnung: 1 = dünnste.
  • Ideal: n = √(n0 · n2).
  • Winkel: Senkrecht.

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Häufige Fragen

Was ist eine λ/4-Schicht?

Eine Schicht, deren optische Dicke einem Viertel der Wellenlänge entspricht. Der Hin- und Rückweg ergibt eine halbe Wellenlänge Gangunterschied.

Warum spiegeln entspiegelte Brillen trotzdem leicht farbig?

Die Schicht ist für eine Wellenlänge optimiert. Für die anderen Farben bleibt eine kleine Restreflexion, die als grüner oder violetter Schimmer sichtbar wird.

Wann entsteht ein Phasensprung?

Wenn Licht an einem Stoff mit höherer Brechzahl reflektiert wird, etwa beim Übergang von Luft in Glas. Beim Übergang in ein dünneres Medium gibt es keinen Sprung.

Warum schillern Ölfilme farbig?

Die Dicke ändert sich von Ort zu Ort, und jede Dicke verstärkt eine andere Farbe.

Welches Material wird für Entspiegelung genutzt?

Häufig Magnesiumfluorid, bei Mehrfachschichten zusätzlich Oxide mit hoher Brechzahl.

Auch gesucht als:
  • Dünnschicht Interferenz berechnen
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  • Lambda Viertel Schicht
  • Antireflexschicht berechnen
  • Interferenz Seifenhaut
  • Phasensprung Reflexion
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