DD295933A5 - Dielektrischer langpassfilter fuer den nahen ultravioletten und sichtbarem spektralbereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung findet Anwendung als Spektralteiler oder Kaltlichtspiegel in optischen Systemen. Bei einem Langpaszfilter mit auf transparentem Traeger angeordnetem lo/4-Wechselschichtsystem hoher Schichtenzahl 25 und optisch halb so dicker erster und letzter, hochbrechender Interferenzschicht weisen erfindungsgemaesz die 13 oder 15 Interferenzschichten einer traegernahen ersten Wechselschichtgruppe eine um einen gleichen Faktor von 0,88 bis 0,94 geringere optische Dicke als die entsprechenden Interferenzschichten einer zweiten, dem Umgebungsmedium nahen Wechselschichtgruppe auf. Dadurch wird eine Erhoehung der Transmission auf T95% in Spektralkantennaehe des Durchlaszbereiches bei gleichzeitiger Gewaehrleistung eines breiten Sperrbereiches hoher Reflexion erzielt. Fig. 1{Langpaszfilter; Kaltlichtspiegel, dielektrisch; Interferenzschichten; optische Dicke; UV-VIS-Spektralbereich; Spektralkante; Sperrbereich; Reflexion; Durchlaszbereich; Transmission}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Langpaßfilter für den nahen ultravioletten (UV-) und den sichtbaren (VIS-) Spektralbereich.

Derartige Langpaßfilter finden als Spektralleiter oder Kaltlichtspiegel in optischen Systemen wissenschaftlicher Geräte Anwendung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Einsatz dielektrischer Wechselschichtsysteme als optische Filter wurde in der Fachliteratur sowohl allgemein als auch für spezielle Fälle beschrieben.

Für die Anwendung als Langpaßfilter, d. h. der kurzwellige Teil der elektromagnetischen Strahlung soll gesperrt und der langwellige Teil durchgelassen werden, sind für den sichtbaren und den nahen UV-Bereich Xo/4-Wechselschichtsystome der Form T/ (0,5 H N 0,5 H)V L bekannt (Mc leod,Thin Film Optical Filters; Adam Hilger Ltd: London 1969, S. 111 ff.). Dabei haben die verwendeten Symbole folgende Bedeutung:

T: transparenterTräger, i. allg. Glas;

L: Umgebungsmedium, i. allg. Luft;

0,5 H: hochbrechende Schicht der optischen Dicke λ,,/8;

N: niedrigbrechende Schicht der optischen Dicke λ_ο/4

χ: Periodenzahl, die angibt, wie oft die Periode (0,5 H N 0,5 H) im Schichtsystem wiederholt wird;

A₀: Schwerpunktwellenlänge des Systems, welche die spektrale Lage des Wechselschichtsystems angibt.

Die Höhe und Breite des Sperrbereiches eines solchen Wechselschichtsystems wird vom Brechzahlverhältnis η H/n N und von der Anzahl der Schichten 2 x +1 bestimmt. Um einen breiten Bereich hoher Sperrung, also geringer Transmission zu erzielen, muß das Brechzahlverhältnis und/oder die Schichtenzahl erhöht werden. Das hat aber den Nachteil, daß insbesondere in der Nähe der Spektralkante des Filters eine große Welligkeit im Transmissionsbereich auftritt, d. h. die Transmission in diesem Bereich stark wellenlängenabhängig ist und relativ niedrige Werte annahmen kann. Eine Möglichkeit, die Welligkeit im Durchlaßbereich zu verringern, welche insbesondere im IR-Spektralbereich angewandt wird, besteht darin, die Wechselschichtsysteme aus von der optischen Dicke λ,,/4 abweichenden Schichten aufzubauen (J. S. Seeley, S. D. Smith, Appl. Opt. 51 (1966)81-85).

Derartige Schichtsysteme sind jedoch aufgrund der unterschiedlichen optischen Dicken der einzelnen Schichten nur schwierig herstellbar. Nachteilig macht sich außerdem bemerkbar, daß Wechselschichtsysteme mit von λ_ο/4 abweichenden optischen Dicken keine maximale Breite des Sperrbereiches haben, wie es bei reinen X_o/4-Schichtsystemen der Fall ist (JJ. Vera, Optica Act a 11 (1964)315).

Zur Verringerung der Welligkeit der Transmission im Durchlaßbereich ist es weiterhin möglich, das Schichtsystem aufzuteilen unö je ein λο/4-System geringer Schichtenzahl entweder auf 2 Träger aufzubringen und diese dann miteinander zu verkitten oder einen Träger beidseitig zu beschichten (Mc leod, Thin Film Optical Filters, Adam Hilger Ltd: London 1969, S. 111 ff). Bei genügend dicken Trägern beeinflussen sich die beiden Schichtsysteme nicht und man erhält durch die geringe Schichtenzahl jedes Schichtsystems eine relativ hohe Transmission bei guter Sperrung, wobei für verlustfreie Schichtsysteme die Beziehung

1 - R₁ · R₂ gilt. Dabei bedeuten T₁ und T₂ die Transmissionswerte und R, und R₂ die Reflexionswerte der beiden Schichtsysteme.

Aus dieser Beziehung ist aber auch ersichtlich, daß Transmissionswerte T > 95% für das beidseitig beschichtete Glas nicht erzielt werden können, weil dann dieTransmission jedes einzelnen Systems T₁Zj > 97,6% sein muß. Dieser Wert ist aber in Nähe der Spektralkante nicht realisierbar.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung liegt im erhöhten Beschlchtungsaufwand.

Im Falle der Beschichtung von 2 Tragern Ist außerdem das Problem der Verkittung zu lösen, insbesondere dann, wenn die Filter bei hoher Strahlenbelastung zum Einsatz kommen sollen, Die zur Verbesserung des Sperrbereiches von dielektrischen Wechselschichtsystemen vorgeschlagene Kombination mit Farbgläsern (ebenda) besitzt den Nachteil, daß bei hoher Strahlenbelastung infolge der Adsorption in diesen Farbgläsern eine Zerstörung der Filter eintreten kann. Dadurch, daß nur eine begrenzte Anzahl von Farbgläsern verfügbar ist, wird außerdem die Wahl der Lage der Spektralkante der Filter eingeschränkt.

Langpaßfilter dieser Art sind aufgrund der Absorptionsverluste im kurzwelligen Spektralbereich auch nicht als Kaltlichtspiegel einsetzbar.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, einen dielektrischen Langpaßfilter für den nahen ultravioletten bis sichtbaren Spektralbereich anzugeben, der für möglichst viele Anwendungsfälle einfach und reproduzierbar herstellbar ist und sowohl einen breiten Sperrbereich und eine steile Spektralkante als auch eine hohe Transmission a95% in Nähe der Spektralkante im Durchlaßbereich aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Langpaßfiltern durch ein geeignetes, nur auf einer Seite eines transparenten Tägers aufzubringenden dielektrischen Wechselschichtsystem unter Gewährleistung einer maximalen Breite des Sperrbereiches sowie einer hohen Steilheit und freien Wählbarkeit der Lage der Spektralkante in einem weiten Bereich des UV-VIS-Spektralgebietes die Transmission im Durchlaßbereich insbesondere in Nähe der Spektralkante zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch einen dielektrischen Langpaßfilter für den nahen ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich, bestehend aus einem transparenten Träger und einem darauf angeordneten System von mindestens 25 abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden nichtmetallischen Interferenzschichten, bei dem die erste, an den Träger angrenzende und die letzte, das Wechselschichtsystem zum Umgebungsmedium hin abschließende Interferenzschicht jeweils eine hochbrechende Schicht ist, deren optische Dicke jeweils halb so groß ist wie die optischen Dicken der dazwischenliegenden Interferenzschichten, wobei die spektrale Lage des Wechselschichtsystems durch eine Schwerpunktwellenlänge A₀ charakterisiert wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wechselschichtsystem aus zwei Wechselschichtgruppen aufgebaut ist, von den die trägernahe erste Wechselschichtgruppe 13 oder 15 Interferenzschichten umfaßt und daß ihre erste Interferenzschicht gegenüber der letzten Interferenzschicht der zweiten Wechselschichtgruppe sowie ihre weiteren 12 oder 14 Interferenzschichten gegenüber den verbleibenden, K₀ZA dicken Interferenzschichten der zweiten Wechselschichtgruppe jeweils eine um einen gleichen Faktor α im Bereich von 0,88 bis 0,94 geringere optische Dicke aufweisen.

Es wurde gefunden, daß durch die Wahl des Schichtdickenfaktors α im Bereich von 0,88 bis 0,94 und der Schichtenzahl 13 oder 15 für die an den Träger angrenzende erste Wechselschichtgruppe in der Nähe des Spektralkante im Durchlaßbereich eine Erhöhung der Transmission auftritt, wobei durch Änderung des Schichtdickenfaktors und der Schichtenzahl innerhalb des vorgegebenen Bereiches die spektrale Lage dieses Bereiches der sehr hohen Transmission verschoben werden kann. Es können somit in einem Teil des Transmissionsbereiches in der Nähe der Spektralkante Werte von T a 95% erreicht werden. Gleichzeitig ist beim erfindungsgemäßen Langpaßfilter der Sperrbereich für T < 1 % breiter als bei einem üblichen λ_ο/4-Wechselschichtsystem mit vergleichbar hohen Transmissionswerten. Die Anzahl der Interferenzschichten der an das Umgebungsmedium Luft angrenzenden zweiten Wechselschichtgruppe ist in einem größeren Bereich (2:12) frei wählbar und bestimmt die Steilheit der Spektralkante sowie im Zusammenhang mit der Gesamtschichtenzahl die Breite und die Höhe der Sperrung.

Als Schichtmaterialien sind wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften, wie Härte und Schichthaftung, und ihrer guten chemischen Resistenz die für den nahen UV- und VIS-Spektralbereich gebräuchlichen hochbrechenden Substanzen, wie TiO₂, Ta₂O₆, Nb₂O₆ und ZrO₂, mit Brechzahlen Πη = 2,0... 2,4 und als niedrigbrechende Substanz SiO₂ mit Nn = 1,45 vorgesehen. Der erfindungsgemäße Langpaßfilter ist auch als Kaltlichtspiegel einsetzbar, da die Sperrung der kurzwelligen Strahlung ausschließlich durch Reflexion erfolgt.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines AusfUhrungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: die Spektralkurve eines zum Stand der Technik gehörenden dielektrischen Langpaßfiitors

geringer Schichtenzahl (17) der Form T / (0,5 H₂N₁0,5 H₂)⁸ / L Fig. 2: die Spektralkurve eines entsprechenden dielektrischen Langpaßfilers mit einer auf 25 erhöhten Schichtenzahl

gemäß dem Stand der Technik mit dem Aufbau T / (0,5 H₂N] 0,5 H₂)" / L Fig.3: die Spektralkurve eines erfindungsgemäßen Langpaßfilters mit 35 Interferenzschichten

Ein erfindungsgemäßer dielektrischer Langpaßfilter für den UV-VIS-Spektralbereich ist wie folgt aufgebaut:

₁Hl₁₁N₁H₁N₂H₂₁₁-N₂H₂N₂ m η

Auf dem Glasträger T mit der Brechzahl n_T = 1,52 ist ein Wechselschlchtsystom aus insgesamt m + η = 35 Interferenzschichten angeordnet, wobei die hochbrechenden Schichten (z. B. aus Ta₂O₆) eine Brechzahl von rin - 2,2 und die niedrigbrechenden Schichten (z.B. aus SiO₂) eine Brechzahl von n_N = 1,45 haben. Die ersten, an den Träger angrenzenden m - 13 Interferenzschichten weisen erfindungsgemäß alle eine um den Faktor

α = —- = —- = 0,88 N₁ H₂

geringere optische Dicke (Produkt aus Brechzahl und geometrischer Schichtdicke) als die restlichen π = 22 Interferenzschichten auf, weiche, bezogen auf die Schwerpunktwellenlänge λ₀, mit Ausnahme der letzten hochbrechenden Schicht mit einer optischen Dicke λο/8 alle eine optische Dicke von λ_ο/4 besitzen.

Ein Vergleich der Spektralkurvo des erfindungsgemäßen dielektrischen Langpaßf'ilter nach dem Stand der Technik macht den

durch die Erfindung erzielten Effekt deutlich.

Gegenüber dem Langpaßfilter mit nur 17 Interferenzschichten (vgl. Fig. 1) zeigt der erfindungsgemäße dielektrische

Langpaßfilter einen um 37% breiteren Sperrbereich und eine größere Kantensteilheit bei gleichguten Transmissionswerten

>95% im Durchlaßbereich in Nähe der Spektralkante.

Um eine 10% höhere Transmission im Durchlaßbereich in Nähe der Spektralkante bei gleichguter Steilheit der Spektralkante und gleicher maximaler Breite des Sperrbereiches zeichnet sich das erfindungsgemäße dielektrische Langpaßfilter gegenüber dem aus 25 Interferenzschichten aufgebauten Langpaßfilter (vgl. Fig. 2) aus.

Claims (1)

1. Dielektrischer Langpaßfilter für den nahen ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich, bestehend aus einem transparenten Träger und einem darauf angeordneten System von mindestens 25 abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden nichtmetallischen Interferenzschichten, bei dem die erste, an den Träger angrenzende und die letzte, das Wechselschichtsystem zum Umgebungsmedium hin abschließende Interferenzschicht jeweils eine hochbrechende Schicht ist, deren optische Dicke jeweils halb so groß ist wie die optischen Dicken der dazwischenliegenden Interferenzschichten, wobei die spektrale Lage des Wechselschichtsystems durch eine Schwerpunktwellenlänge K₀ charakterisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselschichtsystem aus zwei Wechselschichtgruppen aufgebaut ist, von denen die trägernahe erste Wechselschichtgruppe 13 oder 15 Interferenzschichten umfaßt und daß ihre erste Interferenzschicht gegenüber der letzten Interferenzschicht der zweiten Wechselschichtgruppe sowie ihre weiteren 12 oder 14 Interferenzschichten gegenüber den verbleibenden, λ_ο/4 dicken Interferenzschichten der zweiten Wechselschichtgruppe jeweils eine um einen gleichen Faktor α im Bereich von 0,88 bis 0,94 geringere optische Dicke aufweisen.

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