DE3943387A1 - Controllable diffraction grating - has grating body, support, coupling layer, two silver electrodes, profile, photoresist and optical limiter - Google Patents

Controllable diffraction grating - has grating body, support, coupling layer, two silver electrodes, profile, photoresist and optical limiter

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DE3943387A1 DE19893943387 DE3943387A DE3943387A1 DE 3943387 A1 DE3943387 A1 DE 3943387A1 DE 19893943387 DE19893943387 DE 19893943387 DE 3943387 A DE3943387 A DE 3943387A DE 3943387 A1 DE3943387 A1 DE 3943387A1
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Abstract

A controllable diffraction grating where the grating base, which usually consists of one part, in this case is split into a grating body (1) and a grating support (2). The statically stable, piezo-electric inactive grating body (1) of thickness (hu) serves as a base and absorbs the mechanical loads. The grating body (1) and the grating support (2) are connected by a coupling layer (3) of synthetic rubber of thickness (he). The piezo-electrically active grating support (2) is shaped as a thin plate with silver electrodes (7,8) fixed to its surfaces by half-layers (5,6) of chromium. The grating profiles (4), in which the distance between the rulings are controlled by the diffraction grating, are deposited on the electrode (8) on the main surface of the grating support. The optically active grating profile (4) is produced in a photoresist layer (9) above the electrode (8) and is covered with an optical limiting layer (10). USE/ADVANTAGE - Distance between rulings can be changed for inertial-less fine tuning of the wavelength of the diffracted radiation and can be used in broadband, tunable lasers.

Description

Die Erfindung betrifft steuerbare Beugungsgitter, die vorzugsweise als Bauelemente optischer und spektroskopischer Geräte sowie als Durchstimmelemente in breitbandig durchstimmbaren Lasern eingesetzt werden. The invention relates to controllable diffraction grating, which are preferably used as components of optical and spectroscopic devices, as well as tuning elements in broad-band tunable lasers.

Beugungsgitter für die optische Spektroskopie sind seit langem bekannt und in ihrer Wirkungsweise beschrieben (Handbuch der Physik XXIX, Hrsg. S. Flügge, Springer Bln. 1967; Born, M. und Wolf, N. Principles of Optics, Pergamon P., Oxford 1965). Diffraction grating for optical spectroscopy have long been known and described in their mode of action (Encyclopedia of Physics XXIX, eds S. Flügge, Springer Bln 1967;.. Born, M. and Wolf, N. Principles of Optics Pergamon P., Oxford 1965 ).

Ihre Wirkung für die Spektroskopie besteht in der Dispersion der Quellenstrahlung. Their effect for spectroscopy is the dispersion of the source of radiation. Die Dispersion ist eine Funktion der Furchendichte des Gitters. The dispersion is a function of the groove density of the grating. Der Einsatz des Gitters im Spektrometer führt in Abhängigkeit von der Dispersion und dem Abbildungssystem zu einer spektralen Intensitätsverteilung in der Empfängerebene. The use of the grating in the spectrometer performs a function of the dispersion and the imaging system to a spectral intensity distribution in the receiver plane. Die Spektralanalyse verlangt eine Abtastung oder Durchstimmung in Richtung der Wellenlängen-Koordinate. The spectral analysis requires a scan or tuning in the direction of the wavelengths coordinate. Die bekannten Lösungen zum Durchstimmen der Wellenlänge beruhen auf der mechanischen Bewegung eines optischen oder mechanischen Bauelements, bei Monochromatoren meistens auf der Drehung des Gitterkörpers in einer mechanischen Halterung. The known solutions to tune the wavelength based on the mechanical movement of an optical or mechanical component, in monochromators mostly on the rotation of the grid body in a mechanical holder. Die auszuführenden Bewegungen müssen von hoher mechanischer Präzision und Feinfühligkeit sein und hohe Stabilität besitzen, um die spektrale Durchstimmung verzerrungsarm zu gestalten. These movements must be of high mechanical precision and sensitivity and have high stability in order to make the spectral tuning distortion. Solche Lösungen benötigen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand sowie Raum und Gewicht für die bewegliche Mechanik und die bewegende Motorik. Such solutions require construction and production costs as well as space and weight for the moving mechanism and the moving motor skills.

Außerdem besitzen solche Durchstimmungsmechanismen aufgrund der massebehafteten Bauelemente eine erhebliche Trägheit und sind schnellen Durchstimmvorgängen schwer zugänglich. In addition, such tuning mechanisms have a considerable inertia due to the mass-affected components and quick tuning operations difficult to access.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur latenten Erzeugung eines Beugungsgitters in einem elektromechanisch wandelbaren Material (DE-AS 26 65 907, G 02 F, 1/03). Also known is a device for deferred production of a diffraction grating in an electromechanically convertible material (DE-AS 26 65 907 G 02 F 1/03). Unter Ausnutzung der longitudinalen Wirkung eines elektrischen Feldes in diesem Material auf der Oberfläche eines Gitterträgers und durch das Anbringen einer Vielzahl interdigitaler Elektroden wird lokal ein der Elektrodenstruktur folgendes Reflexionsmuster erzeugt. Utilizing the longitudinal effect of the electric field in the material on the surface of a lattice girder and by attaching a plurality of interdigital electrodes, an electrode structure is produced following reflection pattern locally. Dieses latente Muster ist durch das elektrische Feld steuerbar. This latent pattern is controlled by the electric field. Das Ergebnis ist eine Intensitätsmodulation der gebeugten Strahlung. The result is an intensity modulation of the diffracted radiation. Der Nachteil der Anordnung besteht in der für die optische Spektroskopie mangelnden Dichte der interdigitalen Elektroden und die Schwierigkeit ihrer Herstellung. The disadvantage of the arrangement is the lack of optical spectroscopy for the density of the interdigital electrodes and the difficulty of their preparation.

Eine andere Vorrichtung (US-PS 40 11 009, G 02 B, 5/18) beschreibt ein Reflexions-Beugungsgitter, das ein elektromechanisch-wandelbares Material benutzt, um den Blaze-Winkel zu steuern. Another device (US-PS 40 11 009 G 02 B 5/18) describes a reflection-type diffraction grating that uses an electro-mechanical-changeable material to control the blaze angle. Dazu wird ein elektrisches Feld an eine Vielzahl separater Elektroden unter der Oberfläche eines Gitterträgers angebracht, um den Blaze-Winkel eines bereits eingeprägten Gitters zu verändern. For this purpose, an electric field is applied to a plurality of separate electrodes under the surface of a lattice girder in order to change the blaze angle of an already impressed grating. Der Effekt ist eine Modulation der gebeugten Strahlung in der Empfängerebene. The result is a modulation of the diffracted radiation in the receiver plane. Der Nachteil besteht in der Herstellung und Kontaktierung der Vielzahl von Elektroden in der Oberfläche des Gitterträgers. The disadvantage consists in the preparation and contacting the plurality of electrodes in the surface of the lattice girder. Im Unterschied zum Durchstimmverhalten der bekannten mechanischen Lösungen haben diese beiden Erfindungen die Intensitätsmodulation der gebeugten Strahlung durch ein steuerndes hochfrequentes elektrisches Feld zum Ziel. In contrast to the tuning behavior of the known mechanical solutions, these two inventions have the intensity modulation of the radiation diffracted by a controlling high frequency electric field to the destination. Eine Durchstimmung der Wellenlänge wird nicht erzielt. A tuning of the wavelength is not achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für ein steuerbares Beugungsgitter anzugeben, bei dem die Furchenabstände veränderbar sind zur trägheitslosen Feindurchstimmung der Wellenlänge der gebeugten Strahlung. The invention has for its object to provide a construction for a controllable diffraction grating in which the grooves are variable distances to the inertia-free fine-tuning of the wavelength of the diffracted radiation.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein steuerbares Beugungsgitter gelöst, das aus einem Gitterkörper mit einem darauf befindlichen Gitterträger aus elektromechanisch-wandelbarem Material mit transversalem Effekt besteht, auf dem die Gitterprofile aufgebracht sind. The object is inventively achieved by a controllable diffraction grating consists of a grid body having thereon a lattice girder electromechanically-wandelbarem material with transverse effect, on which the grating profiles are applied. Die Gitterprofile können aber auch unmittelbar in den Gitterträger eingeprägt sein. but the grid profiles can also be imprinted directly into the girder. Gitterkörper und Gitterträger sind durch eine Kopplungsschicht elastisch miteinander verbunden. Grid body and lattice girder are connected by a coupling layer elastically with each other. An den beiden Hauptflächen des Gitterträgers sind beispielsweise mittels Haftschichten je eine flächenhaft ausgebildete Elektrode befestigt. are attached, for example by means of adhesive layers each have a areal electrode formed on the two major surfaces of the lattice girder. Die Abmaße der flächenhaften Ausdehnung der Elektroden entsprechen denen der Hauptflächen. The dimensions of the areal extent of the electrode correspond to those of the main surfaces.

Gitterkörper und Gitterträger können weitere Ausgestaltungen haben. Grid body and girder may have other configurations. Beispielsweise kann der Gitterträger auch aus mehreren Schichten elektromechanisch wandelbaren Materials aufgebaut sein, die jeweils beidseitig mit Elektroden belegt und kontaktiert sind, um alle Schichten gleichsinnig elektromechanisch zu wandeln. For example, the grid support may also be constructed of several layers electromechanically convertible material, each coated on both sides with electrodes and contacted to electromechanically convert all of the layers in the same direction. Ein derartiger Gitterträger ist in sich stabil und kann mit hohen Feldstärken betrieben werden. Such a girder is stable in itself and can be operated at high field strengths.

Gitterkörper und Gitterträger können aber auch als ein Ganzes aus elektromechanisch-wandelbarem Material sein. but grid body and girder may also be as a whole of electro-mechanical wandelbarem material.

Die Oberfläche des Gitterträgers kann sowohl eben als auch gekrümmt sein. The surface of the truss can also be curved both just as. Das elektrische Feld ist senkrecht zu den Gitterfurchen und zur Schwingungsrichtung des Gitterträgers angelegt. The electric field is applied perpendicular to the grating grooves and to the vibration direction of the lattice girder.

Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden führt das elektromechanisch wandelbare Material eine Dehnung oder Zusammenziehung aus, wobei die dünnen Profil- und optischen Grenzschichten mitbewegt werden. When an electric voltage to the electrodes, the electro-mechanically-convertible material performs an expansion or contraction, wherein the thin profile and optical interfaces are moved. Die Bewegung ändert den Furchenabstand in der Profilschicht und damit die Beugungswinkel der dispergierten Strahlung. The movement changes the groove spacing in the profile layer, and thus the diffraction angle of the dispersed radiation. Die resultierende Verschiebung der Wellenlängen am Ort des Empfängers ist der erwünschte Effekt. The resulting shift of the wavelength at the location of the receiver is the desired effect.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Gitters ist die feinfühlige Durchstimmung eines engen Wellenlängenbereiches zur Abtastung spektraler Linienprofile bzw. zur spektralen Feindurchstimmung von Lasern möglich. Through the use of the grid according to the invention the sensitive tuning a narrow wavelength range for scanning spectral line profiles and spectral fine-tuning of lasers is possible.

Darüber hinaus ergibt sich der vorteilhafte Einsatz des erfindungsgemäßen Beugungsgitters z. In addition, there is the advantageous use of the diffraction grating for the invention. B. auch: Belly:

  • - beim Nacheichen von Dejustierungen eines Spektrometers bei klimabedingter oder durch Materialalterung hervorgerufener Verstimmung der Eichung; - when recalibration of misalignments of a spectrometer in climate induced or induced by material aging detuning of the calibration;
  • - bei der Realisierung einer elektronischen Regelung zur Aufrechterhaltung eines Justierzustandes oder einer Eichposition im Spektrometer; - in the realization of an electronic control for maintaining a Justierzustandes or a calibration position in the spectrometer;
  • - bei einem nahezu trägheitslosen, elektrisch gesteuerten Vergleich zwischen Nutz- und Störsignalen (Quotientenbildung) durch Benutzung einer hochfrequenten Wechselspannung als Steuerspannung für ein Wechselfeld zur Erzeugung einer hochfrequenten spektralen Linienverschiebung um ein Linienzentrum λ - λ ₁. - at an almost inertia-free, electrically controlled comparison between the desired and interference signals (quotient) by using a high-frequency AC voltage as a control voltage for an alternating field for generating a high-frequency spectral line shift of a center line λ - λ ₁.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings. Es zeigen: Show it:

Fig. 1: den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Beugungsgitters im Schnitt, Fig. 1: the schematic structure of a diffraction grating according to the invention in section;

Fig. 2: ein Beugungsgitter perspektivisch, FIG. 2 shows a diffraction grating in perspective,

Fig. 3: eine grafische Darstellung der Linienverschiebung in Abhängigkeit von der Wellenlänge. FIG. 3 shows a graph of the line displacement as a function of wavelength.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der üblicherweise aus einem Teil bestehende Gitterträger geteilt als Gitterkörper 1 und Gitterträger 2 ausgeführt. As shown in Fig. 1, which is usually made of a part of girder is divided as a lattice girder body 1 and 2 carried out. Der statisch stabile, piezoelektrisch inaktive Gitterkörper 1 von der Dicke h u dient als Unterlage und fängt die mechanischen Belastungen ab. The statically stable, piezoelectrically inactive grating body 1 of the thickness h u serves as a base and absorbs the mechanical stresses.

Gitterkörper 1 und Gitterträger 2 sind durch eine Kopplungsschicht 3 der Dicke h e , z. Mesh bodies 1 and girder 2 are connected by a coupling layer 3 of thickness h e, z. B. bestehend aus synthetischem Gummi, elastisch miteinander verbunden. B. consisting of synthetic rubber elastically connected to each other. Der piezoelektrisch aktive Gitterträger 2 von der Dicke h hat die Form eines dünnen Plättchens, an dessen beiden Hauptflächen großflächige Elektroden 7 und 8 , zum Beispiel aus Silber, mittels Haftschichten 5 und 6 aus Chrom aufgebracht sind. The piezo-electrically active grating support 2 by the thickness h in the form of a thin plate, on the two main faces large-area electrodes 7 and 8, for example made of silver, are applied by means of chromium adhesion layers 5 and 6. FIG. Die flächenhafte Ausdehnung der Elektroden 7 und 8 entspricht den Abmaßen der wirksamen Gitterfläche des Gitterträgers 2 . The areal extent of the electrodes 7 and 8 corresponds to the dimensions of the effective grid surface of the grid support. 2 Die bekannten Gitterprofile 4 , bei denen der Furchenabstand durch das erfindungsgemäße Beugungsgitter kontrolliert gesteuert werden soll, sind auf die Elektrode 8 an der Hauptfläche des Gitterträgers 2 aufgebracht. The known grid sections 4, wherein the groove spacing is to be controlled controlled by the diffraction grating according to the invention are applied to the electrode 8 at the main area of the lattice girder. 2 Das optisch wirksame Gitterprofil 4 ist in einer Fotoresistschicht 9 oberhalb der Elektrode 8 realisiert und mit einer optischen Grenzschicht 10 belegt. The optically effective grating profile 4 is realized in a photoresist layer 9 above the electrode 8 and coated with an optical boundary layer 10th Zur Erhöhung des Reflexionsvermögens ist das Gitterprofil 4 in der Fotoresistschicht 9 mit einem dünnen Film aus Aluminium belegt. To increase the reflectivity of the grating profile 4 is in the photoresist layer 9 with a thin film of aluminum. Die Gitterfurchen sind senkrecht zur Dehnungsrichtung des Gitterträgers 2 und beide senkrecht zum elektrischen Feld angeordnet. The grating grooves are perpendicular to the stretch direction of the lattice girder 2 and both perpendicular to the electric field.

In der Fig. 2 ist die Wirkung des Beugungsgitters auf das Licht schematisch dargestellt. In FIG. 2, the effect of the diffraction grating on the light is shown schematically. Der unter dem Winkel α einfallende Lichtstrahl 13 erreicht das Gitterprofil 4 auf dem Gitterträger 2 und wird gemäß dem Beugungsgesetz für verschiedene Wellenlängen g ₁, λ ₂, λ ₃ unter verschiedenen Beugungswinkeln β ₁, β ₂, β ₃ abgelenkt. The α at the angle incident light beam 13 reaches the grating profile 4 on the girder 2 and is deflected in accordance with the law of diffraction for different wavelengths g ₁, λ ₂, λ ₃ under different diffraction angles β ₁, β ₂, β ₃.

Beim Anlegen einer Spannung ∆ U an die elektrischen Anschlüsse 11 , 12 für die Elektroden 7 , 8 kommt es zu einer Dehnung oder Zusammenziehung des Gitterträgers 2 senkrecht zur Furchenrichtung. When a voltage Δ U to the electrical terminals 11, 12 for the electrodes 7, 8 there is an expansion or contraction of the lattice girder 2 perpendicular to the groove direction. Der Furchenabstand wird größer oder kleiner, es ergibt sich eine Änderung der Beugungswinkel gegenüber den ursprünglichen Werten β ₁, β ₂, β ₃ und damit eine spektrale Linienverschiebung, die in Fig. 3 für eine Wellenlänge λ = λ ₁ graphisch dargestellt ist. The groove spacing is greater or smaller, it results in a change in the diffraction angle with respect to the original values β ₁, β ₂, β ₃ and thus a spectral line shift which is graphically illustrated in Fig. 3 λ for a wavelength = λ ₁. Eine Änderung der Spannung an den Elektroden ändert den Betrag der spektralen Linienverschiebung, das Anlegen negativer Spannungen die Richtung der Verschiebung. A change in the voltage across the electrodes changes the magnitude of the spectral line shift, the application of negative voltages, the direction of displacement.

Als Ausführungsbeispiel dient folgender Gitteraufbau: The following lattice structure is used as an exemplary embodiment:

h u = 10 mm, h e = 0,05 mm, h = 0,5 mm h u = 10 mm, h e = 0.05 mm, h = 0.5 mm

An die Elektroden wurde eine Spannungsdifferenz von ∆ U = ±500 V an das piezoelektrisch-aktive Material mit einem piezoelektrischen Koeffizienten für den transversalen Effekt von To the electrodes, a voltage difference of Δ U = ± 500 V to the piezoelectrically-active material with a piezoelectric coefficient for the transverse effect of

d ₃₁ = 6,7 · 10 -10 [m/V] d ₃₁ = 6.7 x 10 -10 [m / V]

angelegt. created. Für die Dehnung des Gitterträgers 2 folgt It follows for the expansion of the lattice girder 2

D ≃ 1 · 10 -3 . D ≃ 1 x 10 -3.

Nimmt man die Kombination einer dem Stand der Technik entsprechenden mechanischen Durchstimmung der Wellenlänge im Bereich Taking the combination of a prior art mechanical tuning of the wavelength in the range

λ ₁ = 200 nm, g ₂ = 400 nm, λ ₃ = 800 nm λ ₁ = 200 nm, g ₂ = 400 nm, λ ₃ = 800 nm

an und kombiniert diese mit dem erfindungsgemäß durchstimmbaren Beugungsgitter, so ergeben sich bei den 3 gewählten Wellenlängen λ ₁, g ₂ und λ ₃ um diese 3 Zentren feinfühlig durchstimmbare Wellenlängenbereiche δλ ₁, δλ ₂, δλ ₃: and combines them with the inventive tunable diffraction grating, as will become apparent in the 3 selected wavelengths λ ₁, ₂ g and λ δλ to these 3 centers sensitively tunable wavelength ranges ₁, δλ ₂, δλ ₃:

λ ₁ = 200 nm: δλ ₁- 250 pm, λ ₁ = 200 nm: δλ ₁- 250 pm,
λ ₂ = 400 nm: δλ ₂- 500 pm, λ ₂ = 400 nm: δλ ₂- 500 pm,
λ ₃ = 800 nm: δλ ₃-1000 pm. λ ₃ = 800 nm: δλ ₃-1000 pm.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen List of references used

1 Gitterkörper 1 grid body
2 Gitterträger 2 girder
3 Kopplungsschicht 3 coupling layer
4 Gitterprofil 4 grating profile
5 Haftschicht 5 adhesive layer
6 Haftschicht 6 adhesive layer
7 Elektrode 7 electrode
8 Elektrode 8 electrode
9 Fotoresistschicht 9 photoresist layer
10 optische Grenzschicht 10 optical boundary layer
11 elektrischer Anschluß 11 electrical connection
12 elektrischer Anschluß 12 electrical connection
13 Lichtstrahl 13 light beam
h Dicke h thickness
h e Dicke h e thickness
h u Dicke h u thickness
α Einfallswinkel angle of incidence α
β ₁ Beugungswinkel β ₁ diffraction angle
β ₂ Beugungswinkel β ₂ diffraction angle
β ₃ Beugungswinkel β ₃ diffraction angle
λ ₁ Wellenlänge wavelength λ
λ ₂ Wellenlänge λ ₂ wavelength
λ ₃ Wellenlänge wavelength λ
U Spannung Δ U Voltage

Claims (6)

  1. 1. Steuerbares Beugungsgitter, das elektro-mechanisch wandelbare Materialien und diesen zugeordnete Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das Gitter aus einem Gitterkörper ( 1 ) mit einem darauf befindlichen, die Gitterprofile aufweisenden Gitterträger ( 2 ) aus elektro-mechanisch wandelbarem Material mit transversalem Effekt besteht, daß Gitterkörper ( 1 ) und Gitterträger ( 2 ) durch eine Kopplungsschicht ( 3 ) elastisch miteinander verbunden sind und an den beiden Hauptflächen des Gitterträgers ( 2 ) beispielsweise mittels Haftschichten ( 5 ; 6 ) flächenhaft ausgebildete Elektroden ( 7 ; 8 ) angebracht sind. Comprising 1. A controllable diffraction grating electro-mechanical-convertible materials, and assigned to these electrodes, characterized in that the grid of a grid body (1) having an out of disposed the grating profiles having lattice girders (2) electro-mechanical wandelbarem material with transverse effect are attached, in that grid body (1) and lattice girder (2) by a coupling film (3) are elastically connected to each other and at the two major surfaces of the lattice girder (2), for example by means of adhesive layers (5; 6;) (8 7)-dimensionally shaped electrode ,
  2. 2. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitteraufbau eine Mehrfachanordnung von elektro-mechanisch wandelbaren, von Elektroden begrenzten Schichten aufweist. 2. A controllable diffraction grating according to claim 1, characterized in that the grating structure comprises an array of electro-mechanically changeable, of electrode layers limited.
  3. 3. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gitterkörper ( 1 ) und Gitterträger ( 2 ) als ein Teil aus elektro-mechanisch wandelbarem Material bestehen. 3. A controllable diffraction grating according to claim 1, characterized in that the grid body (1) and lattice girder (2) are made as a part of electro-mechanically wandelbarem material.
  4. 4. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gitterprofile unmittelbar im Gitterträger ( 2 ) befinden. 4. A controllable diffraction grating according to claim 1, characterized in that the grating profiles directly in the girder (2) are located.
  5. 5. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenhafte Ausdehnung der Elektroden ( 7 ; 8 ) den Abmaßen der Hauptflächen entspricht. 5. A controllable diffraction grating according to claim 1, characterized in that the areal extent of the electrode (7, 8) corresponds to the dimensions of the major faces.
  6. 6. Steuerbares Beugungsgitter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sowohl für ebene als auch für gekrümmte Gitterträger-Oberflächen einsetzbar ist. 6. A controllable diffraction grating according to claim 1 to 5, characterized in that it is used for both flat as well as curved girder surfaces.
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