DD279077A1

DD279077A1 - Steuerbares beugungsgitter

Info

Publication number: DD279077A1
Application number: DD32442988A
Authority: DD
Inventors: Guenter Fenske
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1988-12-29
Publication date: 1990-05-23
Also published as: DE3943387A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Beugungsgitter, das als Bauelement optischer und spektroskopischer Geraete eingesetzt wird. Das erfindungsgemaesse Gitter ist dadurch gekennzeichnet, dass sein Gittertraeger aus elektromechanisch wandelbarem Material mit transversalem Effekt besteht. Grossflaechige Elektroden gestatten das Anlegen elektrischer Felder an die beiden Hauptflaechen des Gittertraegers. Spannungsaenderungen sorgen fuer elastische Verformungen des Gittertraegers und der eingepraegten optisch wirksamen Gitterprofile. Die resultierenden Aenderungen der Furchendichte haben Winkelaenderungen der gebeugten Strahlung zur Folge, die zur Feindurchstimmung spektraler Linienprofile benutzt werden. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft steuerbare Beugungsgitter, die vorzugsweise als Bauelemente optischer und spektroskopischer Geräte eingesetzt werden sowie als Durchstimmelemente in breitbandig durchstimmbaren Lasern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beugungsgitter für die optische Spektroskopie sind seit langem bekannt und in ihrer Wirkungsweise beschrieben (Handbuch der Physik XXIX, Hrsg. S. Flügge, Springer Bln. 1S67, Born, M., und Wolf, E., Principles of Optics, Pergamon P., OxfcJ 1965). Ihre Wirkung für die Spektroskopie besteht in der Dispersion der üuellenstrahlung. Die Dispersion ist eine Funktion der Furchendichte des Gitters. Der Einsatz des Gitters im Spektrometer führt in Abhängigkeit von der Dispersion und dem Abbildungssystem zu einer spektralen Intensitätsverteilung in der Empfängerebene. Die Spektralanalyse verlangt eine Abtastung oder Durchstimmung in Richtung der Wellenlänge-Koordinate.

Die bekannten Lösungen zum Durchstimmen der Wellenlänge beruhen auf der mechanischen Bewegung eines optischen oder mechanischen Bauelements, bei Monochromatoren meistens auf de. Drehung des Gitterkörpers in einer mechanischen Halterung. Die auszuführenden Bewegungen müssen von hoher mechanischer Präzision und Feinfühligkeit sein und hohe Stabilität besitzen, um die spektrale Durchstimmung verzerrungsarm zu gestalten. Solche Lösungen benötigten konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand sowie Raum und Gewicht für die bewegliche Mechanik und die bewegende Motorik. Außerdem besitzen solche Durchstimmungsmechanismen aufgrund der massebehafteten Bauelemente eine erhebliche Trrgheit und sind schnellen Durchstimmungvorgängen schwer zugänglich.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur latenten Erzeugung eines Beugungsgitters in eir.em elektromechanisch w. .idelbaren Material (DE-AS 2655907, G 02 F, 1/03). Unter Ausnutzung der longitudinalen Wirkung eines elektrischen Feldes in diesem Material auf der Oberfläche eines Gitterträgers und durch das Anbringen einer Vielzahl interdigitaler Elektroden wird lokal ein der Elektrodenstruktur folgendes Reflexionsmuster erzeugt. Dieses latente Muster ist durch das elektrische Feld steuerbar. Das Ergebnis ist eine Intensitätsmodulation der gebeugten Strahlung. Der Nachteil der Anordnung besteht in der für die optische Spektroskopie mangelnden Dichte der interdigitalen Elektroden und die Schwierigkeiten ihrer Herstellung. Eine andere Vorrichtung (US-PS 4,011,009 G 02 B, 5/18) beschreibt ein Reflexions-Beugungsgitter, das ein elektromechanischwandelbares Material benutzt, um den ßlaze-Winkel zu steuern. Dazu wird ein elektrisches Feld an eine Vielzahl separater Elektroden unter der Oberfläche eines Gitterträgers angebracht, um den Blaze-Winkel eines bereits eingeprägten Gitters zu verändern. Der Effekt ist eine Modulation der gebeugten Strahlung in der Empfängerebene. Der Nachteil besteht in der Herstellung und Kontaktierung der Vielzahl von Elektroden in der Oberfläche des Gitterträgers.

Im Unterschied zum Durchstimmverhalten der bekannten mechanischen Lösungen haben diese beiden Erfindungen die Intensitätsmodulation der gebeugten Strahlung durch ein steuerndes hochfrequentes elektrisches Feld zum Ziel. Eine Durchstimmung der Wellenlänge wird nicht erzielt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine verbesserte, weitestgehend fehlerfreie und trägheitslose Feindurchstimmung der Wellenlänge der gebeugten Strahlung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die negativen Einflüsse, beispielsweise die verzögert und ungenau arbeitenden mechanisch-durchstimmbaren Anordnungen bei der Feindurchstimmung der Wellenlängen gebeugter Strahlung in der Empfängetebene weitestgehend auszuschalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein steuerbares Beugungsgitter gelöst, das aus einem Gitterkörper mit einem darauf befindlichen Gitterträger aus elektromechanisch-wandelbarom Material mit transversalem Effekt besteht, auf dem die bekannten Gitterprofile in bekannter Weise aufgebracht sind. Die bekannten Gitterprofile könnt ι aber auch unmittelbar in den Gitterträger eingeprägt sein. Gitterkörper und Gitterträger sind durch eine Kopplungsschicht ela< tisch miteinander verbunden. An den beiden Hauptflächen des Gitterträgers sind mittels Haftschichten je eine flächenhaft ausgebildete Elektrode befestigt. Die Abmaße der flächenhaften Ausdehnung der Elektroden entsprechen denen der Hauptflächen.

Gitterkörper und Gitterträger können weitere Ausgestaltungen haben. Beispielsweise kann der Gitterträger auch aus mehreren Schichten elektromechanisch wandelbaren Materials aufgebaut sind, die jeweils beidseitig mit Elektroden belegt und kontaktiert sind, um alle Schichten gleichsinnig elektromechanisch zu wandeln.

Ein derartiger Gitterträger ist in sich stabil und kann mit hohen Feldstärken betrieben werden.

Gitterkörper und Gilterträger können aber auch als ein Ganzes aus elektromechanisch-wandelbarem Material sein.

Die Oberfläche des Gitterträgers kann sowohl eben als auch gekrümmt sein. Das elektrische Feld ist senkrecht zu den Gitterfurchen und ζ jr Schwingungsrichtung des Gitterträgers angelegt.

Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden führt das elektromechanisch wandelbare Material eine Dehnung oder Stauchung aus, wobei die dünnen Profil- und optischen Grenzschichten mitbewegt werden. Die Bewegung ändert die Furchendichte in dsr Profilschicht und damit die Beugungswinkel der dispergieren Strahlung. Die resultierende Verschiebung der Wellenlängen am Ort des Empfängers ist der erwünschte Effekt.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Gitters ist die feinfühlige Durchstimmur.g eines engen Wellenlängenbereichs zur Abtastung spektraler Linienprofile bzw. zur spektralen Feindurchstimmung von Lasern möglich.

Darüber hinaus ergibt sich der vorteilhafte Einsatz des erfindungsgemäßen Beugungsgitters z. B. auch:

- beim Nacheichen von DeJustierungen eines Spektrometers bei klimabedingter oder durch Materialalterung hervorgerufener Verstimmung der Eichung;

- bei der Realisierung einer elektronischen Regelung zur Aufrechterhaltung eines Justierzustandes oder einer Eichposition im Spektrometer;

- bei einem nahezu trägheitslosen, elektrisch gesteueren Vergleich zwischen Nutz- und Störsignalen (Quotientenbildung) durch Benutzung eine hochfrequenten Wechselspannung als Steuerspannung für ein Wechselfeld zur Erzeugung einer hochfrequenten spektralen Linienverschiebung um ein Linienzentrum X-X₁.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel mit den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: den schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Beugungsgitters im Schnitt, Fig. 2: ein Beugungsgitter perspektivisch,

Fig. 3: eine grafische Darstellung der Linienverschifibung in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der üblicherweise aus einem Teil bestehende Gitterträger geteilt als Gitterkörper 1 und Gitterträger 2 ausgeführt. Der statisch stabile, piezoelektrisch inaktive Gitterkörper 1 von der Dicke h„ dient als Unterlage, und fängt die mechanischen Belastungen ab.

Gitterkörper 1 und Gitterträger 2 uind durch eine Kopplungsschicht 3 der Dicke h_e, z. B. bestehend aus synthetischem Gummi, elastisch miteinander verbunden. Der piezoelektrisch aktive Gitterträger 2 von der Dickb h hat die Form eines dünnen Plättchens, an dessen beiden Hauptflächen großflächige Elektroden 7 und 8, im Beispiel aus Silber, mittels Haftschichten 5 und 6 aus Chrom aufgebracht sind. Die flächenhafte Ausdehnung der Elektroden 7 und 8 entspricht den Abmaßen der wirksamen Gitterfläche des Gitterträgers 2. Die bekannten Gitterprofile 4, bei denen die Furchendichte durch das erfindungsgemäße Beugungsgitter kontrolliert gesteuert werden soll, sind auf die Elektrode 8 an der Hauptfläche des Gitterträgers 2 aufgebracht. Das optisch wirksame Gitterprofil 4 ist in einer Fotoresistschicht 9 oberhalb der Elektrode 8 realisiert und mit einer optischen Grenzschicht 10 belegt. Zur Erhöhung des Reflexionsvermögens ist das Gitterprofil 4 in der Fotoresistschicht 9 mit einem dünnen Film aus Aluminium belegt. Die Gitterfurchen sind senkrecht zur Dehnungsrichtung des Gitterträgers 2 und beide senkrecht zum elektrischen Feld angeordnet.

in der Fig. 2 ist die Wirkung des Beugungsgitters auf das Licht schematisch dargestellt. Der unter dem Winkel α einfallende Lichtstrahl 11 erreicht das Gitterprofil 4 auf dem Gitterträger 2 und wird gemäß dem Beugungsgesetz für verschiedene Wellenlängen λ,, A₂, λ₃ unter verschiedenen Beugungswinkeln ßi, ß₂, ßs abgelenkt.

Beim Anlegen einer Spannung AU an die elektrischen Anschlüsse 11,12 für die E. -ktroden 7,8 kommt es zu einer Dehnung oder Schrumpfung des Gitterträgers 2 senkrecht zur Furchenrichtung. Der Furchenabstand wird größer oder kleiner, es ergibt sich eine Änderung der Beugungswinkel gegenüber den ursprünglichen Werten ßi, ß₂, P3 und damit eine spektrale Linienverschiebung, die in Fig. 3 für eine Wellenlänge λ = λ, graphisch dargestellt ist.Eine Änderung der Spannung an den Elektroden ändert den Betrag der spektralen Linienverschiebung, das Anlegen negativer Spannungen die Richtung der Verschiebung.

Als Ausführungsbeispiel dient folgender Gitteraufbau:

h_u = 10mm, h_e = 0,05mm. h = 0,5mm.

An die Elektroden wurde eine Spannungsdifferenz von AU = ±500 V an das piezoelektrisch-aktive Material PXE 52 (Philips Data handbook. Components and Materials, Band 16,1982) mit einen piezoelektrischen Koeffizienten für den transversalen Effekt von

d₃, = 6,7· 1(T¹⁰ [m/V] angelegt. Für die Dehnung des Gitterträgers 2 folgt

Nimmt man die Kombination einer dem Stand der Technik entsprechenden mechanischen Durchstimmung der Wellenlänge im Bereich

λ, = 200mm, A₂ = 400mm, A₃ = 800mm

an und kombiniert diese mit dem erfindungsgemäß durchstimmbaren Beugungsgitter, so ergeben sich bei den 3 gewählten Wellenlängen A₁, A₂ und A₃ um diese 3 Zentren feinfühlig durchstimmbare Wellenlägenbereiche 5A₁, δλ₂, δλ₃:

λ, = 200 nm: δλ, = 250 pm, A₂ = 400nm: δλ₂ = 500pm, A₃ = 800nm: δλ₃= 1000pm.

Claims

1. Steuerbares Beugungsgitter, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem Gitterkörper 1 mit einem darauf befindlichen, die bekannten Gitterprofile aufweisenden Gitterträger 2 aus elektromechanisch wandelbarem Material mit transversalem Effekt besteht, daß Gitterkörper 1 und Gitterträger 2 durch eine Kopplungsschicht 3 elastisch miteinander verbunden sind und an den beiden Hauptflächen des Gitterträgers 2 mittels Haftschichten 5 umd 6 je eine flächenhaft ausgebildete Elektrode 7 und 8 angebracht ist.

2. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Gitteraufbau eine Mehrfachanordnung von elektro-mechanisch wandelbaren, von Elektroden begrenzten Schichten aufweist.

3. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, gekenn?eichnet dadurch, daß Gitterkörper 1 und Gitterträger 2 als ein Teil aus elektro-mechanisch wandelbarem Material sind.

4. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich die bekannten Gitterprofile unmittelbar im Gitterträger 2 befinden.

5. Steuerbares Beugungsgitter narh Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die flächenhafte Ausdehnung der Elektroden 7 und 8 den Abmaßen der Hauptflächen entspricht.

6. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß es sowohl für ebene als auch gekrümmte Gitterträger-Oberflächen geeignet ist.