DE1652233C3 - Verfahren beim Herstellen optischer Bauteile, wie Bandbreitenfilter - Google Patents

Description

möglicht. Das Trägermaterial ist so gewählt, daß es die optische Wirkung des optisch wirksamen Materialteils nicht nachteilig beeinflußt. Das neue Verfahren kann auch für oberflächengeschützte Spiegel, z. B. gekrümmte Spiegel für konfokale Resonatoren, eingesetzt s werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. la bis If die Arbeitsgänge bei der Herstellung eines Filters,

Fig.2a bis 2e die Arbeitsgänge bei der Herstellung eines gekrümmten oberflächengeschützten Spiegels,

Fig.3a bis 3d die Arbeitsgänge bei der Herstellung eines Wellenplättchens.

In den Zeichnungen stellt Fig. la ein scheibenförmiges Rohmateria'teil 11 aus hochwertigem erschmolzenem Quarz dar, aus dem das dielektrische Distanzstück zwischen den zwei reflektierenden Seiten eines Filters hergestellt werden soll. Für die richtige optische Wirkung ist wichtig, daß die Seite 12 des Rohmaterialteils 11 bis zu einem hohen Grad von Ebenheit geschliffen und poliert wird. Eine teildurchlässige Schichtenfolge 13 von abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex (F i g. Ib) wird auf der Seite 12 durch Aufdampfen niedergeschlagen, um eine Lichtdurchlässigkeit von etwa 3 bis 17% bei der Filter-Wellenlänge zu erhalten. Das Materialteil 11 wird dann, wie in F i g. Ic gezeigt, mit der Schichtenfolge 13 mittels eines optisch geeigneten Epoxy-Klebers 16 auf einem Träger 14 befestigt, und danach die zweite freie Seite 17 abgeschliffen. Für die gewünschte optische Wirkung des Filters ist es notwendig, daß die Dicke des Materialteils genau stimmt und daß die Seite 17 eben und parallel zur Seite 12 geschliffen und poliert wird. Um die Abmessungen während des Polierens der Seite 17 zu messen, wird auf der Seite 17 ein teildurchlässiger Silberfilm 18 hoher optischer Qualität aufgedampft, wie in Fig. Id gezeigt. In diesem Stadium bilden das Materialteil 11 und die Schichten 13 und 18 probeweise ein Filter, das danach mit Licht der Frequenz geprüft wird, für die das Filter hergestellt wird. Bei solcher Beleuchtung erzeugt da» Filter ein Beugungsmuster, das, wie dem Fachmann wohl bekannt, die Ebenheit der Seite 17, die Parallelität der Seiten 12 und 17 und die Dicke des Materialteils 11 anzeigt. Nach Erhalt dieser Informationen wird die Silberschicht 18, beispielsweise durch Salpetersäure, entfernt. An Hand der Informationen werden notwendige Justierungen beim Poliervorgang ausgeführt, um jegliche beobachtete Abweichung vom Sollmaß zu korrigieren. Es ist bisweilen notwendig, mehrmals zu messen, und hierzu die Silberbeschichtung mehrmals durchzuführen, während die Seite 17 poliert wird, bevor das Materialteil 11 die geeignete Dicke hat und die Seite 17 eben und parallel zur Seite 12 ist.

Dieses Stadium des Verfahrens ist in Fig. Ie dargestellt. Nachdem die Seite 17 poliert ist, wird sie mit einer teildurchlässigen (partiell reflektierenden) Schichtenfolge 19 überzogen, die aus einer geeigneten Anzahl abwechselnder Schichten aus Material von hohem und niedrigem Brechungsindex zusammengesetzt ist. Im Fall, daß die Seite 17 zufällig zu weit abgetragen worden ist, reicht die Abscheidung eines Films von niedrigem Brechungsindex auf der Seite 17 gewöhnlich aus, den Mangel zu korrigieren und das Abstandsstück zwischen den reflektierenden Ebenen auf eine Dicke gemäß einem ganzzahligen Vielfachen der Halbwellenlänge zu machen. Das fertige Filter ist in F i g. If dargestellt.

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

Eine Abwandlung des vorstehenden Verfahrens kann benutzt werden, um geschützte optische Spiegel herzustellen. Anstelle der teildurchlässigen Schicht 13 wird eine hochreflektierende Schicht verwendet, und die Schicht 19 wird fortgelassen.

Die Herstellung eines gekrümmten geschützten Spiegels, z. B. für konfokale optische Resonatoren, wird anhand der Fig. 2a bis 2e erläutert. An einem Rohmaterialteil 21 aus erschmolzenem Quarz (F i g. 2a) wird eine Seite geschliffen und poliert, bis eine konvexe Oberfläche 22 hoher Qualität vom gewünschten Krümmungsradius hergestellt ist (F i g. 2b). Diese Fläche 22 wird dann mit einer stark reflektierenden Schicht 23 hoher Qualität versehen (F i g. 2c). Das Rohmaterialteil 21 wird dann auf eine Trägerplatte 24 aus erschmolzenem Quarz befestigt, die zuvor auf der einen Seite 26 entsprechend der Krümmung der Fläche 22 geschliffen und poliert worden ist. Der in Fig. 2d gezeigte Aufbau wird durch eine Schicht 27 eines geeigneten Kittes, wie etwa Epoxy-Kleber, zusammengehalten. Die andere Seite 28 wird dann auf gewünschte Dicke abgeschliffen und poliert (F i g. 2e). Wenn ein hoher Genauigkeitsgrad gefordert wird, kann zeitweilig ein Bauteil vom Filtertyp hergestellt werden, indem man die Seite 28 mit einer partiell durchlässigen Silberschicht bedeckt — wie in Fig. Id mit 18 — und das mit monochromatischem Licht erzeugte Interferenzmuster zur Bestimmung der Dicke, Krümmung und Parallelität benutzt, wonach die Silberschicht entfernt und gegebenenfalls weiter poliert wird, bis das Teil 21 den Anforderungen an Dicke und Parallelität und Fläche 28 der gewünschten Krümmung und Oberflächengüte entspricht.

Der geschützte Spiegel nach F i g. 2e kann sehr kostengünstig hergestellt werden, wenn eine extreme Oberflächengüte nicht notwendig ist, indem man eine flexible Scheibe, z. B. ein Mikroskop-Deckgläschen aus Glas oder Quarz mit einem reflektierenden Überzug versieht und in geeigneter Weise an einer passenden in Fig.2d dargestellten Trägerplatte 24 mit konkaver Fläche befestigt.

Für die Herstellung von Wellenplättchen wird ähnlich vorgegangen, wie im Vorangegangenen beschrieben, jedoch fehlen die Beschickungen. Quarzkristall, nach der Y- oder X-Achse geschnitten, wie in F i g. 3a gezeigt, wird als optisch wirksames Materialteil 31 bevorzugt und auf einer Seite 32 auf einen hohen Grad von Ebenheit geschliffen und poliert. Die Seite 32 wird dann auf eine neutrale polierte Trägerplatte 33 aus erschmolzenem Quarz mittels eines Epoxy-Klebers 34 oder anderem optischen Kitt geklebt, wie in Fig. 3b gezeigt. Die zweite Seite 36 des Kristaü-Materialteils 31 wird abgeschliffen und poliert, bis die gewünschte Dicke erreicht und die Seite 36 eben und parallel zur Seite 32 ist. Wegen der geforderten extremen Präzision wird das Polieren der Seite 36 periodisch unterbrochen und die Dicke des Kristall-Materialteils 31 mittels eines optischen Kompensators in der Anordnung nach F i g. 3c gemessen. Der Kompensator 38 besteht aus zwei Quarzkeilen 39 und 41 und ist verstellbar. Der Wirkung nach handelt es sich um ein verstellbares Wellenplättchen. Licht von der Frequenz, für das das Wellenplättchen bestimmt ist, wird durch einen

Polarisator 35, die zu prüfenden Teile 33 und 31, den Kompensator 38 und einen zweiten, parallel zum ersten liegenden Polarisator 40 geschickt. Der Kompensator 38 ist zu Beginn auf Null eingestellt, d.h. hat keinen Einfluß auf das Licht und wird dann durch die aufeinandergleitenden Keile 39 und 41 verstellt, bis Auslöschung des Lichts bei einer gewissen Drehung des Polarisator-Paares 35 und 40 zueinander beobachtet wird. Das Prüfteil 33/31 und der Kompensator 38 bilden zusammen gewissermaßen ein Halbwellen-Plättchen. Die erforderliche Größe der Verstellung des Kompensators 38 zeigt die Materialmenge an, die von der Seite 36 noch wegpoliert werden muß. Die Messung wird mehrfach wiederholt, bis Auslöschung in der Nullstellung des Kompensators erreicht ist, wonach der Kristall-Materialteil 31 zu einem Halbwellen-Plättchen gewünschter Dicke geworden ist, wie in F i g. 3d gezeigt. Als Beispiel für die geforderte Präzision wird angegeben, daß die Seite 36 innerhalb einer zwanzigstel Wellenlänge eben und parallel zur Seite 32 poliert werden muß. Für eine Wellenlänge von 6328 ÄE ist der Kristall-Materialteil 31 nur 34,9+ Mikron dick.

Aus dem Vorangegangenen ist leicht ersichtlich, daß das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, in dem

ίο ein optisch neutrales Material als Stütze oder Träger des herzustellenden Bauteils dient und zu einem integralen Teil des vollständigen Bauteils wird, es dem Fachmann ermöglicht, extrem genaue kleine Bauteile in verhältnismäßig einfacher Art herzustellen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentar.apruch:

   Verfahren beim Herstellen optischer Bauteile wie Bandbreitenfilter, geschützte Spiegel für konfokale optische Resonatoren, Wellenplättchen, die ein aus einem Rohling hergestelltes, optisch wirksames Materialteil, z. B. ein Halbwellenplättchen aus Quarz, von exakter ebener oder gekrümmter Form mit zwei geschliffenen, polierten, optisch qualifizier- so ten Oberflächen aufweisen, wobei dieser Materialteil ein besonders kleines Dickenmaß enger Toleranz von bspw. 34,9 ±0,1 Mikron aufweist und zur mechanischen Stützung an einer seiner beiden Oberflächen mit einem Träger bleibend verbunden, bspw. verklebt ist, der die gewünschte optische Wirkung des optischen Materialteils nicht beeinträchtigt, wobei zum Schleifen und Polieren der Oberflächen der Rohling zunächst eine Fertigbearbeitung einer Oberfläche, dann an dieser Oberfläche eine Verbindung mit einem Bearbeitungsträger und schließlich eine Fertigbearbeitung der anderen Oberfläche des einseitig bearbeitenden Rohlings auf Soll-Dickenmaß und -Form mit periodischen Unterbrechungen der Bearbeitung zum Prüfen und Messen der optischen Werte erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß von einem formsteifen Rohling (11, 21, 31) ausgegangen, der einseitig bearbeitete, formsteife Rohling (11, 21, 31) unter Benutzung des zur mechanischen Stützung des Fertigteils dienenden Trägers (14, 24, 33) als Bearbeitungsträger mit diesen bleibend verbunden und die Fertigbearbeitung der anderen Oberfläche (17, 28, 36) unter erheblicher DicKenverminderung auf das die eigene Formsteifigkeit des optisch wirksamen Materialteils beseitigende kleine Dickenmaß vorgenommen wird.

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

   Für Meßinstrumente, physikalische Geräte oder auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik mit Licht als Übertragungsmedium werden diverse optische Materialteile, darunter auch äußerst dünne, z. B. Dielektrika, benötigt.

   Im Fall von Bandbreiten-Filtern sind durch ein Dielektrikum getrennte, reflektierende Oberflächen vorgesehen. Bisher wurden solche Filter mit reflektierenden Flächen hergestellt, die durch viele hundert oder tausend Halbwellenlängen voneinander getrennt sind. Wie die Anmelderin festgestellt hat, beeinflußt der Abstand der reflektierenden Oberflächen die Filtergüte in zweierlei sich widerstreitender Hinsicht, und zwar bezüglich der Moden-Bildung und der Bandbreiten-Größe. Moden-Bildung ist einfach das Vorhandensein verschiedener Durchlaß-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 durchgelassenen Maxima bezüglich der Frequenz beieinander. Daher können bei einem breiten Abstand verschiedene dieser Maxima im Frequenzbereich, der von Interesse ist, auftreten, und das Filter arbeitet schlecht. Andererseits wird bei kleinem Abstand der reflektierenden Flächen zwar ein weiterer. Abstand zwischen den Maxima erzielt, aber die Durchlaß-Bandbreite des Filters nimmt zu. Als Kompromiß wurde gefunden, daß ein Abstand in der Nähe von etwa dreihundert Halbwellenlängen zu einer annehmbar scharfen Filterbandbreite mit ausreichender Trennung der Zwischenmaxima führt. Solch ein Abstand zwischen den reflektierenden Flächen beträgt jedoch in Anbetracht der Wellenlänge von optischer Strahlung nur wenige Hundertstel Millimeter. Bisher wat es in Wirklichkeit unmöglich, Filter mit solchen Abstand wegen der Anforderungen an optischer Ebenheit und Parallelität der reflektierenden Flächen herzustellen.

   Zur Herstellung solcher Bandbreiten-Filter wird Glimmer gespalten, um ein dünnes Dielektrikum zu erhalten. Damit können Filter-Durchlaß-Bandbreiten von annähernd zwei bis drei ÄE erhalten werden, was für viele Anwendungszwecke bei weitem zu breit ist. Es sind doppeltbrechende Filter angefertigt worden mit Durchlaß-Bandbreiten von ein bis zwei AE, was auch zu breit ist. Interferenz-Filter mit aufgedampften Filmen haben Charakteristika in der Größenordnung von 10 ÄE zu beiden Seiten der Mittenfrequenz. Ein Filtertyp, der eine extrem scharfe Charakteristik ergibt, ist das Interferometer nach Fabry-Perot, aber es ist etwa 0,3 m lang, bewirkt Moden-Bildung, ist sehr temperaturempfindlich und schwierig zu bauen.

   Im Fall der Wellenplättchen ist das Problem noch schwieriger zu lösen. Wellenplättchen sind doppelbrechende Eauteile, 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 wurden, so daß ihre wirksame Dicke im Bereich von 15 bis 40 Mikron liegt, obwohl ihre tatsächliche Dicke 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.

   Bei allen vorerwähnten Bauteilen 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.

   Was die Aufgabenstellung angeht, so soll hier beim Rausfallen von dünnen Materialteilen für Bauteile im Sinne der Gattung die Dünnheit der Materialteile aus optisch-physikalischen Gründen ganz wesentlich gesteigert werden, so daß man zu Dicken dieser Materialteile von nur einigen 'Λοο Millimetern gelangt. Zu diesem Zusammenhang soll eine Bearbeitungsmethode aufgezeigt werden, wie derart dünne Teile aus Kristallquarz oder erschmolzenem Quarz verzugsfrei sowohl durch beidseitiges Schleifen und Polieren hergestellt als auch in eingebautem Zustand in der exakt geschliffenen Form dauernd erhalten bleiben können.

   Die gestellte Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Anspruchs gelöst.

   Bei dem neuen Verfahren bildet ein Träger aus erschmolzenem Quarz die notwendige Stütze, die erst das Schleifen des Materialteils des Wellenplättchens auf die notwendigen extrem geringen Abmessungen er-