DE1652233A1 - Optische Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated Herriott-Perry-Wimperis

New York - V. St. A. 14-1-1

Optische Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung befaßt sich mit optischen Bauteilen wie Filtern, Wellenplättchen, Spiegeln und dergleichen und mit Verfahren zu ihrer Herstellung.

Das weit verbreitete Interesse und die Forschung auf optischem Gebiet, die noch kürzlich durch die Erfindung des optischen Masers oder Lasers angeregt wurde, hat eine große Nachfrage nach optischen Bauteilen verschiedener Typen ausgelöst. Da optische Wellen elektromagnetische Wellen sind,, haben viele Bauteile ihr Gegenstück in der Mikrowellen-Technik, doch ist es, da die fraglichen Wellenlängen so kurz sind, nicht immer möglich oder tunlich, einige Bauteile durch Anwendung der üblichen Mikrowellen-Technik herzustellen. Im Fall der Bandbreiten-Filter, die durch ein Dielektrikum getrennte, reflektierende Oberflächen verwenden, ist es beispielsweise wegen der extrem geringen Dicke, die für die dielektrische Schicht verlangt wird, wenigstens bisher undurchführbar, Trennungen im Bereich von 5 λ bis 0, 5 mm anzuwenden, wie man es bei Mikrowellen-Frequenzen machen kann. Demzufolge werden Filter hergestellt, in denen die reflektierenden Flächen durch viele hundert oder tausend Halbwellenlängen getrennt sind. Dieser weite Abstand läßt zwei Probleme entstehen, die sich gegenseitig ausschließen. Das heißt,

109850/0232 BAD ORIGINAL

daß die Lösung des einen die des anderen erschwert und umgekehrt. Diese Probleme sind Moden-Bildung und Bandbreiten-Größe. Moden-Bildung ist einfach das Vorhandensein verschiedener Bandbreiten in der Filtercharakteristik., die auf der Frequenzskala voneinander getrennt sind. Je größer der Abstand zwischen den reflektierenden Flächen des Filters, desto enger liegen die Maxima (peaks) in der Frequenz beieinander. Daher können bei einem breiten Abstand verschie- ψ dene dieser Maxima im Frequenzbereich, der von Interesse ist, auftreten und die Arbeitsweise des Filters wird verschlechtert.

Andererseits wird bei Verringerung des Abstands, um eine breitere Trennung der Maxima zu bewirken, die Bandbreite des Filters vergrössert. Es ist daher im allgemeinen notwendig, einen Kompromiß zu schließen. Es wurde gefunden, daß ein Abstand in Höhe von etwa dreihundert Halbwellenlängen eine annehmbar scharfe Filterbandbreite mit ausreichend breiter Zwischengrößen-Trennung bewirkt. Solch ein Abstand zwischen den Flächen beträgt jedoch in einigen Fällen nur wenige Hundertstel Millimeter. Bisher war es in Wirklichkeit unmöglich, FiI-

■ $

ter mit solchem Abstand wegen der Anforderungen an optische Ebenheit und Parallelität der reflektierenden Flächen herzustellen.

Eine Methode zur Herstellung solcher Filter besteht im Spalten von Glimmer, um ein dünnes Dielektrikum zu erhalten. Dies Verfahren liefert bestenfalls eine Filter-Bandbreite, die annähernd zwei bis drei

t09850/0232 BAD

AE hat, was für viele Anwendungszwecke bei weitem zu breit ist. Es sind doppeltbrechende Filter angefertigt worden mit Bandbreiten von ein bis zwei ÄE, was auch zu breit ist. Interferenz-Filter mit aufgedampften Filmen haben Charakteristika in der Größenordnung von 10 ÄE Halbbreite. Ein Filtertyp, der eine extrem scharfe Charakteristik ergibt, ist das Interferometer nach Fabry-Perot, aber es ist etwa 0, 3 m lang, bewirkt Modenbildung, ist sehr temperaturempfindlich und schwierig zu bauen.

Im Fall der Wellenplättchen ist das Problem noch schwieriger zu lösen. Wellenplättchen sind doppelbrechende Vorrichtungen, die Phasenverzögerungen bei verschieden polarisiertem Licht hervorrufen und haben erwünschtermaßen eine Dicke von 15 bis 40 Mikron je nach der fraglichen Lichtfrequenz. Es hat sich als praktisch unmöglich erwiesen, mit bekannten Techniken den gewünschten Grad optischer Ebenheit und Parallelität bei so dünnem Material zu erreichen. Bisher sind Wellenplättchen aus Quarz, einem ausgezeichneten Material für diesen Zweck, hergestellt worden, indem zwei Quarzstücke mit gekreuzten Achsen miteinander verbunden werden, sodaß ihre wirksame Länge (oder Breite) im Bereich von 15 bis 40 Mikron liegt, obwohl ihre tatsächliche Länge weit größer ist. Es ist schwierig, mit dieser Methode den gewünschten Effekt exakt zu erreichen. Wellenplättchen aus Kunststoff oder Glimmer sind allgemein unbefriedigend wegen der ihnen von Natur aus anhaftenden Eigenschaft der Lichtstreuung.

1098 5 0/0232
BADORIGfNAL

Bei allen vorerwähnten Geräten bedeutet die extrem geringe Dicke, die gefordert wird, daß das Material nicht stark genug ist., um sich selbst zu tragen, weswegen das Schleifen auf Ebenheit und Parallelität mit den gegenwärtigen Techniken allgemein unbefriedigend ist.

Die vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren zur Anfertigung von Filtern, Wellenplättchen und dergleichen von der gewünschten geringen Dicke, um Ergebnisse oder Charakteristiken welcher auch immer geforderten Art zu erhalten.

In der Anwendung auf die Herstellung eines Bandbreitenfilters besteht das Verfahren der Erfindung aus den Arbeitsgängen des Schleifens und Polierens einer Fläche einer Scheibe oder Platte aus geschmolzenem Quarz auf optische Ebenheit und anschließendem Niederschlagen - etwa durch Aufdampfen - von abwechselnden Schichten dielektrischer Filme von hohem und niedrigem Brechungsindex abwechselnder Schichten von Zinksulfid oder Kryolith.

Die beschichtete Fläche wird dann mit einem optisch geeigneten Klebemittel, beispielsweise Epoxy-Kleber auf einer Unterlage aus Quarzglas montiert. Die andere unbedeckte Fläche wird dann geschliffen und poliert. Zwischendurch wird während des Schleifens der zweiten Fläche vorübergehend ein Silberfilm, etwa durch Aufdampfen, auf der Fläche niedergeschlagen, um vorübergehend ein Filter herzustellen und Licht der Fre-

1 0 9 8 ο υ / 0 2 3 2

BAD ORIGINAL

quenz durchzuschicken, mit der das Filter benutzt werden soll. An dem entstandenen Beugungsmuster kann man anhand bekannter Techniken den Keilwinkel (oder die Parallelität), die Ebenheit und die Dicke der Platte ermitteln. Das Silber wird dann, etwa durch Salpetersäure, entfernt und das Polieren und Nacharbeiten fortgesetzt, um etwa beobachtete Aberrationen zu korrigieren. Dies Verfahren wird fortgesetzt bis die gewünschte Dicke erreicht ist.

Wenn die geeignete Dicke, Ebenheit und Parallelität erreicht ist, wird die Fläche mit abwechselnden Lagen dielektrischen Materials von hohem und niedrigem Brechungsindex beschichtet wie bei der ersten Fläche. Das Endprodukt ist ein Filter mit einem dielektrischen Raum oder Schicht von 0, 025 bis 0, 051 mm bis zu 1 mm herauf zwischen den reflektierenden Flächen und hat eine Filterbandbreite zwischen 0,1 und 2 AE. Die anderen Filtermaxima sind in der Frequenz ausreichend weit vom Hauptmaximum entfernt, sodaß sie kein Problem darstellen. Das Filter ist (mechanisch) fest, unempfindlich gegen die Temperatur und, relativ betrachtet, recht wirtschaftlich herzustellen.

Bei der Herstellung eines Wellenplättchens ist das Verfahren der Erfindung praktisch das gleiche, doch werden die Plattierungsgänge ausgelassen und eine Quarzkristallscheibe ist das Bauteil, das geschliffen und poliert wird. Eine Fläche des Kristalls wird eben geschliffen und poliert, dann mit Epoxy-Kleber auf eine Unterlage aus geschmolzenem Quarz

1098oU/0232 BAD ORIGfNAt

geklebt. Die andere Fläche wird dann geschliffen, um eine Quarz scheibe in der Größenordnung von 40 Mikron Dicke mit ebenen und parallelen Flächen herziistellen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung stellt die Verwendung einer Unterlagsplatte aus geschmolzenem Quarz die notwendige Stütze dar, die ihrerseits das Schleifen des Filters oder des Wellenplättchens auf die notwendigen extrem geringen Abmessungen gestattet. Diese Rückenplatte, die optisch die Arbeitsweise der Bauteile nach dem Verfahren der Erfindung nicht nachteilig beeinflußt, ist ein wesentliches Element des Erfindungsverfahrens. Es kann auch bei einer Abwandlung der Erfindungsmethode verwendet werden, wenn gekrümmte Spiegel für konfokale Resonatoren herzustellen sind, wie im folgenden besprochen wird.

Die Hauptmerkmale und Ziele der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen rasch verständlich werden.

Fig. la bis If erläutern die Arbeitsgänge des Erfindungsverfahrens bei der Herstellung eines Filters.

Fig. 2a bis 2e erläutern die Arbeitsgänge des Verfahrens der Erfindung bei der Herstellung eines gekrümmten, geschützten Spiegels.

Fig. 3a bis 3d erläutern die Arbeitsgänge des Verfahrens der Erfindung bei der Herstellung eines Wellenplättchens.

109850/0232

BAD ORfGiNAt.

In den Zeichnungen stellt Fig. la eine Scheibe oder Rohling 11 aus hochwertigem geschmolzenem Quarz dar, aus der das dielektrische Distanzstück zwischen den zwei reflektierenden Flächen eines Filters hergestellt werden soll. Um geeignetes optisches Arbeiten sicherzustellen, wird eine Fläche 12 der Scheibe 11 bis zu einem hohen Grad von Ebenheit geschliffen und poliert.

Ein partiell durchlässiger und partiell reflektierender Film 13 wird auf der Fläche 12 durch Aufdampfen niedergeschlagen, um einen optischen Film hoher Qualität sicherzustellen. Der in Fig. Ib gezeigte Film 13 ist aus ausreichenden Schichten dielektrischer Filme von abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex zusammengesetzt, um eine Durchlässigkeit von vielleicht 3 bis 17 % bei der ausgewählten Wellenlänge zu erhalten.

Die Scheibe 11 wird dann wie in Fig. Ic gezeigt ,rutiels eines optisch geeigneten Epoxy-Klebers'l6 auf eine Rückenplatte 14 mit dem Film 13 zur Platte 14 hin montiert und danach die zweite Fläche 17 der Scheibe 11 geschliffen. Für das richtige Arbeiten des Filters ist es notwendig, daß die Fläche 17 eben und parallel zur Fläche 12 geschliffen und poliert wird. Es ist auch notwendig, daß die schließliche Breite der Scheibe 11, die von Arbeits-Wellenlänge des Filters bestimmt wird, präzis ist. Um diese Genauigkeit während des Polierens der Fläche 17 in einer oder- mehreren Stufen zu gewährleisten, wird die Fläche 17 durch Aufdampfen eines teil« weise durchlässigen Silberfilms 18 hoher optischer Qualität beschichtet,

1098ÖÜ/Q232 BADORlGINAt

wie in Fig. Id gezeigt. In diesem Stadium bilden Scheibe 11 und die Filme 13 und 18 zeitweilig ein Filter, das danach mit Licht der Frequenz geprüft wird, für die das Filter hergestellt wird. Bei solcher Beleuchtung erzeugt das zeitweilige Filter ein Beugungsmuster, das, wie dem Fachmann wohl bekannt, die Ebenheit der Fläche 17, die Parallelität der Flächen 12 und 17 und die Dicke der Scheibe 11 anzeigt. Nachdem diese Information einmal erhalten ist, wird der Silberfilm 18 durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Salpetersäure entfernt. Anhand dieser Information werden notwendige Justierungen beim Poliervorgang durchgeführt, um jegliche beobachtete Aberration zu korrigieren. Es ist bisweilen notwendig, den Arbeitsgang der Silberbeschichtung mehrmals durchzuführen, während die Fläche 17 poliert wird, bevor die Scheibe 11 die geeignete Dicke hat und Fläche 17 flach und parallel zur Fläche 12 ist.

Dies Stadium des Verfahrens ist in Fig. Ie dargestellt. Nachdem Fläche 17 poliert ist, wird sie mit dem partiell durchlässigen, partiell reflektierenden Film 19 überzogen, der so wie Film 13 aus einer geeigneten Anzahl abwechselnder Schichten aus Material von hohem und niedrigem Brechungsindex zusammengesetzt ist. Im Fall daß Fläche 17 zufällig zu dünn poliert worden ist, so reicht die Abscheidung eines Films von niedrigem Brechungsindex zuerst auf Fläche 17 gewöhnlich aus, den Mangel zu korrigieren und das Abstandsstück zu einer exakten integralen Zahl von Halbwellen-Dicke zu machen. Das vollständige Filter wird in Fig. If gezeigt.

1 0 y 8 ο υ / 0 2 3 2

BAD ORIGINAL

Es wurde gefunden, daß geschmolzener Quarz ein ausgezeichnetes Material für die Zwecke dieser Erfindung ist. Insofern die Rückenplatte 14 das Arbeiten des Filters optisch nicht beeinträchtigt, ist es nicht nötig sie zu entfernen. Die Belassung der Rückenplatte 14 am Filter sichert einen Grad von Stabilität, der größer ist als bisher bei solchen Filtern bekannt.

Das vorstehende Verfahren kann auch benutzt werden, um geschützte optische Spiegel zu machen. Alles was erforderlich ist, ist die Verwendung eines hoch reflektierenden Films anstelle von Film 13 und die Beseitigung des ganzen Films 19. Wo ein gekrümmter geschützter Spiegel gewünscht wird, wie bei konfokalen optischen Resonatoren, werden die in Fig. 2a bis 2e dargestellten Arbeitsgänge angewandt. Diese Arbeitsgänge verlaufen kurz gesagt wie folgt:

Ein Rohling aus geschmolzenem Quarz 21, wie in Fig. 2a gezeigt, hat eine geschliffene und polierte Fläche 22 zur Herstellung einer konvexen Oberfläche hoher Qualität vom gewünschten Krümmungsradius, wie in Fig. 2b gezeigt. Diese Fläche wird dann mit einem stark reflektierenden Film 23 hoher Qualität nach irgendeinem geeigneten Verfahren beschichtet, wie in Fig. 2c gezeigt. Das Teil 21 wird dann auf eine Rückenplatte 24 aus geschmolzenem Quarz montiert, dessen Fläche 26 geschliffen und poliert ist und sich der Krümmung der Fläche 22 anpaßt. Die in Fig. 2d gezeigte Zusammenstellung wird durch eine Schicht 27 eines geeigneten

1098üü/0232

Kittes, wie etwa ein Epoxy-Kleber zusammengehalten. Die andere Fläche 28 wird dann zur gewünschten Dicke geschliffen und poliert. Wo ein hoher Genauigkeitsgrad gefordert wird, kann zeitweilig ein Gerät vom Filtertyp hergestellt werden, indem man Fläche 28 mit einer partiell durchlässigen Silberschicht bedeckt und das mit monochromatischem Licht erzeugte Interferenzmuster als Test für Dicke, Krümmung und Parallelität benutzt, wonach das Silber entfernt und das Polieren fortgesetzt wird, bis das Teil 21 den Anforderungen an Dicke und Parallelität und Fläche 28 der gewünschten Krümmung und Politur entspricht, wie in Fig. 2e gezeigt.

Der Aufbau nach Fig. 2e kann sehr ökonomisch vollzogen werden, wo eine extreme Oberflächengüte nicht notwendig ist, indem man eine flexible Scheibe, wie ein Mikroskop-Deckgläschen aus Glas oder Quarz mit einem reflektierenden Überzug versieht und in geeigneter Weise an einer passenden Rückenplatte mit konkaver Fläche befestigt, wie in Fig. 2d dargestellt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist im Grunde das gleiche, wie im Vorangegangenen für die Herstellung von Wellenplättchen beschrieben, doch werden natürlich die Plattierungsgänge ausgelassen. Ein Rohling aus einem Quarzkristall von Y- oder X-Schnitt, wie in Fig. 3a gezeigt, wird auf einer Fläche 32 auf einen hohen Grad von Ebenheit geschliffen und poliert. Diese Fläche 32 wird dann auf eine polierte Rückenplatte

109850/0232

aus geschmolzenem Quarz mittels eines Epoxy-Klebers 34 oder anderem optischen Kitt geklebt, wie in Fig. 3b gezeigt. Eine zweite Fläche 36 des Kristalls 31 wird dann geschliffen und poliert, bis Kristall 31 die gewünschte Dicke hat und die Fläche 36 eben und parallel zur Fläche 32 ist. Wegen der geforderten extremen Präzision wird das Polieren der Fläche 36 periodisch unterbrochen und die Dicke des Kristalls 31 mittels eines optischen Kompensators gemessen, wie in Fig. 3c gezeigt. Der Kompensator 38 besteht aus einem Paar Quarzkeilen 3 9 und 41 und ist justierbar. In der Wirkung arbeitet er wie ein justierbares Wellenplättchen. Licht von der Frequenz, mit der das Wellenplättchen benutzt werden soll, wird durch einen Polarisator 35, die Teile 33 und 31, den Kompensator 38 und einen zweiten, parallel zum ersten liegenden Polarisator 40 geschickt. Der Kompensator 38, der zu Beginn auf Null justiert ist, d.h. keinen Einfluß auf das Licht hat, wird dann <-krei die gleitenden Teile 39 und 41 justiert, bis Auslöschung des Lichts bs, Ir in· sag des Polarisattr-Paares 35 und 40 erreicht wird. In diesem Stadium ist die gesamte Zusammenstellung ein Halbwellen-Plättchen. Die erforderliche Größe der Justierung durch Teil 38 zeigt die Materialmenge an, die von Fläche 36 noch wegpoliert werden muß. Dieser Arbeitsgang wird mehrfach wiederholt, bis Auslöschung in der Nullstellung des Kompensators erreicht ist, in welchem Punkt der Kristall 31 ein Halbwellen-Plättchen ist, wie in Fig. 3d gezeigt. Ein Beispiel für die geforderte Präzision ist, daß die Fläche 36 innerhalb einer Zwanzigstel Wellenlänge eben \> :1 parallel zur Fläche 32 poliert werden muß. Für eine Wellenlänge von 6328 AE ist der Kristall

1 0985Ü/0232 BAD ORIGINAL

nur 34, 9 - 0,1 Mikron dick für ein Halbwellen-Plättchen.

Aus dem Vorangegangenen ist leicht ersichtlich, daß das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, in dem ein optisch neutrales Material als Stütze eines Bauelements dient und zu einem integralen Teil des vollständigen Bauelements wird, es dem Fachmann ermöglicht, extrem genaue kleine Geräte in verhältnismäßig einfacher Art herzustellen.

Yersehiedene Änderungen oder Zusätze zu den Arbeitsgängen der Erfindung liegen für den Fachmann nahe, ohne vom Erfindungsgedanken und -Umfang abzuweichen.

1 09815 0/0232

Claims (6)

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung optischer Bauteile, bestehend aus den Arbeitsgängen der Auswahl eines Rohlings (11) aus Material, aus dem das Bauteil herzustellen ist, dem Schleifen und Polieren einer Fläche (12) des Rohlings zu einer Oberfläche optischer Qualität, dem Schleifen der gegenüber liegenden Fläche (17) des Rohlings zur gewünschten Ebenheit und (gleichzeitig) des Rohlings zur gewünschten Dicke, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Fläche (12) nach dem Schleifen auf eine Rückenplatte aus im wesentlichen optisch neutralem Material mittels eines optischen Kitts geklebt wird und ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifen der gegenüber liegenden Fläche (17) periodisch unterbrochen wird und daß der Rohling zeitweilig als optisches Bauelement des Typs verwendet wird, zu dem er verarbeitet wird und (schließlich) unter dem Einfluß von Licht derjenigen Frequenz geprüft wird, bei der er benutzt werden soll, um seine Dicke und die optische Qualität der gegenüber liegenden Fläche (17) zu ermitteln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückenplatte aus geschmolzenem Quarz besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling aus Kristallquarz besteht.

109850/0232

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling aus geschmolzenem Quarz besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bandbreiten-Filters nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Arbeitsgänge des Aufbringens eines partiell reflektierenden, partiell durchlässigen Überzugs auf eine Fläche, nachdem sie geschliffen und poliert ist, des periodischen Beschichtens der gegenüber liegenden Fläche während der Unterbrechungen des Schleifens, dem Durchschicken von Licht der Frequenz, mit der das Filter benutzt werden soll, durch den Rohling hindurch und Beobachtung seiner Durchlässigkeits- und Filterungs-Eigenschaften, um die optische Ebenheit und Parallelität der gegenüber liegenden Fläche und die Dicke des Rohlings zu ermitteln, dem Entfernen des Überzugs auf der gegenüber liegenden Fläche, der Fortsetzung des Schleifens und Polierens der Fläche und der periodischen Prüfung des Rohlings zeitweilig als Filter, bis die gewünschte Filtercharakteristik, Ebenheit und Parallelität der gegenüber liegenden Fläche erreicht sind und

dem Aufbringen eines partiell reflektierenden, partiell durchlässigen Überzugs auf die gegenüber liegende Fläche.

6. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bandbreiten-Filters nach Anspruch 5, wonach der Überzug auf der einen und auf der gegenüber liegenden Fläche aus einer Mehrzahl abwechselnder Schichten dielektrischen • Materials von hohem und niedrigem Brechungsindex hergestellt wird.

109050/0232

Leerseite