DE102016112504A1

DE102016112504A1 - Optische Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht

Info

Publication number: DE102016112504A1
Application number: DE102016112504.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Detlef Zeitner; Thomas Flügel-Paul; Dirk MICHAELIS; Torsten Harzendorf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2018-01-11
Also published as: EP3267230A1; US20180011334A1; EP3267230B1

Abstract

Es wird eine optische Anordnung (100) zur spektralen Zerlegung von Licht mit Wellenlängen λ aus einem Spektralbereich λ1 ≤ λ ≤ λ2 beschrieben. Die optische Anordnung umfasst ein Reflexionsbeugungsgitter (4), wobei an einer Lichteinfallsseite des Reflexionsbeugungsgitters (4) ein erstes Medium (5) mit einem Brechungsindex nin angeordnet ist, und an einer der Lichteinfallseite abgewandten Seite des Reflexionsbeugungsgitters (4) ein zweites Medium (20) mit einem Brechungsindex nG angeordnet ist, wobei nin > nG ist. Die optische Anordnung ist so eingerichtet, dass Licht unter einem Einfallswinkel α aus dem ersten Medium (10) auf das Reflexionsbeugungsgitter (4) auftrifft, wobei die Bedingung sin(α) > nG/nin erfüllt ist. Das Reflexionsbeugungsgitter (4) weist ein Schichtsystem (40) mit mindestens einer unstrukturierten Schicht (42) und mindestens einer strukturierten Schicht (41) auf, wobei die mindestens eine strukturierte Schicht (41) in lateraler Richtung eine periodische Struktur mit einer Periode p aufweist, und wobei die Periode p die Bedingungen p < λ/[nin·sin(α) + nG] und p > λ/[nin·sin(α) + nin] erfüllt.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine optische Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht, die ein Reflexionsbeugungsgitter enthält.
Für die spektrale Zerlegung von Licht in verschiedenen Anwendungen wie zum Beispiel der Spektralanalyse oder der Manipulation von Laserpulsen werden oftmals Prismen oder Gitter verwendet.
Bei der Nutzung von Prismen wird ausgenutzt, dass der Brechungsindex n des Prismenmaterials von der Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes abhängig ist. Entsprechend des Brechungsgesetzes n₀(λ)·sin(α₀) = n₁(λ)·sin(α₁) (E1) werden unterschiedliche Wellenlängen am Übergang von einem Medium mit Brechungsindex n₀ in ein zweites Medium mit Brechungsindex n₁ unterschiedlich abgelenkt. Dabei ist α₀ der Einfallswinkel des Lichtes auf die Grenzfläche und α₁ der Winkel des an der Grenzfläche gebrochenen Lichtes. Die Winkel werden dabei jeweils zur Normalenrichtung der Grenzfläche gemessen.
Für den Fall, dass n₀ > n₁ gilt, kann das Licht bei Einfallswinkeln α₀ > arcsin(n₁/n₀) nicht mehr durch die Grenzfläche hindurchtreten (es existiert keine reelle Lösung für α₁) und das gesamte Licht wird an der Grenzfläche reflektiert. Man spricht von Totalreflexion.
Bei Nutzung von Gittern ist die spektrale Aufspaltung durch die Gittergleichungen Transmission: n_in·sin(α) – n_G·sin(β) = –m·λ/p (E2a) Reflexion: n_in·sin(α) – n_in·sin(β) = –m·λ/p (E2b) gegeben. Dabei ist α der Einfallswinkel auf das Gitter im Medium mit Brechungsindex n_in, β der Winkel des am Gitter gebeugten Lichtes im Medium mit Brechungsindex n_G bzw. n_in, m ein ganzzahliger Faktor, der die Beugungsordnung bezeichnet und p die Gitterperiode. Auch hier werden die Winkel jeweils zur Normalenrichtung der Gitterfläche gemessen. Je nach Materialeigenschaften vor und hinter der Grenzfläche, die das Gitter enthält, entstehen am Gitter Beugungsordnungen in Reflexion und Transmission. Bei vorgegebenem Einfallswinkel α, Brechungsindizes n_in und n_G sowie Wellenlänge λ und Gitterperiode p ist die Anzahl der sich ausbreitenden Beugungsordnungen in Reflexion bzw. Transmission durch die Gesamtheit aller ganzzahligen Werte m bestimmt, für welche die Gleichungen (E2) reelle Lösungen für den Beugungswinkel β liefern. Dies ist erfüllt solange |[sin(β)]| <= 1, wobei Re den Realteil einer komplexen Zahl bezeichnet.
Die erreichbare spektrale Aufspaltung oder auch Dispersion ist gegeben durch den Differenzialquotienten d₁/dλ für das Prisma bzw. dβ/dλ für das Gitter. Mit Gittern lassen sich typischerweise höhere Dispersionen erreichen als mit Prismen, da die Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge für optisch transparente Materialien limitiert ist. Die Dispersion am Gitter kann bei vernachlässigbarer Materialdispersion aus der oben angegebenen Gittergleichung zu |dβ/dλ| = |m/[n_B·p·cos(β)]| (E3 ) abgeleitet werden, wobei n_B = n_G für Transmission und n_B = n_in für Reflexion gilt.
Höhere Dispersionen können vorteilhaft genutzt werden, um den optischen Aufbau z.B. eines Spektrometers kompakter zu gestalten. Daher nutzen viele aktuelle Anordnungen optische Gitter als dispersives Element zur spektralen Zerlegung von Licht. Aus Gleichung (E3) ist ersichtlich, dass die Dispersion steigt, je kleiner das Verhältnis p/m (Gitterperiode zu Beugungsordnung) wird.
Kommen Beugungsgitter zur spektralen Zerlegung von Licht zum Einsatz, so ist der anwendbare Spektralbereich [λ₁...λ₂] durch die Anwendung selbst definiert und er ist im Allgemeinen begrenzt. λ₁ und λ₂ bezeichnen jeweils die Wellenlängen des kurzwelligen bzw. langwelligen Endes, wobei Δλ = λ₂ – λ₁ die sogenannte Bandbreite definiert. Aus Anwendungssicht ist es besonders vorteilhaft, wenn Licht der Wellenlänge λ bei der spektralen Zerlegung mit einem Gitter möglichst vollständig in eine einzelne Beugungsordnung m gebeugt wird, da Licht in anderen Beugungsordnungen (ungleich m) in vielen optischen Anordnungen nicht für die gewünschte Anwendung nutzbar ist, und somit die Gesamteffizienz des optischen Systems verringert. Dies wird durch die Beugungseffizienz η_m der m-ten Beugungsordnung ausgedrückt, die durch
gegeben ist. Dabei ist L₀ die auf das Gitter einfallende Lichtleistung und L TE/TM / m die in die m-te Beugungsordnung gebeugte Lichtleistung. Diese Beugungseffizienz ist i.A. abhängig von der Geometrie des Gitters und von der Wellenlänge als auch von der Polarisationsrichtung (TE bzw. TM) des einfallenden Lichtes abhängig. TE- bzw. TM-Polarisation bezeichnet hierbei elektrisch linear polarisiertes Licht, welches senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene polarisiert ist. Der Polarisationsgrad G wird im Allgemeinen durch das folgende Verhältnis definiert.
Ist G = 0 so spricht man von Polarisationsunabhängigkeit. Der Maximalwert von G beträgt 1 (100%). Bezugnehmend auf die erzielbare Beugungseffizienz η_m sowie den Polarisationsgrad G bleibt festzuhalten, dass viele spektroskopische Anwendungen einen verschwindenden Polarisationsgrad sowie eine möglichst hohe mittlere Beugungseffizienz 〈η_m〉 = (η TE / m + η TM / m)/2 fordern.
Je nach Anwendung unterscheidet man grundsätzlich zwischen Reflexionsgittern (einfallendes Licht wird reflektiert) oder Transmissionsgittern (einfallendes Licht wird durch das Gitter transmittiert), um den Lichtweg der eigentlichen Signal- bzw. Nutzordnung zu beschreiben. Transmissionsgitter sind somit auf ein transparentes Substratmaterial angewiesen. Bei Reflexionsgittern wird der erforderliche hohe Reflexionsgrad meist durch metallische Schichten und/oder Substrate erzielt. Außerdem kommen hier auch dielektrische Schichtsysteme, sog. Bragg-Schichten, zum Einsatz, welche sich direkt unterhalb des eigentlichen Gitters – auf der lichtabgewandten Seite – befinden. Solange das einfallende Licht aus Luft bzw. Vakuum (n_in = 1) einfällt, muss im Falle von Reflexionsgittern kein optisch transparentes Substratmaterial genutzt werden. Ein Spezialfall stellen sog. Immersionsgitter dar, bei denen das einfallende Licht nicht in Luft, sondern durch das Substratmaterial mit Brechungsindex n_in > n_G einfällt. In diesem Fall kann eine effiziente Reflexion auch durch Totalreflexion erzielt werden. Hierbei ist der Einsatz von zusätzlichen metallischen Schichten und/oder dielektrischen Schichtensystemen nicht notwendig, um einen hohen Reflexionsgrad zu erzielen.
Unabhängig von der Unterscheidung in Reflexions- und Transmissionsgitter, kommen für beide Typen ähnliche Geometrien zum Einsatz um eine möglichst hohe Beugungseffizienz 〈η〉 (in Reflexion oder Transmission) zu erzielen. Man unterscheidet zwischen binären Gitterstrukturen (p ≤≈ λ), welche meist in ±1. Ordnung betrieben werden und Blaze-Gittern (p > λ), welche eine lineare Variation der Gitterstrukturelemente aufweisen. Sogenannte Echellegitter und Echelettegitter stellen hierbei einen Spezialfall von Blazegittern dar. Diese zeichnen sich zwar durch ein großes Verhältnis von Gitterperiode zu Wellenlänge p/λ aus, werden aber zumeist in sehr hohen Beugungsordnungen betrieben, um eine hohe Winkeldispersion gemäß Gleichung (E3) zu erzielen. Die Besonderheit hierbei besteht darin, dass eine effiziente Beugung in mehrere, sich überlagernde Beugungsordnungen erzielt wird.
Um eine hohe Effizienz der Lichtablenkung in möglichst nur eine Beugungsordnung zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Anzahl der ausbreitungsfähigen Beugungsordnungen nach Gleichung (E2) weitest möglich einzuschränken. Das kann erreicht werden, wenn das Licht auf die Gitterfläche aus einem Material mit Brechungsindex n_in trifft, der größer ist als der Brechungsindex n_G des Materials, welches sich im homogenen Medium hinter dem Gitter befindet. Dies entspricht den schon oben genannten Immersionsgittern. Wird weiterhin für n_in > n_G der Einfallswinkel α entsprechend sin(α) > n_G/n_in (E6) gewählt, so existiert keine transmittierte Beugungsordnung mit m ≥ 0 im Medium mit n_G. Wird weiterhin die Gitterperiode so gewählt, dass p < λ/[n_in·sin(α) + n_G] (E7) gilt, so existiert auch keine weitere Beugungsordnung mit m < 0 und α > 0 in Transmission, d.h. das auf die vom Gitter gebildete Grenzfläche fallende Licht wird vollständig reflektiert. In diesem Fall kann die Profilform des Gitters so gewählt werden, dass das Licht mit sehr hoher Effizienz zumindest für eine Polarisationsrichtung in die reflektierte Beugungsordnung mit m = –1 gebeugt wird. Diese Effizienz kann dabei nahe 100% liegen. Bei der Bedingung nach Gleichung (E6) erhält man Gitter mit einer sehr kleinen Gitterperiode p < λ, und dementsprechend nach Gleichung (E3) eine hohe Dispersion.
Problematisch für die Anwendung hochdispersiver Gitter, wie sie z.B. durch die Bedingungen (E5) und (E6) beschrieben werden, ist die resultierende Nichtlinearität der Dispersion. Bei gegebener Bandbreite Δλ des zu zerlegenden Spektrums steigt die Nichtlinearität der Dispersion über das Spektrum mit zunehmendem Beugungswinkel. Dies ist zunächst unabhängig von der konkreten Gittergeometrie. Besonders problematisch ist dies für die Nutzung in Spektrometern, da man hier im Allgemeinen eine gleichmäßige (äquidistante) Wellenlängenaufspaltung über die spektrale Bandbreite auf dem Detektor benötigt. Dies ist durch die Nutzung von pixelierten Detektoren mit gleichmäßigem Pixelraster begründet. Die Nichtlinearität führt dazu, dass man am kurzwelligen Ende des spektralen Bereiches einen deutlich kleineren Abstand der Wellenlängen auf benachbarten Detektorpixeln erhält, als am langwelligen Ende des Spektrums. Diese Nichtlinearität der Dispersion wird auch als Anamorphosis A bezeichnet und ist durch das Verhältnis der Dispersionen an den beiden Enden des spektralen Bereiches [λ₁...λ₂] entsprechend A = (dβ/dλ)_λ2/(dβ/dλ)_λ1 (E8) gegeben.
Für die sich im Gitter ausbreitenden Eigenmoden lassen sich die Quadrate der effektiven Modenindizes K₁ = M₁·M₁ und K₂ = M₂·M₂ wie folgt abschätzen:
wobei die Zentrumsposition sich beim Minimalwert des Betrags des gleitenden ersten Moments
ergibt.
In Gleichung (E9) ist x die Koordinate in der Gitterebene senkrecht zu den Gitterstegen und ε(x) die entsprechend mit der Periode p modulierte Dielektrizitätskonstante des Gittermaterials, wobei ε = n² gilt.
Im Falle von einfachen binären Gittern mit einem Gittersteg in der Elementarzelle kann Gleichung (E9) explizit berechnet werden und ergibt:
Hierbei bezeichnen ε_graben bzw. ε_steg die Dielektrizitätskonstanten des Graben- sowie des Stegmaterials, wobei gilt ε = n². Der Füllfaktor f ist durch das Verhältnis von Stegbreite w zu Gitterperiode p gegeben, also f = w/p. Außerdem gilt Δε = ε_steg – ε_graben.
Immersionsgitter, welche den Bedingungen (E6) und (E7) genügen, zeichnen sich zusammenfassend insbesondere durch folgende Eigenschaften aus: Die Gitter werden direkt im Substratmaterial realisiert, welches sich durch einen typischen Brechungsindex von n_in < 1,5 auszeichnet. Die Stege des Gitters bestehen demzufolge aus dem entsprechenden Substratmaterial und die Gräben des Gitters bestehen aus Luft. Folglich kann abgeleitet werden, dass die Differenz der Quadrate der effektiven Modenindizes ΔK der beiden fundamentalen Gittermoden auf einen Maximalwert von ~3/π (bei einem Füllfaktor von 1/2) begrenzt ist (siehe Gleichungen (E9)). Folglich unterscheiden sich auch die Differenzen ΔM in den Modenindizes wenig; jeweils gültig für beide Polarisationsrichtungen TE und TM. Hohe und polarisationsunabhängige Beugungseffizienzen verlangen folglich nach sehr tiefen Gittern. Technologisch gesehen sind tiefe Gitterstrukturen auch durch hohe Aspektverhältnisse gekennzeichnet, was die Herstellbarkeit beeinträchtigt. Physikalisch gesehen zeichnen sich tiefe Gitterstrukturen auch durch eine schmalbandige Effizienzkurve aus. Die Beugungseffizienz fällt in erster Näherung mit einem Gradienten proportional der Gittertiefe L vom Maximalwert wieder ab.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass bisherige hochdispersive Immersionsgitter Defizite in Bezug auf Polarisationsunabhängigkeit, spektrale Breitbandigkeit und Herstellungsaufwand aufweisen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, eine optische Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht anzugeben, die sowohl eine hohe Winkeldispersion realisiert, als auch eine sehr hohe und polarisationsunabhängige Beugungseffizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die optische Anordnung ist zur spektralen Zerlegung von Licht mit Wellenlängen λ aus einem Spektralbereich λ₁ ≤ λ ≤ λ₂ vorgesehen. Der Spektralbereich [λ₁...λ₂] kann abhängig von dem Anwendungsgebiet der optischen Anordnung beispielsweise Wellenlängen aus dem sichtbaren Spektralbereich, aus dem UV-Bereich und/oder aus dem IR-Bereich umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anordnung ein Reflexionsbeugungsgitter, wobei an einer Lichteinfallsseite des Reflexionsbeugungsgitters ein erstes Medium mit einem Brechungsindex n_in angeordnet ist, und an einer der Lichteinfallseite abgewandten Seite des Reflexionsbeugungsgitters ein zweites Medium mit einem Brechungsindex n_G angeordnet ist, wobei n_in > n_G ist. Das erste Medium mit dem Brechungsindex n_in ist vorzugsweise ein transparenter Festkörper, beispielsweise ein Substrat oder ein optisches Element, auf das das Reflexionsbeugungsgitter aufgebracht ist. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Reflexionsgitter auf ein Prisma aufgebracht. In diesem Fall ist das erste Medium das Material des Prismas, beispielsweise ein Glas. Das zweite Medium an einer der Lichteinfallsseite abgewandten Seite ist vorzugsweise das Umgebungsmedium wie zum Beispiel Luft oder Vakuum. In diesem Fall beträgt n_G etwa 1.
Die optische Anordnung ist vorzugsweise so aufgebaut, dass Licht unter einem Einfallswinkel α aus dem ersten Medium auf das Reflexionsbeugungsgitter auftrifft, wobei die Bedingung sin(α) > n_G/n_in erfüllt ist.
Das Reflexionsbeugungsgitter weist vorteilhaft ein Schichtsystem mit mindestens einer unstrukturierten Schicht und mindestens einer strukturierten Schicht auf, wobei die mindestens eine strukturierte Schicht in lateraler Richtung eine periodische Struktur mit einer Periode p aufweist, und wobei die Periode p zum einen die Bedingung p < λ/[n_in·sin(α) + n_G] erfüllt. In diesem Fall tritt vorteilhaft keine Beugungsordnung in Transmission auf. Weiter erfüllt die Periode p die Bedingung p > λ/[n_in·sin(α) + n_in]. (E11)
In diesem Fall tritt nur die 0. und –1. Beugungsordnung in Reflexion auf. Das Reflexionsbeugungsgitter mit diesen Eigenschaften zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Beugungseffizienz aus.
Es ist möglich, dass das Reflexionsbeugungsgitter mehrere strukturierte Schichten aufweist, die nicht notwendigerweise die gleiche Periode p aufweisen müssen. Wenn beispielsweise das Reflexionsbeugungsgitter mehrere periodische Schichten mit Perioden p_j aufweist, wobei j ein Schichtindex ist, müssen die genannten Bedingungen für die Periode für mindestens eine der Perioden p_j erfüllt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine strukturierte Schicht, welche die Periode p aufweist, an der der Lichteinfallsseite abgewandten Seite des Reflexionsbeugungsgitters angeordnet.
Das Reflexionsbeugungsgitter kann bei einer Ausgestaltung mehrere strukturierte Schichten aufweisen. In diesem Fall sind vorzugsweise alle strukturierten Schichten an der der Lichteinfallsseite abgewandten Seite angeordnet. In diesem Fall ist vorteilhaft zwischen keiner der strukturierten Schichten und der der Lichteinfallsseite abgewandten Seite eine unstrukturierte Schicht angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens eine der folgenden drei Bedingungen a), b) oder c) für die Quadrate der effektiven Modenindizes K₁ = M₁·M₁ und K₂ = M₂·M₂ (siehe Gleichungen (E9)) für die mindestens eine strukturierte Schicht erfüllt:

a) K₁ ≤ 0 und K₂ > 0
b) K₂ ≤ 0 und K₁ > 0
c) K₂ ≤ 0 und K₁ ≤ 0

Es hat sich herausgestellt, dass Lösungen mit geringer Gittertiefe und hoher Bandbreite der Beugungseffizienz gefunden werden können, wenn die Größen K₁ = M₁·M₁ und K₂ = M₂·M₂ (siehe Gleichungen (E9)) der sich im Gitter ausbreitenden Eigenmoden unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, also K₁ < 0 und K₂ > 0 gilt, bzw. umgekehrt. Des weiteren sollte die Eigenmode mit einem positiven K-Wert einen vorzugsweise großen Betrag aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Reflexionsbeugungsgitter aus zwei Schichten, von denen eine Schicht strukturiert und die andere Schicht unstrukturiert ist. In diesem Fall ist die unstrukturierte Schicht vorteilhaft an der Lichteinfallsseite und die strukturierte Schicht an der der Lichteinfallsseite abgewandten Seite angeordnet.
Die unstrukturierte Schicht weist vorzugsweise einen Brechungsindex n₂ auf, welcher folgenden Bedingungen genügt:
Die strukturierte Schicht weist vorzugsweise ein periodisches Gitterprofil auf, das zwei Höhenstufen aufweist. Anders ausgedrückt weist die strukturierte Schicht ein binäres Höhenprofil auf. Die periodische Struktur der strukturierten Schicht kann insbesondere Gitterstege mit einem Brechungsindex n_S und Gittergräben aufweisen, wobei die Gittergräben Luft oder Vakuum aufweisen. Die Oberflächen der Gitterstege und die Bodenflächen der Gittergräben bilden in diesem Fall die zwei Höhenstufen des Gitterprofils aus. Besonders bevorzugt sind die Gitterstege und die unstrukturierte Schicht aus dem gleichen Material mit einem Brechungsindex n₂ = n_S > n_in gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die optische Anordnung ein Prisma auf, wobei das Reflexionsbeugungsgitter an oder auf dem Prisma angeordnet ist. Das erste Medium, d.h. das Medium an der Lichteinfallsseite des Reflexionsbeugungsgitters, ist in diesem Fall durch das Prisma gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist das Prisma eine erste Fläche, eine zweite Fläche und eine dritte Fläche auf, wobei die erste Fläche des Prismas als Lichteintrittsfläche vorgesehen ist. Die zweite Fläche des Prismas ist zur Reflexion von einfallendem Licht zur dritten Fläche vorgesehen, wobei an der dritten Fläche das Reflexionsbeugungsgitter zur spektralen Zerlegung des einfallenden Lichts angeordnet ist. Die zweite Fläche des Prismas fungiert außerdem als Lichtaustrittsfläche für das von dem Reflexionsbeugungsgitter reflektierte und spektral zerlegte Licht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform trifft das Licht unter einem Winkel (Ψ) auf die zweite Fläche des Prismas auf, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Einfallswinkel α, unter dem das Licht auf die dritte Fläche auftrifft, größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Gitterstege des Reflexionsbeugungsgitters mit einem Material überschichtet, welches einen Brechungsindex n_H aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n_in des Prismas. Vorzugsweise ist der Brechungsindex n_H > 2,0. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Gitterstege des Reflexionsbeugungsgitters einen Brechungsindex n_S auf, der größer ist als der Brechungsindex n_in des Prismas. Vorzugsweise ist n_S > 2,0.
Durch den hohen Brechungsindex der Gitterstege oder des Materials, mit dem die Gitterstege überschichtet sind, wird eine besonders hohe Beugungseffizienz erzielt. Insbesondere kann auf diese Weise die Differenz der Quadrate der Modenindizes ΔK deutlich gesteigert werden. Bei Einsatz eines Materials mit Brechungsindex von z.B. n_S = 2,0 (statt z.B. n = 1,5) als Stegmaterial des Gitters kann der Maximalwert von ΔK auf ~6/π gesteigert werden. Dies führt ohne jegliche weitere Maßnahmen zu einer erheblichen Verringerung der nötigen Gittertiefe, sofern man TE- und TM-Polarisation getrennt betrachtet. Weiterhin vergrößert sich vorteilhaft auch die spektrale Bandbreite.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Prisma einen Brechungsindex n_in < 1,6 auf. Das Prisma kann insbesondere Kieselglas aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 12 näher erläutert.
Es zeigen:
1 und 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht,
3A und 3B eine schematische Darstellung von zwei Beispielen einer optischen Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht und die polarisationsabhängigen Beugungseffizienzen in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
4 und 5 jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht mit einem Prisma, und
6 bis 12 jeweils schematische Darstellungen von weiteren Beispielen der optischen Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung 100 zur spektralen Zerlegung von Licht weist ein Reflexionsbeugungsgitter 4 auf, das durch ein Schichtsystem 40 gebildet ist. Das Schichtsystem 40 weist bei dem hier gezeigten Beispiel eine strukturierte Schicht 41 und mehrere unstrukturierte Schichten 42, 43, 44, 45, 46 auf. Das Schichtsystem 40 kann Schichten aus verschiedenen Materialien aufweisen, wobei die Einzelschichten verschiedene Brechungsindices aufweisen können. Die strukturierte Schicht 41 weist in lateraler Richtung eine periodische Struktur mit einer Periode p auf. Die periodische Struktur ist bei dem hier dargestellten Beispiel eine Gitterstruktur, die durch Gitterstege 31 mit einer Stegbreite w und dazwischen angeordneten Gittergräben 32 gebildet ist. Das Verhältnis zwischen Stegbreite w und der Gitterperiode p wird als Füllfaktor f = w/p bezeichnet.
An der Lichteinfallsseite des Reflexionsbeugungsgitters 4 ist ein erstes Medium 10 mit einem Brechungsindex n_in angeordnet. Das erste Medium 10 kann zum Beispiel das Material eines transparenten Substrats sein, auf dem das Reflexionsbeugungsgitter 4 angeordnet ist. An einer der Lichteinfallsseite abgewandten Seite des Reflexionsbeugungsgitter 4 ist ein zweites Medium 20 angeordnet, das einen Brechungsindex n_G aufweist, wobei n_in > n_G ist. Das zweite Medium 20 kann insbesondere das Umgebungsmedium wie zum Beispiel Luft oder ein Vakuum sein. Bei dem hier dargestellten Beispiel grenzt die durch die Gitterstege 31 gebildete Gitterstruktur direkt an das Umgebungsmedium, z.B. Luft oder Vakuum, an. Somit weisen die Gittergräben 32 des Gitters ebenfalls Luft oder Vakuum mit einem Brechungsindex n_gr ≈ 1 auf.
Das Licht trifft unter einem Einfallswinkel α aus dem ersten Medium 10 auf das Reflexionsbeugungsgitter 4 auf. Um die Anzahl der propagierenden Beugungsordnungen, und damit die Anzahl möglicher Verlustkanäle, zu minimieren, wird eine Konstellation von Einfallswinkel, Brechungsindizes und Gitterperiode gewählt, welche gleichzeitig den Bedingungen (E6) und (E7) genügt. Ohne den Einsatz von reflektierenden Schichten oder Materialien kann durch den Effekt der Totalreflexion sämtliches Licht in Reflexion gebracht werden. Der Einfallswinkel muss entsprechend (E6) zwischen dem Winkel der Totalreflexion und 90° liegen. Im Falle von n_in = 1,45 und n_G = 1,0 bedeutet dies z.B. 44° < α < 90°.
Weiterhin wird der Einfallswinkel α vorteilhaft so gewählt, dass die Littrowbedingung n_in sin(α) ≈ λ/(2p) in Näherung erfüllt ist. λ bezeichnet hierbei eine beliebige Wellenlänge aus dem Spektralbereich [λ1...λ2]. Unter dieser Bedingung, die auch als Littrowkonfiguration bezeichnet wird, kann vorteilhaft eine hohe Beugungseffizienz erzielt werden. Wenn das reflektierte Licht vom einfallenden Licht räumlich getrennt werden soll, ist die Littrowbedingung nicht exakt, sondern nur näherungsweise zu erfüllen, da sich einfallende und gebeugte (reflektierte) Strahlen überlappen.
Die 2 zeigt nochmals die optische Anordnung 100 gemäß 1, wobei die Bestandteile des Reflexionsbeugungsgitters 4 durch eine Explosionsgrafik genauer dargestellt sind. Die beiden fundamentalen Eigenmoden des Gitters, charakterisiert durch ihre effektiven Modenindizes M1 und M2, sowie den entsprechenden Modenreflektivitäten R1, R2 sind schematisch angedeutet.
Im Wesentlichen treten nur zwei relevante Beugungsordnungen (m = 0 und m = –1) im ersten Medium mit der Brechzahl n_in, und den unstrukturierten Gitterschichten 42, 43, 44, 45, 46 auf. In der strukturierten Schicht 41 breiten sich hauptsächlich (nicht ausschließlich) zwei Gitternormalmoden aus. Im häufigen Fall von spiegelsymmetrischen Brechzahlverteilungen innerhalb der Elementarzelle der Gitterschichten besitzen diese beiden Hauptmoden eine strikt symmetrische und antisymmetrische Form. Dies trifft sowohl auf den Fall der TE- als auch der TM-Polarisation zu.
Eine hohe Beugungseffizienz in die –1. Beugungsordnung in TM-Polarisation kann dadurch erreicht werden, dass die beiden existierenden TM-Eigenmoden M₁ und M₂ des Gitters nach einem kompletten Umlauf in dem Gitterschichtsystem (40) eine Phasenverschiebung von (2·N + 1)π erfahren, d.h. arg(R total,TM / 1) ≈ arg(R total,TM / 2) + (2N + 1).
Durch die Tatsache, dass das Gitter in angegebener Konfiguration nur zwei Kanäle besitzt (nämlich die 0. und die –1. Beugungsordnung in Reflexion) können unter Littrowbedingung Beugungseffizienzen von nahezu 100% erreicht werden. Das Berechnen der Moden-Reflektionskoeffizienten R_1,2 erfolgt im Normalfall mit Hilfe numerischer Verfahren (z.B. RCWA). Im Ergebnis liegen dann die optimalen Geometrieparameter des Gitters (im Falle eines Binärgitters Gitterstegen sind dies f = w/p und die Gittertiefe L) vor, sodass die Beugungseffizienz in TM-Polarisation für die –1. Beugungsordnung η TM / –1 maximiert wird. Im Allgemeinen wird die Beugungseffizienz in TE-Polarisation η (TE) / –1 für die so ermittelte Gittergeometrie aber deutlich kleiner, also nicht optimal, sein.
Beim Design der optischen Anordnung wird nach der Festlegung der Gitterstruktur der strukturierten Schicht 41 vorzugsweise direkt unterhalb der strukturierten Schicht 41 ein Schichtstapel 47 hinzugefügt, der eine oder mehrere dielektrische Schichten 42, 43, 44, 45, 46 aufweisen kann. Der Schichtstapel 47 weist Reflektivitäten R TM / st(λ) und R TE / st(λ) auf, die vorteilhaft derart optimiert werden, dass für Einfall von Licht der Wellenlänge λ mit λ₁ ≤ λ ≤ λ₂ und unter dem Einfallswinkel α folgendes gilt: |R TM / st| ≈ 0 und |R TE / st| > 0.
Der Schichtstapel 47 fungiert also als Antireflex-Schichtsystem, welches nur in TM-Polarisation funktioniert und für TE-Polarisation weiterhin nichtverschwindende Reflektivitäten aufweist. Das einfachste System, das diese Bedingungen erfüllen kann, ist eine einzelne dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex gemäß n_st = n_intan(α), weil der Einfallswinkel α dann gleichzeitig dem Brewsterwinkel zwischen den Materialien n_in und n_st entspricht.
In Folge ist der Schichtstapel 47 für TM-Polarisation optisch ohne Funktion, da die Reflektivitäten R total,TM / 1/2 der TM-Eigenmoden des Gitters unverändert bleiben. Die vorher erzielte Beugungseffizienz des Gitters bleibt somit in TM-Polarisation (nahezu) erhalten. Gleichzeitig muss der Schichtstapel 47 aber eine nichtverschwindende und auch einstellbare Reflektivität R TE / st(λ, α) in TE-Polarisation aufweisen. Damit lassen sich die Reflektivitäten R total,TE / 1/2 der TE-Eigenmoden verstimmen und durch Optimieren des Schichtstapels 47, kann nun auch das Effizienzoptimum in TE-Polarisation unter ansonsten gleichbleibender Gittergeometrie erreicht werden und mit dem Optimum in TM-Polarisation in Übereinstimmung gebracht werden.
Bevorzugte Lösungen mit geringer Gittertiefe und hoher Bandbreite der Beugungseffizienz können gefunden werden, wenn die Größen K₁ = M₁·M₁ und K₂ = M₂·M₂ (siehe Gleichungen (E9)) der sich im Gitter ausbreitenden Eigenmoden unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, also K₁ < 0 und K₂ > 0 gilt, bzw. umgekehrt. Unter diesen Bedingungen ist der Phasenversatz zwischen beiden Eigenmoden am größten.
Die Verwendung von hochbrechenden Materialien in strukturierten Schichten vergrößert die Differenz zwischen K₁ und K₂ bzw. M₁ und M₂, was wiederum nach Gleichungen (E9) zu kleineren Gittertiefen L und somit breitbandigeren Lösungen führt.
Die hier beschriebene optische Anordnung 100 hat insbesondere folgende Vorteile:

i) Es sind sehr hohe Beugungseffizienzen nahe 100% gleichzeitig für TE- und TM-Polarisation zu erzielen.
ii) Durch gezieltes Einfügen eines dielektrischen AR-Schichtsystems 47, welches nur Wirkung auf die TE-Polarisation, aber geringe Wirkung auf TM-Polarisation hat, kann gezielt die optische Performance in TE- beeinflusst und optimiert werden, ohne die Effizienz in TM-Polarisation maßgeblich zu ändern. Diese Vorgehensweise ist hilfreich bei der Suche nach Gitterstrukturen mit polarisationsunabhängiger Performance.
iii) Durch die Verwendung von angepassten Schichtsystemen 47 und/oder hochbrechenden Gittermaterialien sind moderate Gittertiefen L erreichbar, die zu entsprechender Breitbandigkeit der Gitterperformance führen.
iv) Damit wird eine optische Anordnung 100 zur spektralen Zerlegung von Licht realisiert, welches sich gleichzeitig durch hohe Beugungseffizienz, Polarisationsunabhängigkeit, Breitbandigkeit und hohe Winkeldispersion auszeichnet.
v) Es lassen sich kleine Aspektverhältnisse erzielen, die sich günstig auf die Herstellbarkeit auswirken.

Beispielhaft kann die oben skizzierte Vorgehensweise zum Design der optischen Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht anhand des in den 3A und 3B dargestellten Beispiels nachvollzogen werden.
Im ersten Schritt wird die Beugungseffizienz des Reflexionsbeugungsgitters 4 ausschließlich für TM-Polarisation optimiert. Dies geschieht i.A. mit Hilfe numerischer Methoden. 3A zeigt das Reflexionsbeugungsgitter und die Beugungseffizienzen für die TE- und die TM-Polarisation. In diesem Beispiel werden Beugungseffizienzen in TM-Polarisation größer 95% im relevanten Spektralbereich erzielt. Allerdings liegt die Beugungseffizienz für TE-Polarisation weit unterhalb von 90%.
Durch das in 3B dargestellte Einfügen eines Schichtstapels 47 unterhalb des unveränderten Gitters und durch anschließendes Optimieren der Schichtdicken jeder Einzelschicht des Schichtstapels 47 kann die Beugungseffizienz in TE-Polarisation ebenfalls entscheidend beeinflusst werden, ohne die Effizienz in TM-Polarisation zu beeinflussen. Im Ergebnis erhält man ein Gitter mit sehr hoher Beugungseffizienz und einem Polarisationsgrad kleiner 2% im angegebenen Beispiel.

Durch die Optimierung ergeben sich zum Beispiel folgende Daten für die optische Anordnung 100:

Wellenlängenbereich:	Δλ = 2305nm...2385nm
Substratmaterial:	Kieselglas, n_in = 1,45
Material außerhalb des Gitters:	Luft, n_G = 1,0
Material des Gitters:	Kieselglas, n_s = 1,45
Füllfaktor:	f = 0,55
Material der hochbrchenden Schichtenen des Schichtstapels:	Titandioxid, n = 2,35
Einfallswinkel α auf das Gitter:	61°
Gitterperiode p:	935 nm

Eine besonders vorteilhafte optische Anordnung 100 gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip ist in 4 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine dispersive Komponente, die sowohl eine hohe Dispersion realisiert, eine polarisationsunabhängig sehr hohe Beugungseffizienz und eine sehr geringe Nichtlinearität der Dispersion (A ≈ 1) aufweist.
Diese Ziele können insbesondere erreicht werden durch eine Kombination des Reflexionsbeugungsgitters 4 mit einem Prisma 5. Die Konfiguration des Reflexionsbeugungsgitters 4 entspricht vorzugsweise einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Bei der Anordnung des Reflexionsbeugungsgitters 4 an einem Prisma ist das Material des Prismas 5 gleich dem zuvor beschriebenen ersten Medium an der Lichteinfallsseite des Reflexionsbeugungsgitters 4.
Das Prisma 5 enthält drei optisch wirksame Flächen 1, 2, 3. Das Licht tritt zunächst unter einem Winkel Φ₀ vom umgebenden Medium mit Brechungsindex n_G durch die erste Fläche 1 in das Prisma 5 mit dem Brechungsindex n_in ein und wird an der ersten Fläche 1 entsprechend Gleichung (E1) gebrochen. Die zweite Fläche 2 des Prismas 5 ist so zur ersten Fläche 1 angeordnet, dass das einfallende Licht unter einem Winkel Ψ > arcsin(n_G/n_in) an der zweiten Fläche 2 totalreflektiert und in Richtung der dritten Fläche 3 abgelenkt wird. An der dritten Fläche 3 ist das Reflexionsbeugungsgitter 4 angeordnet, welches die durch Gleichungen (E7, E11) gegebene Bedingung erfüllt. Die Orientierung der dritten Fläche 3 ist dabei so gewählt, dass für den Einfallswinkel α des Lichtes auf die dritte Fläche 3 die Bedingung der Gleichung (E6) erfüllt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass entsprechend Gleichung (E2) an dem Reflexionsbeugungsgitter 4 nur die zwei Beugungsordnungen mit den Ordnungen m = 0 und m = –1 in Reflexion auftreten können. Die Ordnung m = 0 (in 4 nicht eingezeichnet) wird im Folgenden nicht weiter betrachtet, da sie für die spektrale Aufspaltung des Lichtes nicht genutzt werden kann. Deren Ausbreitungsrichtung ist entsprechend der Gleichung (E2) unabhängig von der Lichtwellenlänge. In 4 würde diese Beugungsordnung entsprechend des Reflexionsgesetzes an der dritten Fläche 3 reflektiert und auf die erste Fläche 1 umgelenkt.
Die periodische Struktur des Reflexionsbeugungsgitter 4 ist so gestaltet, dass das auf das Gitter einfallende Licht möglichst polarisationsunabhängig mit hoher Effizienz in die Beugungsordnung m = –1 reflektiert wird. Die unterschiedlichen spektralen Komponenten des einfallenden Lichtes werden dabei entsprechend Gleichung (E2) in unterschiedliche Richtungen β(λ) gebeugt. Die Anordnung ist so gestaltet, dass sich alle Wellenlängen im relevanten Spektralbereich Δλ zurück in Richtung der zweiten Fläche 2 ausbreiten. Auf diese Fläche treffen diese unter dem Winkel γ, für den sin(γ) < n_G/n_in gilt, so dass keine Totalreflexion auftritt, sondern das Licht durch die zweite Fläche 2 hindurchtreten kann und dabei entsprechend des Brechungsgesetzes (E1) gebrochen wird. Durch die Kombination der Beugung an dem Reflexionsbeugungsgitter 4 an der dritten Fläche 3 mit der Brechung des Lichtes beim Austritt aus dem Prisma 5 durch die zweite Fläche 2 wird erreicht, dass die Nichtlinearität der Dispersion der gesamten optischen Anordnung 100 minimiert wird und damit über den gesamten Spektralbereich Δλ eine Anamorphosis von A ≈ 1 erreichbar ist.
Eine hohe polarisationsunabhängige Beugungseffizienz für die Beugungsordnung m = –1 in Reflexion kann mit einem Reflexionsbeugungsgitter 4 gemäß den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen erreicht werden. Um die Gesamttransmission der optischen Anordnung 100 zu maximieren, kann auf die erste Fläche 1 und/oder die zweite Fläche 2 eine auf den Wellenlängenbereich Δλ und den jeweiligen Einfallswinkelbereich abgestimmte Antireflexbeschichtung aufgebracht werden (nicht dargestellt).
Die Gitterstege 31 des Reflexionsbeugungsgitters 4 weisen vorzugsweise einen Brechungsindex n_S auf, der größer ist als der Brechungsindex n_in des Prismas 5. Insbesondere kann der Brechungsindex n_s der Gitterstege n_s > 2 und der Brechungsindex des Prismas n_in < 1,6 betragen. Alternativ oder zusätzlich können die Gitterstege 31 des Reflexionsbeugungsgitters 4 mit einem Material überschichtet sein, welches einen Brechungsindex n_H aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n_in des Prismas 5. In diesem Fall ist vorzugsweise n_H > 2.
Die optische Anordnung 100, bei der das Reflexionsbeugungsgitter 4 an dem Prisma 5 angeordnet ist, hat insbesondere folgende Vorteile: Der Einfallswinkel des Lichtes Φ₀ auf die erste Fläche 1 des Prismas 5 ist vom Einfallswinkel α auf das Gitter 4 entkoppelt. Insbesondere kann der Einfallswinkel Φ₀ auf die erste Fläche 1 so gestaltet werden, dass er nahezu in deren Normalenrichtung liegt, wodurch eine hohe polarisationsunabhängige Transmission erreichbar ist. Auch lassen sich für nahezu senkrechten Einfall einfache Antireflexschichten realisieren. Durch die Wahl der Einfallsrichtung auf die mit dem Gitter 4 strukturierte dritte Fläche 3 entsprechend der Bedingung (E6) und die Wahl der Gitterperiode p entsprechend Bedingung (E7, E11) lässt sich eine sehr hohe Beugungseffizienz in nur eine reflektierte Beugungsordnung erreichen. Vorteilhaft ist hierbei die Nutzung eines optischen Materials für das Prisma 5 mit einem nicht zu hohen Brechungsindex. Vorzugsweise sollte für diesen n_in < 1,6 gelten. Ein geeignetes Material für das Prisma 5 ist insbesondere Kieselglas.
Durch die zusätzliche Brechung des Lichtes an der als Austrittsfläche fungierenden zweiten Fläche 2 verringert sich die Nichtlinearität der Dispersion signifikant und es lassen sich Werte für die Anamorphosis der gesamten optischen Anordnung von A ≈ 1 erreichen.

Der Strahlengang in einer optischen Anordnung 100 mit dem Prisma 5 und dem Reflexionsbeugungsgitter 4 ist für ein Ausführungsbeispiel in 5 dargestellt. Die optische Anordnung 100 kann insbesondere folgende Parameter aufweisen:

Wellenlängenbereich:	Δλ = 2305nm...2385nm
Prismenmaterial:	Kieselglas, n_in = 1,45
Material außerhalb des Prismas:	Luft, n_G = 1,0
Einfallswinkel auf die erste Fläche 1:	7,2°
Einfallswinkel auf das Gitter:	54°
Gitterperiode:	p = 935 nm
Winkel zwischen Fläche 1 und Fläche 2:	46°
Winkel zwischen Fläche 2 und Fläche 3:	105°

Mit diesen Parametern wird eine Gesamtdispersion von 18° über den genannten Spektralbereich realisiert. Die Anamorphosis beträgt dabei A = 1,1.
In den folgenden 6 bis 12 sind weitere mögliche Ausgestaltungen des Reflexionsbeugungsgitters gezeigt. Diese Ausgestaltungen lassen sich insbesondere mit der Anordnung des Reflexionsbeugungsgitters auf einem Prisma, wie in den 4 und 5 gezeigt, kombinieren.
6 zeigt schematisch ein Reflexionsbeugungsgitter 4, das ein Schichtsystem 40 aus strukturierten Schichten 41a, 41b, 41c, 41d und unstrukturierten Schichten 42a, 42b, 42c, 42d aufweist. Das Schichtsystem 40 kann im Allgemeinen aus einer beliebigen Anzahl strukturierter sowie unstrukturierter Schichten zusammengesetzt sein. Als Schicht wird ein Bereich bezeichnet, in dem der Brechungsindex n(x) (x bezeichnet die Koordinatenachse entlang der Schichten) unabhängig von der z-Koordinate (z bezeichnet die Koordinatenachse senkrecht zu den Schichten) ist.
Die 7A bis 7D zeigen schematisch vier Beispiele von Reflexionsbeugungsgittern 4, die jeweils ein binäre Gitterstruktur aufweisen, d.h. eine Gitterstruktur, die nur zwei Höhenstufen aufweist. Die binäre Gitterstruktur kann insbesondere eine Struktur aus abwechselnden Gitterstegen und Gittergräben sein, deren Höhenprofil einer periodischen Rechteckfunktion entspricht. Das Material in den Gittergräben entspricht bei den hier dargestellten Beispielen jeweils dem Umgebungsmaterial auf der lichtabgewandten Seite.
Bei den Beispielen der 7A und 7B weist das Reflexionsbeugungsgitter 4 jeweils genau zwei Schichten auf, nämlich eine strukturierte Schicht 41 und eine unstrukturierte Schicht 42. Die unstrukturierte Schicht 42 ist an der Lichteinfallseite und die strukturierte Schicht 41 an der lichtabgewandten Seite angeordnet. Bei dem Beispiel der 7A weisen die Gitterstege 31 und die unstrukturierte Schicht 42 vorteilhaft jeweils das gleiche Material auf. Insbesondere kann die unstrukturierte Schicht 42 einen Brechungsindex n₂ aufweisen, der gleich dem Brechungsindex n_S der Gitterstege 31 ist. Besonders bevorzugt weisen die Gitterstege 31 und die unstrukturierte Schicht 42 jeweils ein hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex > 2 auf, so dass n₂ > 2 und n_S > 2 gilt.
8 zeigt schematisch ein Reflexionsbeugungsgitter 4, das eine sogenannte verfüllte binäre Gitterstruktur aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ist in den Gittergräben 32 ein Material angeordnet, das nicht dem Umgebungsmaterial auf der lichtabgewandten Seite entspricht. Das Material in den Gittergräben 32 kann einen Brechungsindex n_gr aufweisen, der ungleich dem Brechungsindex n_G des Umgebungsmaterials und ungleich dem Brechungsindex n_s der Gitterstege 31 ist.
9 zeigt schematisch mehrere Beispiele von Reflexionsbeugungsgittern 4, die überschichtete binäre Gitterstrukturen aufweisen. Die Gitterstruktur kann mit einer oder mit mehreren Schichten überschichtet sein. Hierbei kann die mindestens eine Schicht die Gitterstruktur konform bedecken oder die Gittergräben auffüllen. Bevorzugt ist die Gitterstruktur mit einem Material überschichtet, welches einen Brechungsindex n_H aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n_in des ersten Medium, beispielsweise eines Prismas. In diesem Fall ist vorzugsweise n_H > 2.
10 zeigt schematisch vier verschiedene Beispiele von Reflexionsbeugungsgittern 4, die verfüllte Gitterstrukturen aufweisen. Dargestellt sind verschiedene Konfigurationen, bei denen mindestens eine unstrukturierte Schicht oder ein Schichtstapel aus unstrukturierten Schichten unter der strukturierten Schicht, d.h. an der Lichteinfallsseite, über oder beidseitig der strukturierten Schicht angeordnet sind.
11 zeigt schematisch zwei Beispiele von Reflexionsbeugungsgittern 4, die binäre mehrlagige Gitterstrukturen aufweisen. Bei diesen Beispielen ist die Gitterstruktur in einem Schichtstapel aus mindestens zwei oder mehr Schichten ausgebildet.
12 zeigt schematisch mehrere weitere Beispiele von Reflexionsbeugungsgittern 4, die diverse mögliche Geometrien aufweisen. Bei diesen Beispielen weicht die Gitterstruktur von binären Gitterstrukturen ab und/oder ist aus verschiedenen Materialien gebildet. Die in 12 dargestellten Gittergeometrien sind auch mit den zuvor in den 1 und 7 bis 11 dargestellten Schichten oder Schichtenstapeln aus unstrukturierten Schichten kombinierbar.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optische Anordnung (100) zur spektralen Zerlegung von Licht mit Wellenlängen λ aus einem Spektralbereich λ₁ ≤ λ ≤ λ₂, umfassend ein Reflexionsbeugungsgitter (4), wobei – an einer Lichteinfallsseite des Reflexionsbeugungsgitters (4) ein erstes Medium (10) mit einem Brechungsindex n_in angeordnet ist, und an einer der Lichteinfallseite abgewandten Seite des Reflexionsbeugungsgitters (4) ein zweites Medium (20) mit einem Brechungsindex n_G angeordnet ist, wobei n_in > n_G ist, – die optische Anordnung so eingerichtet ist, dass Licht unter einem Einfallswinkel α aus dem ersten Medium auf das Reflexionsbeugungsgitter (4) auftrifft, wobei die Bedingung sin(α) > n_G/n_in erfüllt ist, und – das Reflexionsbeugungsgitter (4) ein Schichtsystem (40) mit mindestens einer unstrukturierten Schicht (42) und mindestens einer strukturierten Schicht (41) aufweist, wobei die mindestens eine strukturierte Schicht (41) in lateraler Richtung eine periodische Struktur mit einer Periode p aufweist, und wobei die Periode p die Bedingungen p < λ/[n_in·sin(α) + n_G] und p > λ/[n_in·sin(α) + n_in] erfüllt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine strukturierte Schicht (41), welche die Periode p aufweist, an einer der Lichteinfallsseite abgewandten Seite des Reflexionsbeugungsgitters (4) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reflexionsbeugungsgitter (4) mehrere strukturierte Schichten (41) aufweist, und wobei alle strukturierten Schichten an einer der Lichteinfallsseite abgewandten Seite angeordnet sind.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Quadrate der effektiven Modenindizes K₁, K₂ in der mindestens einen strukturierten Schicht (41) eine der folgenden drei Bedingungen erfüllt ist: K₁ ≤ 0 und K₂ > 0, oder K₂ ≤ 0 und K₁ > 0, oder K₂ ≤ 0 und K₁ ≤ 0.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reflexionsbeugungsgitter (4) aus einer unstrukturierten Schicht (42) an der Lichteinfallsseite und einer strukturierten Schicht (41) an einer der Lichteinfallsseite abgewandten Seite besteht.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, wobei die unstrukturierte Schicht (42) einen Brechungsindex n₂ aufweist, welcher folgenden Bedingungen genügt:
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die periodische Struktur der strukturierten Schicht (41) ein Gitterprofil aufweist, das nicht mehr als zwei Höhenstufen aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 7, wobei die periodische Struktur der strukturierten Schicht (41) Gitterstege (31) mit einem Brechungsindex n_S und Gittergräben (32) aufweist, wobei die Gittergräben (32) Luft oder Vakuum aufweisen, und wobei die Gitterstege (31) und die unstrukturierte Schicht (42) aus dem gleichen Material mit einem Brechungsindex n_S = n₂ > n_in gebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – das erste Medium durch ein Prisma (5) gebildet ist, – das Prisma eine erste Fläche (1), eine zweite Fläche (2) und eine dritte Fläche (3) aufweist, – die erste Fläche (1) des Prismas (5) eine Lichteintrittsfläche der optischen Anordnung (100) ist, – die zweite Fläche (2) des Prismas (5) zur Reflexion von einfallendem Licht zur dritten Fläche (3) vorgesehen ist, – das Reflexionsbeugungsgitter (4) zur spektralen Zerlegung des einfallenden Lichts an der dritten Fläche (3) des Prismas (5) angeordnet ist, und – die zweite Fläche (2) als Lichtaustrittsfläche des von dem Reflexionsbeugungsgitter (4) reflektierten und spektral zerlegten Lichts vorgesehen ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 9, wobei Licht unter einem Winkel (Ψ) auf die zweite Fläche (2) auftrifft, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.
Optische Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Einfallswinkel (α), unter dem das Licht auf die dritte Fläche (3) auftrifft, größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein Einfallswinkel (γ), unter dem das von dem Reflexionsbeugungsgitter (4) reflektierte Licht wieder auf die zweite Fläche (2) auftrifft, kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei Gitterstege (31) des Reflexionsbeugungsgitters (4) mit einem Material überschichtet sind, welches einen Brechungsindex n_H aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n_in des Prismas (5).
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei Gitterstege (31) des Reflexionsbeugungsgitters (4) einen Brechungsindex n_S aufweisen, der größer ist als der Brechungsindex n_in des Prismas (5).
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Brechungsindex n_s der Gitterstege (31) n_s > 2 beträgt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Prisma (5) einen Brechungsindex n_in < 1,6 aufweist.