DE3102301A1

DE3102301A1 - "interferenzspiegel mit hoher reflexion fuer mehrere spektralbaender"

Info

Publication number: DE3102301A1
Application number: DE19813102301
Authority: DE
Inventors: Erich Dummernix; Rosemarie Trebge; Sigrid Wendler
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1980-02-01
Filing date: 1981-01-24
Publication date: 1982-01-21
Also published as: BG34870A1; RO84537B; DD153511A3; GB2070275A; GB2070275B; PL128372B1; FR2475237A1; PL229483A1; RO84537A; HU188519B

Description

Derartige hochreflektierende Interferenzspiegei haben den Mangel, daß - abgesehen von höheren Interferenzordnungen - die angestrebte hohe Reflexion nur in einem engen Spektralbereich in der Umgebung der Wellenlänge λ m erreichbar ist. Die gleichseitige Reflexion von Licht mit Wellenlängen außerhalb der unmittelbaren Umgebung von λ m ist mit diesen Interferenzspiegeln nicht möglich*

Aus der gleichen Quelle sind auch Interferenzspiegel mit einer geringen Schichtenanzahl bekannt, die zwar einen breiteren Reflexionsbereich haben, deren Nachteil 'jedoch in einem niedrigen Reflexionsgrad besteht. Um Spiegel hoher Reflexion für erweiterte oder mehrere Spetetralba'nder gleichzeitig zu erhalten, ist eo weiterhin bekannt, daß verschiedene ',Vechseischichtgruppen hoher Schichtenzahl und damit von hoher Reflexion entweder auf der Vorder- und Rückseite einer Glasplatte oder auf der Oberfläche einer Schichtunterlage übereinander angeordnet werden. Jede einzelne dieser YFechselschichtgruppen ist durch verschiedene Bemessung der optischen Dicken ihrer A/4-Teils3hichten an ein anderes Spektralband mit maximal zu reflektierenden Wellenlängen Am., /.ΐ&2··* λ% angepaßt. (Optics of '.Dhin Films, John Wiley + Sons, London 1976, Seite 143 bis 157; SU-Urheberschein 141659} Ch-rat, 4 17997)· Von Machteil ist hierbei jedoch die Tatsache, daß das Licht der spektralbander, das νjn zunehmend tiefer gelegenen Wechseischichtgruppen reflektiert wird, vor und nach der Reflexion erst noch durch die vielen .Teilschichten der darüber liegenden Wecheslschichtgruppen anderer Spektralbänder gehen muß, und dabei durch Absorption und Lichtstreuung beträchtliche Verluste erleidet im Vergleich zu dem Licht, das - auf die Lichteinfallsrichtung bezogen - bereits von der vordersten bzw. obersten Wechselschichtgruppe reflektiert wird. Dabei sind auf die-

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l NACH»..

Interiex-enzspiegel mit hoher Reflexion Tür mehrere Spektralbänder

Die Erfindung betrifft Interferenzspiegel, die für mehrere getrennte Spektr ilbänder eine hohe Reflexion haben und Licht in diesen Spektralbändern mit geringsten Absorptions- und Streuverlusten reflektieren. Derartige Spiegel finden im optischen Gerätebau vor allem dann Anwendung, wenn es auf geringste Verluste für Licht von mehreren stark getrennten Spektrallinien oder Spektralbändern ankommt. Eine der bedeutendsten Anwendungen ist der Einsatz al3 Resonatorspiegel in Gaslasern mit mehreren Laserwellenlängen, wo bereits kleine Verluste durch Absorption und Streuung beträchtlich die Ausgangsleistung der verschiedenen Wellenlängen reduzieren.

Ks ist bekannt, hochrefIsktierende Spiegel, die nach dem Interferenzprinzip wirken, aus einem ^echselschichtsysteni von vielen abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden, verlustarmen, nichtmetallischen Schichten, die auf der Oberfläche von Spiegelkörpern übereinander angeordnet sind, aufzubauen. Die Schichten haben eine optische Dicke von 74 der Wellenlänge Am, die maximal reflektiert werden soll, wobei die Anzahl der Schichten hoch sein muß, um eine hohe Reflexion zu erhalten. (Z.f. Physik U£_t 21 bis 41 (1955).)

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nuiig von großer optischer Dicke sein müssen. Das führt zu einer für das Gesaratschichtsystem für die praktische Herstellung unvertretbar hohen Gesamtdicke, wobei die dicken Teilschichten erhöhte Verluste durch Absorption und lichtstreuung bewirken· Außerdem ist die mechanische Haltbarkeit derartiger Schichtsysteme gering.

Die Erfindung hat zum Ziel, die Mängel der bekannten technischen Lösungen zu beseitigen· Es sollen Interferenzspiegel angegeben werden, die gleichzeitig für mehrere getrennte Spektralbänder eine hohe Reflexion bei geringsten Verlusten durch Absorption und Lichtstreuung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Interferenzspiegel mit Schichtanordnungen zu schaffen, bei denen die Zunahme der Verluste durch Absorption und Lichtstreuung für die Spektralbänder, die von tiefer gelege- men Interferenzschichten reflektiert werden, verhindert werden, und bei denen die Gesautdicke der Schichtanordnung möglichst gering ist.

Die erfindungsgemäße Lösung de; Aufgabe gelingt durch Interferenzspiegel mit hoher R*.-flexion für mehrere Spektralbänder, bestehend aus einer Unterlage, auf der y/eciißelschichtgruppen aus nichtmetallischen optisch verlustarmen Einzelschichten übereinander so angeordnet sind, daß sich die Einzelschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex abwechseln, dadurch'gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten gleich oder verschieden aufgebauten Wechselachichtgruppen aus 2 bis 9 Einseischichten eine oder mehrere nichtmetallische Kopplungsschichten angeorndet sind. Alle Wechselschichtgruppen sind auf eine gleiche Meßwellenlänge A₀ abgestimmt, indem die Einzelschichten aller Wechselschichtgruppen eine optische Dicke von ¹/4 dieser Maßwellen-

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lh

- y —

se V/eise mehrere Reflexionsbänder mit hoher* Reflexion und geringen Absorptionsr und Streuverluston gleichseitig nicht realisierbar.

Um eine genügende Breite des reflektierten Bandes und eine steile Kante zwischen Reflexions- und Durchlaßgebiet zu erhalten, sind Interferenzfilter bekannt, in denen zwischen zwei verschiedenen ',Yechselschichtgruppen hohar Reflexionsrirkung sogenannte Übergangsschichten angeordnet sind. (CH-Pat. 458780). Der wesentlichste Mangel besteht jedoch darin, daß zwar breite Spektralbereiche niedriger Transmission ausgewiesen werden, die jedoch in der Praxis r ι einen beträchtlichen Anteil auf Absorptionseffekten ur 1 nicht auf einer hohen Reflexion beruhen.

Weiterhin sind einfach·"⁴ und gekoppelte Bandpaßfilter bekannt, die aus rein dielektrischen Schichten oder aus einer Kombination von Metallschichten mit dielektrischen Schichten bestehen. (Optics of Thin Films; John Wiley + Sons, London 1976, Seite 162 bis 177). Diese Bandpaßfilter haben die Aufgabe, einen Bandpaßbereich hoher Transmission au erzeugen, der zu beiden Seiten durch Sperrbereiche geringer Transmission begrenzt wird. Auch hierbei ist es besonders nachteilig, daß die Sperrwirkung in den Sperrbereichen neben der Reflexion ebenfalls auf der Absorptionswirkung der Schichten beruht. Im Zusammenhang mit der Herstellung und der Funktion von Bandpaßfiltern ergibt sich darüberhinaus keine Lehre, daß derartige Schicht systeme im Vergleich zu den bekannten Interferenzspiegeln vorteilhaft als Spiegel für zwei S:ektralbänder eingesetzt werden können. Zum Stand der Technik gehört es auch, vVechselschichtanordnungen in höheren Interferenzordnungen zu nutzen, um mehrere Bereiche hoher Reflexion zu erhalten (Glaste chn. Ber. 24, 147 bis 14-, (1951); SU-Urheberschein 3"1 055). Dabei besteht der wesentliche Mangel darin, ds.ß die Teilschichten entsprechend der Interferenzord-

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länge Λ haben. Die optische Dicke der nichtmetallischen Kopplungsschichten beträgt ein ganzzahliges Vielfaches von λ_ο/4.

Die Maßwellenlänge X₀ ist dabei eine mittlere Wellenlänge des spektralen Anwendungsbereiches, in dem die Reflexionsbänder liegen sollen, ι

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zwischen benachbarten tfechselschichtgruppen eine Kopplungsschicht angeordnet ist, deren optische Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches von A /4 beträgt, oder daß zwischen benachbarten Wechselschichtgruppen zwei Kopplungsschichten angeordnet sind, deren optische Dicke ein geradzahliges Vielfaches von λ./4 beträgt» Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist es auch möglich, daß zwischen benachbarten Wechselschichtgruppen eine Kopplungsschicht angeordnet ist, deren op_ tische Dicke ein geradzahliges Vielfaches von λτ,/4 beträgt .

Bei den gemäß der Erfindung eingesetzten Wechselschichtgruppen handelt es sich hierbei ausdrücklich um solche mit einer geringen Anzahl von Einzelschichten, sodaß die einzelne Wechselschichtgruppe für die Maßwellenlänge λ keine hohe Reflexion, sondern nur eine Teilreflexion ermöglicht, die jedoch wegen der geringen Anzahl der Einzelschichten über einen breiten Spektralbereich wirksam ist, im Unterschied zu Wechselschichtsystemen nach dem Stand der Technik mit hoher Anzahl von Einzelschichten für hohe Reflexion, die nur in einem relativ engen Spektralbereich, wirken· In den erfindungsgemäß eingesetzten Wechselschichtgruppen mit niedriger, aber über einen relativ breiten Spektralbereich wirkenden Reflexion kann die geringe Anzahl der Eitizelschichten in Abhängigkeit der jeweils wirkenden Brechungsindizes 2 bis 9 Einzelschichten betragen.

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Die trotz der Verwendung von Wi chselschichtgruppen der beschriebenen Art erzielbare hohe Reflexion mit sehr geringen Absorptions- und Streuverlusten wird damit erklärt, daß durch die erfindungsgsraäße Kopplung mehrerer solcher Wechselschichtgruppen durch eine oder mehrere Kopplungsschichten die nicht hoch reflektierende Wirkung der einzelnen Wechselschichtgruppen innerhalb ihres breiten Reflexionsbereiches in mehreren Spektralbändern zu einer hohen Reflexion verstärkt wird und im selben Maße die ohnehin geringen Absorptions- und Streuverluste solcher V/ecnselschichtgruppen weiter minimiert werdea. Diese Effekte dürften darauf beruhen, daß das Licht in allen vorhandenen Spektralbändern bereits teilweise von der - auf die Lichteinfallsrichtung bezogen - vorderen Wechselschiciitgrupoe bzw. den vorderen Wechselschichtgruppen weitgehend reflektiert wird. Zu den tiefer gelegenen 7/echse !schicht gruppen, die zur Erzielung einer hohea Reflexion jedoch offensichtlich unerläßlich sind, gelangt nur noch wenig Licht, so daß diese nicht maßgeblich zu weiteren Verlusten beitragen können·

Die erfindungsgemäßen Schichtanordnungen können beispielsweise zweckmäßig nach dem Hochvakuumverfahren hergestellt werden, bei dem bekanntlich geeignete Schichtsubstanzen verdampft wei ΐβη, damit sie sich auf Oberflächen üblicher Unterlagen als Schichten niederschlagen können. Im nahen UV-, /IS- und nahen IR-Bereicli können die bekannten Schichtsubstanzen hoher Brechzahl, wie z.B. Zinksuifid (ZnS), Titandioxid (TiO₂), Tantalpentoxid (Ta₂Oj-) und die bekannten Schichtsubstanzen niedriger Brechzahl, wie Kryolith li?g), Magnesiumfluorid (MgP₂) oder Siliziumdioxid ) u.a.m. verwendet werden.

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Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden AufUhrungsbeispiele näher erläutert v/erde-i. In der dazugehörigen Zeichnung veranschaulicht :

Fig. 1, 2 und 3 die spektralen Ref lexionskurver. R (ausgezogene Kurven) und die spektralen Transmissionsteurven T (gestrichelte Kurven) der in den Ausführungsbeispielen 1, 2 und 3 beschriebenen erfindungsgemäßen Interferenzspiegel,

J?ig· 4 zum Vergleich die spektralen Reflexionskurve R (ausgesogene Kurve) und Transmissionskurve T (gestrichelte Kurve) eines Interferenzspiegels nach dem Stand der Terhnik.

Ih allen Ausführungsb« ispielen gemäß der Erfindung ist die spektrale Lage der Reflexionsbänder und ihre Anzahl durch die Maßwellenlänge· X_Q und durch die Summe D der optischen Dicke einer ,Vechselschichtgruppe D und der einer Kopplungsschicht D_K (D = D_w + D^) festgelegt» Es gibt z.B. drei Reflexionsbänder mit hoher Reflexion und sehr geringen Absorptions- und Lichtstreuverlusten bei den "/eilenlängen _{Λ η}

Ao * ^u

^v₁

-W²

wenn die Kopplungsschichten eine optische Dicke von einem ungeradzahligen Vielfachen von A /4 haben und zwischen benachbarten iifechsRlschichtgruppen eine ungeradzahlige Anzahl von Kopplungsschichten angeordnet ist oder wenn die Kopplungsschichten eine optische Dicke von einem geradzahligen Vielfachen von A_o/4 habea und die Anzahl der Kopplungaachichte'i zwischen benachbarten V/echselschichtgruppen geradzahlig ist, Ks gibt s/ß. zwei Reflexionsbänder mit hoher Reflexion und geringen Absorptions- und Lichtstreuverlusten bei

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der. ϊ/e ilen längen

A₂ _λΰ . D

wenn die Kopplungsschichten eine optische Dicke von einem ,geradzahligen Vielfacher, von Λ-/4 haben und swischen benachbarten T/ediselsciiichtgruppen eine un^eradzahlige Anzahl von Kopplungsschichten angeordnet ist. Die spektralen optischen Einzelheiten eines gegebenen Schicht systems können durch Messung an den hergestellten Interferenzspiegeln ermittelt werden.

Ausführungabeispiel 1:

Mit Hilfe der Hochvakimmbedsmpfung wird eia Interferenzspiegel hergestellt, indem auf einem Grundkörper G (z.B. Glas) eine Anordnung aus -.vechselschichtgruppen W und Kopplungsschichten E^. und K-, aufgedampft wird, die sich durch die Formel

veranschaulichen läßt. Bei W bindeIt es sich um Wechselschichtgruppen mit gerin ;er Anzahl von Einzelschichten, die auf die Ma!'welle :lärr;e A₀ abgestimmt sind und die aus einer V/ec!.iselfolge von niedrigbrechenden (1ί_Λ) und hoehbrechenden(H ) Sinzelschichtea der optischen Dicke von Λ /4 bestehen, γ/obei innerhalb von W_Q jeweils die Anordnung N₀H^₀E₀ vorliegt. Zwischen den Wechselschichtgruppen \Ί sind jeweils 2 Kopplungsschichten angeordnet, v/obei IC«· = 2H und Kg = 2H_Q ist, d.h. in diesem PaIIe haben die Kopplungsschichten K~ und K™ eine optische Dicke von je

Λ_ο/2. Als Brechzahl wurden berücksichtigt für die Glasunterlage n_G = 1,52, für die niedrigbrechenden SiO₂-Schichten (Ii₀) n^ = 1,455 und für die hochbrechenden TiO₂-Schichten (H₀) die komplexe Brechzahl ⁿh " ^ikh ^{= 2}*315 - i . 0,005 (i = -1) mit dem für die

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Absorption verantwortlichen -^bsorpt ions index k„ ~O_t Der ^bsorptionsindex Ic^ der niedrigbrechenden SiO₂ Schichten v;urde entsprechend der· praktischen Gegebenheiten vernachlässigt. Die Ma^wellenlänge für die

yt /^--Schichten betragt ][ = 520 nm, so daß entsprechend dem Aufbau der V/echselschichtgruppen V/ und der elastischen angeordneten Kopplimgsschichten KL und sich 3 «eflexionsbändsr ergeben, die nach den angegebenen Besiehungen f ür A₁» Λ2 und A3 bei den V/e Ilen längen Χ., = 693 nm, A2 = 416 nm und Λ ^ ⁼A₀ = 520 nm liegen. In Fig. 1 ist die spektrale Reflexion R (ausgezogene obere Kurve) gegenläufig zur Transmission T (gestrichelte untere Kurve) dargestellt, so daß der schraffierte Bereich zwischen den Kurven ein Maß für die Absorptionsverluste ist. In den Keflexionsbändern betragen die Hsflexionsverluste im Arbeitabereich der Minima nur etv.;a 1 bis 3 % und sind damit nur etwa 2 bis 5 mal so groß wie für eine einzige A /4-TiO₂-Schicht.

Ausführun^sbeispiel 2

unter Zugrundelegung der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Bedingungen und Definitionen wird ein Interferensspiegel mit der Schichtanordnung G/

hergestellt, v/obei die V/echselschichtgruppe w die Einzelachichtanordnung H₀N₀H₀ aufweist, und die '.Vechselschichtgruppen W aus der Schichtfolge H IJ HlH bestehen. Die Kopplungsschichten K^ bestehen in diesem Palle aus 5 II -Schichten, d.h. die Kopplungsschichten haben eine optische Dicke von 5 Λ /4. Eg kamen für den Grundkörper G und für die Schichten die gleichen Stoffe zur Anwendung wie im Beispiel 1.
Die Maßv.'ellenlänge für die A₀/4-Schichten beträgt

Λ = 520 nm, so daß entsprechend dem Aufbau der lechsel schichtgruppen \Ί und w und der dazwischen ange-

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ordneten Kopplungsschichf.en KL, r?ich 3 Reflexionsbander ergeben, die nach den oben angegebenen Beziehungen für A₁» Λ2 ^un<* Λ3 bei aen Wellenlängen A₁ ■ 434 nra; ^₂ = 65Ο nm und Λ3 = A₀ * 520 nm lie gen.

Die spektralen Reflexions- und Transmissionseisenschaften sind in Fig. 2 in derselben Weise wie bei Beispiel 1 (Pin· 1) graphisch dargestellt. Die durch den schraffierten Differenzbereich zwischen der R- und T-Kurve veranschulichten Beflexionsverluste betragen im Arbeitsbereich der Minima der Reflexionsbänder 1 bis 2VU*

Ausführuna3belapjel 3t

In Analogie zum Beispiel 1 wird-ein .Interferenzspiegel'..

mit der Schichtanordnung

hergestellt, wobei »Y_Q = H₀H_QH₀ und K₅₁ = 2H_Q ist. Auch hier gelten die gleichen Stoffparameter für G,

K und H_, wie im Beispiel 1.
ο ο* ν

Die Ma ßv/e Ilen länge für die A_o/4~Schichcen beträgt

\ a 520 nm, so daß sich entsprechend dem hier vorlie genden Aufbau der Schichtanordnung 2 Reflexionsbänder ergeben, die nach den oben angegebenen Beziehungen für die Hauptwellenlängen der ßeflexionsbander bei λ ^ = und A2 ^a 650 nm liegen.

In Pig. 3 sind die resultierende 1 spektralen Reflexions- und Transmissionseimensch ;ften in derselben V/eise wie in den vorangegangenen Beispielen graphisch dargestellt. Die durch den schraffierten Differenzbereich zwischen der R- und T-Kurve veranschaulichten Reflexionsverluste betragen im Arbeitsbereich der Minima der Reflexionsbänder 1 bis 2 %, Um den mit der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabenstellung erreichten Fortschritt zu verdeutliche, werdetn zum Vergleich mit den Interferenzspiegeln gemäß dar Erfindung in der S'ig. 4 die spektralen Reflexions-

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- yt -

im ί Transiiilsfiionfjlairven eine,?. Interferenzspiegels dargestellt, wie er nach dem Stand der Technik bekannt ist, iJs handelt sich dabei um die Anordnung von zv/ei verschiedenen Wechselschichtsystemen \*L und VZ₉ hoher Sciiichtenzahl auf einem Glas-Grundkörper G, so daß die Gesamt str uktür

^G/W2^W1

ergibt, wobei

W₁ = H₁IT₁ IT₁H₁ = IyA₁A Sinzelschichten und

W₂ = RrJIp*9,..Kk)TJo= 16λ₂/2 Einzelschichten bedeuten, •^as innere direkt auf der GIasoberflache angeordnete V/echselschichtsystem .'₂ ist an die Wellenlänge

2 = 433 nm angepaßt und das äußere Wechselschichtsyst em ^₁ 1st an die V/ellenlänge A₁ = 650 nm angepaßt. Zu seiner Herstellung wurden die gleichen Substanzen verwendet und dieselbe! Brechzahlen, wie in den Beispielen der Erfindung, bei der Berechnung zugrunde gelegt, V/ie aus den schraffierten Bereichen der Pig, 4 ersichtlich ist, sind geringe Absorptionsverluste von etwa 1 bis 2% und damit hohe Reflexionswerte nur in einem Spektralband, und zwar in der Umgebung der Anpaßwellenlänge λ- = 650 vsd möglich, weil nur dieses Spektralband von dem - auf die Lichteinfallsrichtung bezogen - vorderen ,Yechselschichtsystem 'IL reflektiert wird. In dam zweiten Spelctralband in der Umgebung der WellenlängeA-) = 433 mn ist die Reflexion stark vermindert, da das Licht aus diesem Spelctralband vor und nach der Reflexion vom .Vechselechichtsystem W₂ erst durch viel? Schichten des darüber angeordneten Weohselschichtsysterns W₁ gehen muß und dabei beträchtliche Absorptionsverluste von 10 bio 30¹^ erleidet, die damit etwa 10 mal höher liegen als bei den Interferencspiegeln gemäß der Erfindung,

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Leerseite

Claims

1. Interferenzspiegel mit hoher Reflexion für mehrere Spektralbänder, bestehend aus einer Unterlage, auf der Wechselschichtgruppen aus nichtmetallischen, optisch verlustarmen Sinzelschiehten übereinander so angeordnet sind, daß sich die ßinselschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex abwechseln, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten gleich oder verschieden aufgebauten Wechselschichtgruppen aus 2 bis 9 Einzelschichten eine oder mehrere nichtmetallische Kopplungsschichten angeordnet sind, wobei die Sinzelschichten aller ./echselschicht gruppen eine optische Dicke von VA einer Maßwellenlänge Λ_ο haben und die optische Dicke der nichtmetallischen Kopplungsschichten ein ganzzahliges Vielfaches vonλ_ο/4 beträgt.

2. Interferenzapiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten V/echselschichtgruppen eine Kopplungsschicht angeordnet ist, deren optische Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches von A _QA beträgt.

3. Interferenzapiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten .Vechselschichtgruppen zwei Kopplungssch.ichten angeordnet sind, deren optische Dicke ein geradzahliges Vielfaches von /4 beträgt.

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