DE2252826C2 - Vielschicht-Reflexionspolarisator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen schmalbandigen Reflexionspolarisator aus dielektrischen Vielfachschichten fuer unpolarisierte unter dem Winkel theta aus einem Medium mit dem Brechungsindex na mit einer Wellenlaenge lambda1 einfallende elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infratoren Spektralbereich. Er besteht aus einem Substrat mit dem Brechungsindex ns und mindestens zwei aufgedampften Schichten aus abwechselnd hochbrechendem und niedrigbrechendem Material, wobei alle hoch- und niedrigbrechenden Schichten die gleiche effektive optische Schichtdicke aufweisen, die gleich einem ungeraden gangzahligen Vielfachen von lambda1/4 sind. Mit der Erfindung werden Formeln f r einen Reflexionspolarisator angegeben, bei dem aus unpolarisierter einfallender Strahlung die s- oder die p-Komponente schmalbandig unterdr ckt wird. Wegen der Schmalbandigkeit des Reflexionspolarisators bei einfallender breitbandiger Strahlung ergibt sich ausserdem die Wirkung eines Polarisationsfilters. ...U.S.W

Description

und daß Sir parallel zur Einfällsebene polarisierte reflektierte Strahlung k nach der Gleichung bestimmt wird:

_k=± InQi² - M²) - InQi² - M²)
2 InOn

mit

•V² = 2 - n\ sin² θ₀. (3)

2. Vielschicht-Reflexioriirolarisator mit einem an den Vielschicht-Reflexionspoiarisator angrenzenden Medium für unpolarjsierte, uDter einem Winkel θ₀ aus dem an den Vielschicht-Reflexionspolarisator angrenzenden Medium mit f»m Brechungsindex n₀ mit einer Wellenlänge X₁ einfallende elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, der aus einem Substrat mit dem Brechungsindex n, und mindestens zwei Schichten aus verschiedenen, abwechselnd aufgedampften dieiektrischen Materialien mit den Schichtdicken Z₁ bzw. t₂ besteht, und bei dem die effektiven optischen Schichtdicken einer jeden Aufdampfschicht gleich einem ungeradzahligen, ganzzahligen Viertel der Wellenlänge /I, ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziges Substrat und ein einziges Vielfkäischichtsystem vorhanden sind und

daß die eine aufgedampfte Schicht hochbrechend und die zweite Schicht niedrigbrechend ist, und
daß die Schichten die Brechungsindizes /J₁ bzw. /J₂ aufweisen und
daß eine Anzahl k dieser Doppelschichten vorgesehen ist und

daß zwischen dem Substrat und der ersten aufgedampften Schicht mit dem Brechungsindex n₇ eine dielektrische Schicht mit dem Brechungsindex /i, vorgesehen ist, und daß für senkrecht zur Einfallsebene polarisierte reflektierte Strahlung k nach der Gleichung bestimmt wird:

. _1_ 4In n, + 41n n₀ + 2InQi² - M²) - 81n n, - ln(/i² - hi²) - InQi², - M²)
2 4In /ι, + In(Zi²- - M²) - 4In n₂ - ln(n² - M²)

und daß für parallel zur Einfallsebene polarisierte reflektierte Strahlung k nach der Gleichung bestimm! wird:

. J_ ln(/i² - A/²) + lnQij - M²) - 21n(/i² - hf²)

2 ln(n² - M²) - In(Zi². - M²) '

Die Erfindung betrifft einen Vielschicht-Reflexionspolarisator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den bisher bekannten Reflexionspolarisatoren erhält man durch Reflexion an einer oder mehreren über- ' einanderliegenden Grenzflächen von dielektrischen Schichten aus einer unter dem Brewstcr-Winkel einfallenden unpolarisierten Strahlung linear polarisierte Strahlung. Schon 1947 beschreibt M. Banning in einem Artikel in »J. Opt Soc. Amen«, 1947, Seite 792-797 einen derartigen Aufbau, bei dem das Reflexionsvermögen für die senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Reflexionskomponente (j-Komponente) durch ein dielektrisches Vielfachschichtensystem erfüllt wird, das zwischen zwei Prismen angeordnet ist Bei einem Reflexionspolarisator * nach dieser Veröffentlichung ist das Vielfachschichtensystem zusammengekittet Bei Verwendung von Licht mit hoher Leistungsdichte, wie es z. B. bei Lasern auftritt, wird dieser Kitt zerstört und somit ein solcher Reflexions- ' polarisator unbrauchbar.

Aus »Feinwerktechnik«, Jg. 57, H. 5, 1953, 142-147, ist ein Reflexionspolarisator bekannt, bei dem min- Ίο destens zwei Schichten aus dielektrischem Material mit unterschiedlichen Brechungsindizes auf ein Substrat aufgedampft sind. Bei einem Reflexionspolarisator nach dieser Veröffentlichung wird ein Kitt nicht benötigt. Ein solcher Reflexionspolarisator kann also auch bei Licht mit hoher Leistungsdichte verwendet werden. Nach der Lehre dieser Veröffentlichung wird ein hoher Polarisationsgrad dann erzielt, wenn mindestens zwei Glasplatten beiderseits mit dielektrischen Schichten versehen sind. Eine solche Anordnung ist voluminös und benö- . tigt eine aufwendige Halterung zur optischen Justierung. Bei Verwendung einer Anordnung mit mindestens zwei Glasplatten ist erfahrungsgemäß der Strahlversatz groß. In dieser Veröffentlichung ist kein Hinweis darauf gegeben, wie ein Polarisationsgrad von 100% sowohl für die p-Komponente als auch für die ^-Komponente einer ' elektromagnetischen Strahlung erzielt werden kann. Auch in dieser Veröffentlichung sind nur solche Refle-H xionspolarisatoren im einzelnen behandelt, die auf dem Brewster sehen Gesetz basieren.

ώ Rsflexionspoiarisatoren, die auf dem Brewster'schen Gesetz basieren, wirken jedoch spektral iireitbandig und

g das Reflexionsvermögen kann stets nur fir/ die parallel zur Einfallsebene polarisierte Komponente (p-Kompo- ·

t| nente) der elektromagnetischen Strahlung unterdrückt werden.

Γί; In dem umfangreichen Buch von H. A. Macleod, »Thin-film Optical Filters«, 1969, Adam Hilger Ltd., Lon-

p don, sind theoretische Erkenntnisse in komplexer Weise dargestellt Wie auf Seite 23 dieses Buches dargestellt

ij ist, ist die zur Berechnung eines optischen Vielfachschichtsysteüis erforderliche Mathematik schwierig. Eine

b5 exakte Synthese von Vielfachschichten, die einen bestimmten spektralen Verlauf aufweisen sollen, ist auch mit .,'

fs Hilfe umfangreicher Rechenhilfsmittel nicht möglich. Bestenfalls kann eine bekannte Vielfachschicht, die

% ungefähr das gewünschte spektrale Verhalten zeigt, in der gewünschten Richtung verbessert werden.

|| Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vielschicht-Reflexionspolansator der ein-

|j gangs genannten Art anzugeben, der einen einfachen Aufbau aufweist und bei dem aus unpolarisierter einfal-

jj| lender Strahlung die s- oder die p-Komponente scrnnalbandig unterdrückt werden kann.

,:■; Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Vielschicht-Reflexionspolarisator nach dem Anspruch 1

;-■ und durch einen Vielschicht-Reflexionspolarisator nach dem Anspruch 2 gelöst

|ij Aus den Gleichungen, die im Anspruch 1 und im Anspruch 2 angegeben sind, lassen sich bei vorgegebenen

j| Brechungsindizes und bei einer gewünschten Polarisationskomponente der reflektierten Strahlung die Abmes-

gj sungen des Vielschicht-Reflexionspolarisators und für jeden Aufbau mehrere unterschiedliche Einfallswinkel

ψ der Strahlung bestimmen.

Wegen der Schmalbandigkeit des Reflexionspolarisators bei einfallender breitbandiger Strahlung ergibt sich

- außerdem die Wirkung eines Polarisationsfilters. ,' Die Erfindung gibt eine konkrete Lehre für einen kittfreien Vielschicht-Reflexionspolarisator, der zugleich

:■] einen einfachen optischen Aufbau aufweist Die Erfindung gibt eine konkrete Lehre für einen Vielschicht-Refle-

; i xionspolarisator, dessen Wirkung darauf beruht, daß die s- oder die ^-Komponente von einfallender elektroma- ,

v. gnetischer Strahlung bei Erfüllung verallgemeinerter Brewster-Winkel-Bedingungen vollkommen unterdrückt

werden kann. Die Erfindung gibt eine konkrete Lehre für einen Vielschicht-Reflexionspolarfcator, dec mit J einem einzigen Substrat auskommt.

Die Erfindung wird an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die F i g. 1 zeigt einen Reflexionspolarisator für die ^-Komponente, die Fig. 2 zeigt einen Reflexionspolarisator für die 5-Komponente, '; die F i g. 3 und 4 zeigen je ein Diagramm.

In der Fig. 1 ist ein Aufbau eines Reflexionspolarisators mit einer Struktur n_s(n_u η₂γη_λη₀ dargestellt. Das Substra* ist Glas mit n, = 1,5, die anschließenden abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten bestehen aus Magnesiumfluorid mit n, = n_L = 1,38 bzw. Zinksulfid mit n₂ = n_H = 2,35, das Medium, aus dem die Strahlung auf diese Anordnung fällt, ist Luft mit n₀ = 1. Mit n_L wird hier und im folgenden der Brechungsindex des niedrigbrechenden und mit n_H der Brechungsindex des hochbrechenden Materials bezeichnet. Die effektiven optischen Schichtdicken η,/, cos θ| bzw. n₂/₂ cos β₂(/ι und t₂ - Schichtdicken) betragen jeweils Ji₀/ 4, wobei A₀ - 694,3 nm die Wellenlänge eines parallelen Lichtbündels 1 eines Rubinlasers ist, der unter einem Einfallswinkel von θ₀ = 88,15° auf die Anordnung auffällt. Das Lichtbündel 1 ist nicht polarisiert, weist also die

- durch j und ρ gekennzeichneten Komponenten der Schwingungsrichtungen auf. Nach Reflexion und Brechung

an allen Grenzschichten enthält der reflektierte Lichtstrahl 2 nur mehr die /»-Komponente. Das Verhältnis von

J reflektierter Lichtintensität der/j-Komponente zur einfallenden Lichtintensität beträgt 0,91. Die ^-Komponente

des reflektierten Lichtstrahls ist 0.

Iη der F i g. 2 ist ein Aufbau eines Reflexionspolarisators mit einer Struktur n,(n \,η₂γη\η₀ dargestellt. Es wurden die gleichen Materialien wie in dem in der F i g. 1 gezeigten Beispiel verwendet, allerdings in einer anderen Reihenfolge. Hier ist n, = n_w und n₂ = n_L. Die effektiven optischen Schichtdicfeen betragen wieder jeweils V4. Der Einfallswinkel des Rubinlichtstrahls ist hier θ₀ " 86,45°.

Der unpolarisierte Lichtstrahl mit der Wellenlänge λο = 694,3 nm enthält nach der Reflexion (4) an dem Schichtensystem nur mehr die j-Komponente. Das Verhältnis der einfallenden zur reflektierten Lichtintensität

der ^-Komponenten beträgt 1. Die /»-Komponente des reflektierten Lichtstrahls 4 ist O.

Verwendet man anstelle der Rubinlichtstrahlen in den Fig. 1 und 2 paralleles weißes Licht, dann ergibt sich • eine Polarisationsfilterwirkung, die in den Diagrammen der Fig. 3 und 4 gezeigt wird.

Inder Fig. 3 sind die Reflexionsvermögen für die s- und /»-Komponenten (R₁, R,) in Abhängigkeit von der 5 Wellenlänge λ schematisch dargestellt, wenn ein Aufbau wie in der F i g. 1, jedoch mit weißem Licht, verwendet wird. R_s weist bei λ = 694,3 nm eine Nullstelle auf. Die Halbwertsbreite A λ der R,-Kurve beträgt 35 nm. R₁, ist im betrachteten Spektralbereich näherungsweise konstant.

Die F i g. 4 bezieht sich auf die in der Fi g. 2 gezeigte Anordnung. Nur wurde anstelle des monochromatischen Lichtes weißes Licht verwendet. Hier bleibt das Reflexionsvermögen für die j-Komponente R, näherungsweise ίο konstant. Das Reflexionsvermögen der /»-Komponente hat wieder bei λ = 694,3 nm eine Nullstelle. Die Halbwertsbreite A λ der Äp-Ku:ve beträgt 96 nm. Diese Halbwertsbreiten können bei Erhöhung der Zahl der aufgedampften Schichten weiter eingeengt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vielschicht-Reflexionspolarisator mit einem an den Vielschicht-Reflexionspolarisator angrenzenden Medium für unpolarisierte, unter einem Winkel θ₀ aus dem an den Yielschicht-Reflexionspolarisator

s angrenzenden Medium mit dem Brechungsindex M₀ mit einer Wellenlänge Jl₁ einfallende elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, der aus einem Substrat mit dem Brechungsindex n_s und mindestens zwei Schichten aas verschiedenen, abwechselnd aufgedampften dielektrischen Materialien mit den Schichtdicken t_x bzw. t₂ besteht, und bei dem die effektiven optischen Schichtdicken einer jeden Aufdampfschicht gleich einem ungeradzahligen, ganzzahligen Viertel der WeI-lenlänge ^₁ ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziges Substrat und ein einziges Vlelfach-Schichtsystem vorhanden sind und

daß die eine aufgedampfte Schicht hochbrechend und die zweite Schicht niedrigbrechend ist und
daß die Schichten die Brechungsindizes /I₁ bzw. Ji₂ haben und
daß eine Anzahl k dieser Doppelschichten vorgesehen ist und

IS daß für senkrecht zur Einfallsebene polarisierte reflektierte Strahlung k nach der Gleichung bestimmt wird:

_1_ 41n n, + InQi². - M²) - 41n n„ - IaJnJ - M²)
2 4ta«,+ln(/»i-^4In η-1η0ΐ1-Λ/²) '