DE102007029822A1 - Interferometer for linear measurements, comprises light source for emitting coherent light, and detectors for measuring intensity of light, where interferometer is standing wave interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The present invention relates to an interferometer according to the preamble of claim 1
Interferometer werden allgemein verwendet, um Längenmessungen über einen großen Bereich mit Nanometer-Präzision durchzuführen. Bei den Interferometern werden Laser als Lichtquellen verwendet, wegen deren großer Kohärenzlängen des emittierten Lichts.interferometer are commonly used to measure length over a huge Range with nanometer precision perform. Interferometers use lasers as light sources because of their great Coherence lengths of the emitted light.
Es sind verschiedene Aufbauten von Interferometern bekannt. Der Typ des Interferometers von Michelson ist am gebräuchlichsten. Bei diesem Interferometer wird die Interferenz von zwei Laserstrahlen ausgenutzt, die sich in derselben Richtung ausbreiten. Es wird ein Lichtstrahl auf einen teildurchlässigen Spiegel gerichtet, so dass ein Teil des Lichtes reflektiert wird in eine gegenüber der Einfallsrichtung des Lichtes um 90 Grad versetzte Richtung. Das Licht, das durch den teildurchlässigen Spiegel wird anschließend an einem Spiegel vollständig reflektiert und tritt aus der anderen Richtung wieder auf den teildurchlässigen Spiegel auf und wird von diesem teildurchlässigen Spiegel ebenfalls in die Richtung gelenkt, in die auch das bereits beim Auftreffen des Ausgangslichtstrahls reflektierte Licht gelenkt wurde. Zwischen diesem sofort reflektierten Licht und dem Licht, das zuerst durch den teildurchlässigen Spiegel hindurchgetreten ist und erst auf dem Rückweg reflektiert wurde, kommt es zu Interferenzen. Die messbaren Intensitäten hängen ab von dem Abstand des teildurchlässigen Spiegels zu dem Spiegel, an dem das durch den teildurchlässigen Spiegel hindurch getretene Licht reflektiert wurde. Abhängig von diesem Abstand ergeben sich Phasenverschiebungen zwischen dem unmittelbar reflektierten Licht und dem Licht, das zunächst durch den teildurchlässigen Spiegel hindurchgetreten ist.It Various structures of interferometers are known. The guy Michelson's interferometer is the most common. In this interferometer the interference of two laser beams is used spread in the same direction. It gets a ray of light on one partially transmitting Mirror directed so that part of the light is reflected in one opposite the direction of incidence of the light by 90 degrees offset direction. The light that passes through the partially transmissive mirror is subsequently connected to a mirror completely reflects and returns from the other direction back to the partially transparent mirror on and off of this partially transmissive mirror also in The direction is directed, in which also already when hitting the output light beam reflected light was directed. Between this immediately reflected Light and the light that first passed through the partially transmissive mirror is and only on the way back reflected, interference occurs. The measurable intensities depend on from the distance of the partially transparent Mirror to the mirror, where the through the partially transparent mirror passed through light was reflected. Depending on this distance result phase shifts between the immediately reflected Light and the light, the first through the partially permeable Mirror has passed through.
Eine Alternative für hochpräzise Längenmessungen ist das so genannte stehende-Wellen-Interferometer. Dieses verwendet die Interferenz von zwei Laserstrahlen, die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, so dass die sich überlagernden Wellen eine stehende Welle bilden. Das stehende-Wellen-Interferometer ist wegen seines einfachen Aufbaus in der Anwendung sehr interessant. Das optische System besteht lediglich aus einem Laser, einem beweglichen Spiegel und einem durchsichtigen Photodetektor. All die Bauteile sind auf einer optischen Achse angebracht, so dass die optische Ausrichtung äußerst einfach ist.A alternative for high-precision length measurements is the so-called standing wave interferometer. This used the interference of two laser beams in opposite directions Directions are such that the overlapping waves are standing Forming a wave. The standing wave interferometer is because of its simple construction very interesting in the application. The optical system only exists from a laser, a moving mirror and a transparent photodetector. All the components are mounted on an optical axis, so that the optical alignment extremely easy is.
Das Funktionsprinzip des stehende-Wellen-Interferometers basiert darauf, die gebildete stehende Welle mit Hilfe von zwei durchsichtigen Photodioden abzutasten. Die stehende Welle wird durch einen Laser erzeugt, der senkrecht zu der Fläche eines beweglichen Spiegel angeordnet ist. Das Intensitätsprofil der stehenden Welle enthält Minima und Maxima, mit einer Periodizität von λ/2 entlang der optischen Achse (λ: Wellenlänge des verwendeten Lasers). Mit Hilfe von Photodioden wird dieses Intensitätsprofil vermessen. Eine wichtige Rolle im stehende-Wellen-Interferometer spielen die transparenten Photodioden. Der Anmelderin sind in diesem Zusammenhang lediglich Photodioden als Detektoren bekannt, die auf anorganischen Halbleitern beruhen, wie beispielsweise a-Si:H.The Operating principle of the standing wave interferometer is based on the formed standing wave with the help of two transparent photodiodes scan. The standing wave is generated by a laser, the perpendicular to the surface a movable mirror is arranged. The intensity profile contains the standing wave Minima and maxima, with a periodicity of λ / 2 along the optical axis (λ: wavelength of the used laser). With the help of photodiodes this intensity profile becomes measured. An important role in standing wave interferometer play the transparent photodiodes. The applicant is in this Relation only photodiodes known as detectors on based inorganic semiconductors, such as a-Si: H.
Um die Kosten eines Interferometersystems möglichst niedrig zu halten, verwendet man günstige kohärente Lichtquellen (Laser). Dies sind zum Beispiel HeNe-Laser oder frequenzverdoppelte Nd:YAG Laser. In Kombination mit anorganischen Photodetektoren wird ein HeNe-Laser (Wellenlänge λ = 632,8 nm) verwendet, da die Transmission der Detektoren bei dieser Wellenlänge sehr hoch ist (ca. 70%).Around keep the costs of an interferometer system as low as possible you use cheap coherent light sources (Laser). These are, for example, HeNe lasers or frequency doubled ones Nd: YAG laser. In combination with inorganic photodetectors a HeNe laser (wavelength λ = 632.8 nm) used because the transmission of the detectors at this wavelength very is high (about 70%).
Allerdings ist die Effizienz dieser Systeme mit 1,4% sehr gering. Um das Verhältnis von Transmission zur Effizienz zu optimieren, kann man entweder die Wellenlänge des Lasers oder die Absorptionseigenschaften der Photodetektoren ändern. Eine Optimierung der Laserwellenlänge ist zwar grundsätzlich möglich, aber mit großem Aufwand und entsprechend hohen Kosten verbunden, sodass diese Lösung ausscheidet. Das Absorptionsspektrum des anorganischen Halbleiters Silizium kann nicht ohne weiteres verschoben werden.Indeed the efficiency of these systems is very low at 1.4%. To the ratio of To optimize transmission efficiency, you can either use the wavelength change the laser or the absorption properties of the photodetectors. An optimization the laser wavelength is basically possible, but with great Expense and correspondingly high costs connected, so that eliminates this solution. The absorption spectrum of the inorganic semiconductor silicon can not be moved easily.
Damit sind den Möglichkeiten der Optimierung von Transmission und Absorption bei den bekannten Interferometern Grenzen gesetzt.In order to are the possibilities the optimization of transmission and absorption in the known Interferometers set limits.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Interferometer zu verbessern.Of the The present invention is based on the object, the known To improve interferometer.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 gelöst, indem der Detektor eine Photodiode aus organischem Material ist.These The object is achieved according to the present invention according to claim 1, by the detector is a photodiode of organic material.
Photodioden auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien bieten die Möglichkeit, großflächige Photodioden mit hohen Quanteneffizienzen (50 bis 85%) im sichtbaren Bereich des Spektrums herzustellen. Die hierbei eingesetzten dünnen organischen Schichtsysteme können mit bekannten Herstellungsverfahren wie Spin-Coating, Rakeln oder Druckverfahren kostengünstig hergestellt werden und ermöglichen so einen Preisvorteil, vor allem für größerflächige Photodioden.photodiodes based on organic semiconductor materials offer the possibility large-area photodiodes with high quantum efficiencies (50 to 85%) in the visible range of the spectrum. The thin organic used here Layer systems can with known manufacturing processes such as spin coating, doctor blading or printing process economical be produced and enable such a price advantage, especially for larger area photodiodes.
Die organischen Photodioden bestehen beispielsweise aus einem vertikalen Schichtsystem: ITO-Elektrode/Lochleiter/P3HT-PCBM-Elend/Ca-Ag-Elektrode. Der Elend aus den beiden Komponenten P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) wirkt hierbei als sog. "Hulk-Heterojunction", d. h. die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden.The organic photodiodes consist for example of a vertical layer system: ITO electrode / Lochlei ter / P3HT PCBM misery / Ca-Ag electrode. The misery of the two components P3HT (absorber and hole transport component) and PCBM (electron acceptor and transport component) acts as a so-called "Hulk heterojunction", ie the separation of the charge carriers occurs at the interfaces of the two materials, which are within the entire Training layer volume.
Organische Halbleiter bieten die Möglichkeit, eine spektrale Anpassung des Absorptionsspektrums durchzuführen. Dies bedeutet, daß das Absorptionsspektrum auf den eingesetzten Laser optimiert werden kann. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Bei der Verwendung von anorganischen Halbleitern ist dies nicht so ohne weiteres möglich. Durch die Verwendung der organischen Photodioden, wird es beispielsweise möglich, einen frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser als Lichtquelle zu verwenden (Wellenlänge: λ = 532 nm), da organische semitransparente Photodioden bei dessen Wellenlängen gleichzeitig eine große Absorption (hohe Quanteneffizienz) aber auch eine hohe und einfach anpassbare Transmission zeigen. Ein solches Vorgehen ist mit anorganischen Halbleitermaterialien nicht möglich.organic Semiconductors offer the option of one spectral adjustment of the absorption spectrum. This means that Absorption spectrum can be optimized for the laser used can. This is a particular advantage over the prior art. This is not the case when using inorganic semiconductors so easily possible. For example, by using the organic photodiodes possible, one frequency-doubled Nd: YAG laser to be used as light source (wavelength: λ = 532 nm), because organic semitransparent photodiodes at its wavelengths simultaneously a big Absorption (high quantum efficiency) but also a high and easy show adaptable transmission. Such a procedure is with inorganic Semiconductor materials not possible.
Der Einsatz von organischen Photodetektoren statt anorganischen ermöglicht einen Preisvorteil in den Herstellungskosten.Of the Use of organic photodetectors instead of inorganic allows one Price advantage in the production costs.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist das Interferometer ein Michelson-Interferometer.at the embodiment according to claim 2, the interferometer is a Michelson interferometer.
Bei dieser Ausgestaltung wird das bekannte Interferometer durch die spektrale Anpassung in seinen Einsatzmöglichkeiten verbessert.at This configuration is the well-known interferometer by the Spectral adaptation improved in its applications.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist das Interferometer ein „stehende-Welle-Interferometer".at the embodiment according to claim 3, the interferometer is a "standing wave interferometer".
Diese Art von Interferometern besitzt gegenüber den Michelson-Interferometern den Vorteil, dass lediglich eine optische Achse vorhanden ist und dass weniger zusätzliche Bestandteile wie Spiegel und Strahlteiler benötigt werden.These Type of interferometers has opposite the Michelson interferometers the advantage that only one optical axis is present and that less extra Components such as mirrors and beam splitters are needed.
Bei diesem Interferometer erweist es sich als vorteilhaft, dass durch die organischen Photodetektoren eine Anpassbarkeit der Wellenlängenbereiche möglich wird, die für anorganische Photodetektoren nicht zugänglich sind. Die Hauptgründe dafür liegen in der spektralen Anpassbarkeit und der einfachen Kontrolle der Transparenz von organischen Photodetektoren.at This interferometer, it proves to be advantageous that the organic photodetectors allow adaptability of the wavelength ranges, the for inorganic photodetectors are not accessible. The main reasons are in spectral adaptability and easy control of transparency of organic photodetectors.
Dies liegt insbesondere daran, dass Photodetektoren auf Basis organischer Halbleiter mit einfachen Verfahren als semitransparente Photodioden herstellbar sind. Die Prozessierungstechnologien organischer Materialien, wie z. B. Spin-Coating, ermöglicht es, sehr dünne Schichten herzustellen und in gewissen Grenzen deren Dicke einzustellen. Durch die Reduktion der Schichtdicke kann die Transmission erhöht werden.This This is mainly due to the fact that photodetectors based on organic Semiconductors with simple methods as semitransparent photodiodes produced are. The processing technologies of organic materials, such as z. B. spin coating enabled it, very thin Produce layers and adjust their thickness within certain limits. By reducing the layer thickness, the transmission can be increased.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 weist die Photodiode zwei Elektroden auf, zwischen denen sich eine Schicht aus einem organischen Material befindet, dass photoaktiv ist, sowie eine weitere organische Schicht, die als Lochleiter wirkt.at the embodiment according to claim 4, the photodiode comprises two electrodes on, between which is a layer of an organic material that is photoactive, as well as another organic layer, which acts as a hole conductor.
Durch die weitere organische Schicht wird vorteilhaft die Quanteneffizienz verbessert.By the further organic layer will favor the quantum efficiency improved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:One embodiment the invention is shown in the drawing. It shows:
Der
durchgelassene und der reflektierte Strahl treffen nun jeweils auf
einen (undurchlässigen) Spiegel
In
der
Mit
einer einzelnen optischen Achse und nur drei optischen Komponenten
ist das Gerät
einfacher und robuster als ein konventionelles Interferometer von
Michelson oder ähnlichem
Typ. Wegen dieses ohnehin schon einfachen Aufbaus und insbesondere auch
wegen der Möglichkeit,
den Photodetektor
Die
dargestellte Lichtquelle
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