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Optische Detektionsverfahren in der Sensorik

Weißlichtinterferenz

Trifft Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex, wird je ein Teil der Strahlung reflektiert und transmittiert. In Systemen mit dünnen planparallelen Schichten tritt Mehrfachreflexion auf.

Bei geringen Reflektivitäten müssen aber nur Einfachreflexionen von Teilstrahlen an verschiedenen Grenzflächen berücksichtigt werden. Die unterschiedliche Länge der zurückgelegten Wege der Teilstrahlen führt zum Gangunterschied und damit zur relativen Phasenverschiebung. Bei der Überlagerung der Teilstrahlen erhält man Interferenzeffekte, wenn die Schicht hinreichend dünn ist und der Gangunterschied innerhalb der Kohärenzlänge liegt. Die Detektion des Interferenzmusters erfolgt nach Wellenlängen aufgelöst.

Bei RIfS1) erfolgt die Messung bei senkrechtem Lichteinfall, das bedeutet, der zusätzliche Lichtweg für den zweiten Teilstrahl entspricht der zweifachen Schichtdicke d . Zu berücksichtigen ist außerdem die geänderte Wellenlänge in der Schicht mit dem Brechungsindex n. Dies führt zu einer Phasenverschiebung:

δ = 2 n n d λ

Das Produkt n d bezeichnet man als optische Schichtdicke der Schicht. Hier geht neben der physikalischen Schichtdicke auch noch der Bezug zur Wellenlänge ein. Ist bei einem größeren Brechungsindex die Wellenlänge kleiner, so ist im Vergleich zur Wellenlänge die Schichtdicke größer.

Ein zusätzlicher Phasenfaktor Φ kommt durch den Phasensprung bei Reflexion (Fresnel'sche Formeln) zustande. Bei senkrechtem Einfall ist Φ = π .

1)RIfS: Reflektometrische Interferenzspektroskopie
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