DE2357593A1 - Interferenzvielschichtfilter mit breitbandigem transmissionsbereich - Google Patents

Description

BALZERS HOCHVAKUUM OMBH, Reinrich-Hertz-Str.6, D 6 Prankfurt/M 90

Interfeifezvle-lsehichtfilter" mit breitbandigern Transmissionsbereich.

Die .vorliegende Erfindung betrifft ejin Interferenzvielschichtfilter mit breitbandigem Ti^ansmissionsbereich, bei .welchem die Sperrbänder höherer Ordnung teilweise-unterdrückt sind.

Die. Naherungstheorien von Epstein-und Thelen betreffend die Konstruktion von Filtern mit unterdrückten Sperrbändern.bzw erweiterten TrarismisGionobaiicicrn sind b.Gkann.t; siehe· z.B. , As Thelen, J. Opt. Soc. Am. 56, 1553 '1966). -

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BADORtGINAL

Epstein hat gezeigt, dass unter bestimmten Annahmen nichtab sorbierende periodische Vielschichtsysteme für jene Wellenlängenbereiche ein Sperrband besitzen, für_welche gilt

(1)

wobei ψ~ (Q7t/A)nci ein Mass für die Dicke jeder Einsel schicht des Systems (die sogenannte Phasendicke) darstellt.

ψ bedeutet die Summe der Phasendicksn aller Schichten innerhalb einer Periode. Ferner bedeutet t die Transmission der einzelnen Periode, wobei unter Periode im Sinne dieser Beschreibung das Teilpaket von Schichten verstanden wird, v/elches sich innerhalb des Gesamtsystems mehrmals identisch wiederholt. . -·'_-.-"

Die genannte Bedingung (1) ist, wie ersichtlich, erfüllt, wenn

51 ψ ^:=⁼

mit m = 1, 2, ^ usv/., ausgenommen der Fall t = 1.

Die erwähnte Theorie wurde von Epstein und später von Thelcn bei der Konstruktion verschiedener Filter mit erweitertem Trrr: ms si er; "band angewendet.

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In seiner Abteilung der Formel (1) machte Epstein die "Annehme, dass mehrfache Reflexionen zwischen·· den Grenzflächen der einzelnen Schichten <äes yielschieiitsystenis vernachlässigt'werden könnten. Dies ist, wie bekannt, .nurannaherungswoise der Fall und deshalb konnten die nach diesem bisherigen Stand der Technik konstruiörten Filter fur manche Aufgabenstellungen keine befriedigenden lösungen bieten.

Für die optische Technik von besonderem interesse sind Filter, bei denen zur Erzielung eines breitbandigen Transmissionsbepeiehes mehrere einander benachbarte Sperrbänder: unterdrückt sind. Naherungslösun^en hiefür nach der erwähnten Theorie von Epstein sind bisher nur für Filter entwickelt worden, bei denen höchstens drei benachbarte Sperrbänder unterdrückt sind. Für Filter mit noch grösserem Transmissionsbereich erwies sieh die bekannte Theorie als nicht anwendbar.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein derartiges Breitbandfilter anzugeben. Das erfindungsgemässe Interfepenzvielschichtfilter mit breitbandigem Transmissionsbereieh, bei welchem die Sperrbänder höherer Ordnung teilweise unterdrückt sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass es durch

eins periodische Sehlchtanordnuns der Struktur ABCDDCBA gebildet ist, wobei A, B, G, D je eine Schicht von λ/Λ optiseiic-r

BAD

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Dicke für·· die vorgegebene Konstruktionsteilen! äng;e bedeutet und die voneinander verschiedenen BrcchungGindlzes der genannten Schichten folgende Bedingungen erfüllen:

x = n_K / n_, und

ⁿc

sov.'ie

Die angegebene Gleichung lässt zwei Lösungen zu, nämlich

_y '_ y? - Ti + ι _ χ -, ι

^y2 - χ x"

Bei der Konstruktion eines erfindungsgeiriässen Filters kann man die BreehunKsindlzes n_r und n_ und damit χ = ψ~ frei v.'ählen.

BAD ORKSlMAL

Daraus kann man ein y (y. oder y_o) d.h. das Verhältnis r> zu n„ ermitteln.

Aus den beiden angegebenen Boßtimmungssleichungen.können .dann die Werte n_, und n_n wie folgt berechnet .werden. '

¹¹B¹¹C

Wie eine nähere Untersuchung gezeigt hat,"liegt erfindungcgemäss ein Filter vor, bei welchem fünf benachbarte Sperrbänder unterdrückt sind. ' ' '

Für die Beschreibung der nachfolgenden Beispiele wird die fachübliche abgekürzte Schreibweise zur Darstellung von Schicht strukturen verwendet. Dabei bedeutet die'erste Zahl (wenn angegeben) den Brechungsindex des Mediums auf der einen Seite des Schichtsystems; 1.50 also beispielsweise ein Glas mit dem Brechungsindex 1,50· Die Bezeichnungen A, B, C, D.bedeuten verschiedene Schichten mit den Brechwerten n., n_, n^ bzw. n_r.

Die Dicke dieser Schichten ist- festzulegen; im Rahmen, dieser

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- ir -

Beschreibung sind damit stets.Schichten von \/k optischer Schichtdicke gemeint, wobei λ die Bezug-siiellenlänge bedexitet, für welche das Filter konstruiert wird. Die optische Schichtdicke ist bekanntlich durch das Produkt aus Brechungsindex mal geometrischer Dicke definiert'. Ein Klaminerausärnck, (z.B. ABCD ) bedeutet eine Schichtenfolge mit den angegebenen Schichten, wobei ein etwaiger hochgestellter Index an-

gibt, wie oft die in der Klammer angegebene Schichtenfolge sich wiederholt. Zu beachten ist, dass bei einer solchen Wiederholung gleichartige Schichten aneinanderstossen können, z.3. zwei Α-Schichten, die dann zusammen als eine einzige Schicht der Dicke 2Λ aufgefasst werden könnten. Die bei einem solchen Pormelausdruck zuletzt angegebene Zahl bedeutet den Brechungsindex des angrenzenden Mediums auf der anderen Seite des Schichtsystems.; 1.0 bedeutet also, dass das Schichtsystem an Vakuum oder - für praktische Zv,^Tecke hinreichend - an Luft angrenzt.

Nachfolgend sollen nun einige Ausführungsbeispiele der "Erfindung näher beschrieben werden.

Die Figur 1 zeigt als erstes Beispiel die Transmissionskurve «dnes Filters mit einem Transniissionsbereich von ca. 0,4 bis 2,3 Mn und mit einem anschliessendem Sperrband, das bis ctv:a J· t.-.V\ *

BAD ORKBiNAL

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reicht. Dieses Sehlehtsystem weist; die _ Folgende periodische Struktur auf * *.

(A B C ß D CB-K )⁸ 1,0

mit dien Brechzahlen

n_e = 2,0%

und ist für eine Wellenlänge von 65Q pm konstruiert,

Ein zweites Beispiel^das in Figur 2 dargestellt ist und das für Anwendungeri im. ultraviolett&m, sichtbaren'und nahen Infrarot-Spektralbereich gedacht ist,, besitzt die Struktur

f IBSBBCBlf

mit den Breehv;erten

Β_Λ = 2.θΒ

und einer Konstrulctionswc-llenlänge von 500 pn, u'ie Öle Figur 2 zeigte reicht dor- Transinissionsbcreieh dieses Filters von etwa 0,3 um öis fast 1,7 /um. ..

Das dritte Beispiel entsprechend der Figur 3 betrifft ein InfrarOt-TransmissionsTiltcF mit einem fransmissionsbereich von

2 bis 9f""j an welchen sich ein breiter bis 1,6 /am reichender Sperrboreich anschliesSt* Dieses Filter besitzt den Aufbau

(ABC D DCBA)⁴ 1,0

und ist mit

n_A = 1.80

n„- = 3,28

für eine Konstruktioriswellenlänge von 5 pn ausgelegt.

Im allgemsincn ist zu empfehlen, die periodische Struktur innerhalb des Sohichtsystenfs v/enigstfcns dreimal zu v/iederholen.

n kommen die ans ich bekannten optiech-in hicihtv/efrfcs-to-i'e, Öle im int-c-ressl&rendsn Spektraloctq! eh

BAD 0RK5INÄL

eine hinreichende Transmission aufweisen, in Fräse; vor allem die durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung leicht herstellbaren Schichten aus Siliciumdioxid (Quarz) Aluminiumtrioxid (AIgO₅),Zirkoncxid (ZrO₃) und Titandioxid (TiO₂). Pur das sichtbare Spektralgebiet und das anschliessende Infrarot (Beispiele 1 und 2) können MgFp, ThP₇,, La^O verwendet· werden".

Für Filter, deren Transmission weiter in das Infrarot reichen soll, kann man als, .Schichtmaterialien Siliciutnmonoxid (SiO) Zinksulfid (ZnS). Silicium (Si) und Germanium (Ge) benutzen. Die Technik der Herstellung der Schichten, vor allem durch Aufdampfen und Kathodenzerstäubung, ist bekannt und braucht hier nicht näher beschrieben zu werden. ■

Für ein grundsätzliches theoretisches Verständnis der Erfindung werde im folgenden eine vom Erfinder aufgestellte Theorie -näher , erläutert. ·

Hiezu bildet man (nach Epstein) den Begriff des äquivalenten Brechungsindex N einer symmetrischen Kombination nicht absor-

bierender Schichten. Dieser äquivalente Brechungsindex ist bekanntlich gegeben durch die Formel

N Z= ' ^M /M ^l

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wobei H₂₁ und M, ρ die Elemente der Matrix der Schichtkombination darstellen; hiezu siehe: Principles of.Optics ν. Max Born und Emil Wolf, New York 1964, S. 51 u.f,

Für ein Schichtsystem, das aus lauter optisch gleichdicken Schichten besteht, ist die zugehörige Matrix durch folgende Polynome gegeben: '

Für ungerades P

Id = JV ι J f ^

und für gerade P

12 = j(°i Äinc0.£os y? ■+- CL,sin y? c<D f-h -t Ο._μ£ ι η ~y> )

<f W^f -t- t>/my u?y+ f bsio

v/obei P die Zahl der optisch gleichdicken Schichten der Kombination bedeutet und die Grossen a und b allein Funktionen der Brechungsindizes sind; j = ~\ - 1.

\7enn man diese Ausdrücke in die obige Gleichung \3_) ojr;cet:%t und die Sinusfuktionen oliminiert, erhält man für den äquiva-

_t ν ,, 409824/0718

BAD ORIGINAL

23 St S 9-3

lenfcea Breehuimsiride^.ϊί Ausdrücke in der Forms Für itiigerades

OoS φ + Aeös ^V """ψ'+ * + A ^{v Λ/}

-K

für gerades μ* :

Α., cos " ψ+ A^cös ip + *.** + A

- iü

Mit der Abkürzung G ^ (Α,/Β^) ^j/2 ergibt sieh für ungerades

53 2 "

bzvi» für

BAD ORKSSNAL

Es ist eine Erkenntnis vorliegender Erfindung, di^ss die Stellen, für welche die Kl axme raus drücke (cos ψ ~^c.)

\>ym , (cos "Ψ - ^f3- ) gleich Null werden, also für cos y? -OCp

bzw, cos jT ⁵⁵Pc ^d^^e Kanten der SperrbMmier düs Filters be

c
stimmen und dass man Sperrbänder beseitigen kann, wenn es gelingt, die Brechimgßindizes der Schichten so zu wählen, dass in der angegebenen Formel ein oder mehrere Klarnmerauüdrücke der Form

sich gegen die entsprechenden Ausdrücke

kürzen lassen; wenn dies für mehrere aiifeinanderfolgende Klammer^ audrücke gelingt, versehwinden ebensoviel© nepencinainderliegende Sperrbänder, Kan kann daher Filter in? Prinzip koristruicren, denen mehrere benachbarte SperrOänder imter<3rüolck sind.

Die Tiieorie ist aber leider noch nicht soweit entwickelt dass man daraus ableiten konnte, wl$ die Brechungüin

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konkreten Falle, zu wählen sind, um "beliebige Sperruänder zu beseitigen. Sie kann aber dazu dienen, clie Wirkungsweise cter erfindungsgeniäss vorgeschlagenen Lösung verständlich zu machen. Wenn man die erfindungsgeniässe üchichtanordnung betrachtet, und geraäss Obensteilendem den äquivalenten Brechungsindex N berechnet und die entsprechenden OC^ \>zv../3<j dem cos²" CP gleichsetzt, findet man die ansogebene Theorie bestätigt.

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BAD

Claims (8)

1. P A T E N T A N S P R U E C H E

   InterferenzvleLschichtfilter mit breitbandigem Transmissionsbereieh, bei welchem die Sperrbänder höherer Ordnung teilweise unterdrückt sind, dadurch gekennzeichn et, dass das Filter durch eine periodische Schichtanordnung der Struktur ABCDDCBA gebildet ist, wobei A, B, C, D je eine Schicht von λ/4 optischer Dicke für die vorgegebene Konstruktionswellenlänge bedeutet und'die voneinander verschiedenen Brechungsindizes der genannten Schichten folgende Bedingungen erfüllen:

   = 0

   χ = n_A / n_ß und

   sowie

   ⁿD ^{= n}B

   - n^ τι_η ·
2. 2. Interferenzvielschichtfilter nach Patentanspruch 1, d a ^Üurch gekennzeichnet, dass die Schicht-

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   anordnung ABCHDCBA im Schichtsyistem" wenigstens dreimal wiederholt ist.
3. 3. Interf erenzvJeLschichtf ilter nach Patentanspruch 1, ge ke η η ζ ei c h η e t durch die folgernden Werkte der Brechungsindizes der Schichten; .... _; ./·.:..- -

   n_A = 1.46

   ¹¹B

   = 1.68

   n_ ^ 2.04 n_D'« 2.35
4. 4," Interferenzvielschichtfilter nach Patentanspruch 1, ge kennzeichnet durch die folgenden Werte der Brecnungsindizes der Schichten:

   n_A= 1.38

   n_B =.1.55 '-"■■- ■ ■-■ ·-.

   n_c » I.83
5. 5. InterferenzvMsehichtfilter nach Patentanspruch 1, ge* kennzei ohne t durch die f olgende.n Werte der Brechungsindizes der Schichten:

   n_A = I.80 n_B · 2.31

   •n_D = 4.20
6. 6. Interferenzvielschichtfilter nach Patentanspruch 1, d a durch ge kennzeichne t> dass

   die Ä-Schlehten aus die B-Schichten aus die CrSchichten aus die D-Schichten aus

   bestehen.
7. 7. Interferenzvielsehichtfilter nach Patentanspruch, da durch, gekennzeichnet, dass

   die Ä-Sehlchten aus MgF_, die B-Sehlchten aus ThP₁,, die G-Schichten aus

   p die D-Schichten aus

   bestehen.
8. 8. Interferenzvielschlchtfilter nach Patentanspruch; dadurch gekennzeichnet, dass

   die A-Sehichten aus SiO, die B-Schichten aus ZnS,

   die C-Schichten aus Si, ·

   die D-Schichten aus Ge

   bestehen. ■ ■ ·

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