DE4023154A1

DE4023154A1 - Fabry-perot-resonator

Info

Publication number: DE4023154A1
Application number: DE19904023154
Authority: DE
Inventors: Karl F Prof Dr Renk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1992-01-30

Description

Die Erfindung betrifft einen Fabry-Perot-Resonator mit zwei Reflektoren, von denen wenigstens einer teildurchlässig ist.

Fabry-Perot-Resonator mit zwei über ihre gesamte Fläche teildurchlässigen Reflektoren, insbesondere für das ferne Infrarot, Submillimeterwellen und Millimeterwellen, d. h. für Wellenlängen zwischen im wesentlichen 50 µm und 10 mm sind bekannt. Ein Träger ist als im allgemeinen ringförmiger Spannrahmen für ein Metallgitter ausgebildet. Mit Hilfe von zusätzlichen Spannungseinrichtungen sind die Metallgitter über einer Öffnung des Trägers gespannt gehalten.

Ein solcher Fabry-Perot-Resonator stellt ein schmalbandiges Frequenzfilter dar. Nur Strahlung in einem schmalen Frequenzband bei einer bestimmten Wellenlänge, der Resonanzwellenlänge, wird in den Fabry-Perot-Resonator hineingelassen. Alle anderen in der Strahlung enthaltenen Wellenlängen werden nahezu vollständig reflektiert. Die Resonanzwellenlänge ist durch den Abstand der Reflektoren bestimmt. Die Strahlung mit der Resonanzwellenlänge dringt durch einen teildurchlässigen Spiegel oder ein kleines Loch oder durch Beugung an den Grenzflächen eines der Resonatorspiegel in den Resonator ein und wird in diesem gespeichert. Dabei tritt die für Resonatoren typische Resonanzüberhöhung der Energiedichte im Vergleich zur Energiedichte der einfallenden Strahlung auf.

Verwendet man als zweiten Reflektor ebenfalls einen teildurchlässigen Reflektor, so verläßt die Strahlung den Resonator in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung. Nach Durchtritt durch den Resonator wird diese Strahlung mit einem Spiegel oder einer entsprechenden Fokussiereinrichtung auf einen Detektor fokussiert und in ein Meßsignal umgewandelt. Durch Variation des Abstandes der Resonatoren entsteht ein abstimmbares Frequenzfilter für parallel auftreffende Strahlung. Bei der Resonanzwellenlänge hat der Fabry-Perot-Resonator mit zwei teildurchlässigen Reflektoren im Idealfall die Transmissivität 1, d. h., alle Strahlung bei der Resonanzwellenlänge tritt durch den Resonator hindurch. Falls der zweite Resonator statt teildurchlässig, vollständig reflektierend ist (Reflektivität 1), so tritt der Speichereffekt für die Strahlung im Resonator ebenso auf. Die gespeicherte Strahlung kann mit einem Intra-Resonator (intra-cavity)-Detektor nachgewiesen werden.

Die prinzipielle Funktionsweise ist dabei wie folgt. Beide Metallgitter sind in einer ebenen, parallelen Anordnung gespannt. Einfallende elektromagnetische Strahlung bei der Resonanzwellenlänge wird sehr oft zwischen den Metallgittern hin und her reflektiert. Da die Reflektoren teildurchlässig für die elektromagnetische Strahlung sind, verläßt an jeder Stelle des Reflektors ein Teil der zwischen den Reflektoren befindlichen Strahlung den Resonator, und zwar in Durchlaßrichtung, und wird mit einem außerhalb des Resonators angeordneten Detektor nachgewiesen. Strahlung, die nicht der Resonatorwellenlänge entspricht, wird vom Fabry-Perot-Resonator weitgehend reflektiert. Nur Strahlung aus einem engen Frequenzband wird aufgenommen und hindurchgelassen. Der Fabry-Perot-Resonator wirkt dabei als schmalbandiges Durchlaßfilter. Durch Verändern des Abstands der Reflektoren wird Strahlung in einem engen Frequenzband um die Resonanzfrequenz detektiert.

Resonatoren dieser Art und insbesondere in dem oben genannten Wellenlängenbereich werden z. B. in der Astronomie eingesetzt. Übergänge zwischen Rotationsniveaus leichter Moleküle, wie z. B. NH₃, sowie Übergänge zwischen Feinstrukturniveaus von Atomen und Ionen sind so nachweisbar. Eine weitere Anwendung finden diese Resonatoren in der Laserspektroskopie, wo z. B. mit einem CO₂-Laser ein Ferninfrarot-, Submillimeter- oder Millimeterlaser optisch gepumpt wird und dessen Emissionsspektrum analysiert wird. Auch thermische Strahlung kann analysiert werden.

Dabei ist von Nachteil, daß die als Reflektoren eingesetzten Metallgitter bei kleinen Wellenlängen bzw. hohen Frequenzen nahezu durchsichtig sind. Dies führt zu einer Überlagerung der hochfrequenten Strahlung mit der Strahlung in dem eigentlich interessierenden Frequenzbereich und erschwert oder verhindert deren Detektion. Daher muß diesem Kreuzgitter-Fabry-Perot-Resonator ein zusätzliches optisches Tiefpaßfilter vorgeschaltet werden, das die hohen Strahlungsfrequenzen unterdrückt. Da diese Filter im allgemeinen bei einer Umgebungstemperatur von 4,2 K betrieben werden, muß ein entsprechend aufwendiger Kryostat zur Aufrechterhaltung der tiefen Temperaturen verwendet werden, wodurch der Aufbau des Resonators entsprechend komplex wird.

Ein weiterer Nachteil bei dem vorbekannten Fabry-Perot-Resonator ist, daß eine Justierbarkeit während des Einsatzes nicht möglich ist, denn die Überprüfung der Parallelität der Metallgitter bzw. deren Abstand ist nur in einem separaten Meßvorgang und nur unter Verwendung sehr aufwendiger Ferninfrarotlaser möglich.

Weiterhin ist aufgrund der Ausbildung des Reflektors als Metallgitter sowohl der Wellenlängenbereich als auch dessen Ebenheit begrenzt. Diese Begrenzung der Ebenheit hat eine Begrenzung der Schmalbandigkeit, und damit zusammenhängend, der Güte des Fabry-Perot-Resonators zur Folge.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Fabry-Perot-Resonator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 hinsichtlich der allgemeinen Eigenschaften und der Einsatzmöglichkeiten bei gleichzeitiger Vereinfachung des Aufbaus zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonator dadurch gelöst, daß zumindest der teildurchlässige Reflektor eine auf einem Trägersubstrat aufgetragene supraleitende Schicht ist.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Resonators ist z. B. der andere Reflektor eine auf dem selben Trägersubstrat oder auf einem zweiten Trägersubstrat aufgetragene teildurchlässige supraleitende Schicht oder eine undurchlässige supraleitende oder normalleitende Schicht.

Da die supraleitenden Schichten bei kleinen Wellenlängen stark absorbierend sind, ist ein zusätzliches Filter nicht mehr notwendig. Außerdem läßt sich durch vorteilhafte Kombination von Trägersubstrat und supraleitendem Schichtmaterial der Absorptionsbereich bzw. der Transmissionsbereich der Strahlung auswählen und in seinen Grenzen einstellen. Als grundsätzliche Voraussetzung ist zu beachten, daß das Trägersubstrat im interessierenden Frequenzbereich durchsichtig ist. Alle anderen Frequenzen werden durch Absorption in den supraleitenden Schichten bzw. im Trägersubstrat ausgefiltert. Bei den supraleitenden Schichten ist in diesem Zusammenhang der Transmissionsbereich durch eine obere Grenzfrequenz begrenzt, die der Supraleitungs-Energielücke (Gap) entspricht. Oberhalb dieser Grenzfrequenz setzt eine starke Absorption des supraleitenden Schichtmaterials ein.

Das Herstellen einer solchen supraleitenden Schicht ist nach mehreren im Prinzip bekannten Verfahren möglich. So kann z. B. mit Hilfe eines Excimerlasers nach dem Verfahren der Laserablation eine supraleitende Schicht auf einem Trägersubstrat aufgetragen werden. Aber ebenso ist die Schichtauftragung mit Hilfe einer Sputtereinrichtung oder ähnlicher anderer Verfahren möglich.

Durch die Verwendung der supraleitenden Schicht sind nahezu alle Eigenschaften des Fabry-Perot-Resonators verbessert. Die Beschränkung auf Wellenlängen oberhalb von 50 µm wie bei den Metallgittern entfällt. Je nach Supraleiter kann die untere Grenzwellenlänge bis auf 10 µm gesenkt werden. Dadurch ist der Resonator im Infraroten, fernen Infrarot, Mikrowellenbereich, Submillimeter- und Millimeterbereich einsetzbar.

Durch die Ausbildung der Reflektoren als supraleitende Schichten ist die Ebenheit gegenüber einem Metallgitter verbessert. Während ein Metallgitter bis auf Schwankungen von etwa 1 µm eben ist, lassen sich Schichten mit mindestens um einen Faktor 10 geringeren Unebenheiten herstellen.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonators ergeben sich bei Betrachtung der Intensität der durch einen Fabry-Perot-Resonator mit zwei teildurchlässigen Reflektoren transmittierten Strahlung. Da ein Resonator desto besser ist, je höher die Intensität der transmittierten Strahlung ist, je geringer die Halbwertbreite des Durchlaßbereiches ist, desto höher das Auflösungsvermögen und desto größer der Kontrastfaktor ist, lassen sich mit diesen Größen die allgemeinen Eigenschaften von solchen Resonatoren vergleichen. Nach der Airy-Formel ist die Transmissivität für Parallelbestrahlung, d. h. ein Bündel parallel auf den Resonator einfallender Strahlung, durch folgende Formel gegeben:

δ ist dabei insbesondere abhängig vom Abstand der beiden Reflektoren.

Resonanzen treten für δ=z · 2 π auf, wobei z= 1, 2, 3 . . . die Ordnung der Interferenzen angibt. Die Resonanzwellenlänge ergibt sich aus der Kenntnis von δ. Diese Größe ist im wesentlichen gegeben durch die Beziehung δ=4 · π · nd · cos α/λ wobei n der Brechungsindex des Mediums zwischen den Reflektoren ist (n=1 für Vakuum), d der Abstand der Reflektoren, λ die Wellenlänge der Strahlung und α der Winkel zwischen der Richtung der Strahlungsausbreitung und der Normalen der Reflektoren ist.

Zwei Betriebsweisen sind möglich: Parallele Strahlung fällt unter dem Winkel α auf den Fabry-Perot-Resonator. Dann treten Resonanzen auf der λ₂=2 · n · d · cos α/z Für festes z kann die Resonanzfrequenz entweder durch Änderung von α, d. h. durch Verkippen des gesamten Fabry-Perot-Resonators gegen den einfallenden Parallelstrahl, oder bei festem α (insbesondere λ=0) durch Ändern von d variiert werden. Im zweiten Fall fällt divergente Strahlung von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle ein. Dann entspricht jedem α eine bestimmte Wellenlänge λ und Strahlung mit konstantem λ liegt hinter dem Fabry-Perot-Resonator auf einem Kreis.

F ist näherungsweise durch F=π · R^½ · (1-R)^-1 gegeben wobei R den Reflexionsgrad (Reflektivität) der Einzelschicht bezeichnet,

gegeben, wobei A und T den Absorptionsgrad (die Absorptivität) bzw. den Transmissionsgrad (Transmissivität) der Einzelschicht bezeichnen. Die weiteren Größen zur Kennzeichnung der Eigenschaft eines Resonators wie die Halbwertsbreite Γ der transmittierten Strahlung, das Auflösungsvermögen und der Kontrastfaktor hängen alle drei von der Größe F, die als Finesse bezeichnet wird, ab. So ist die Halbwertsbreite Γ proportional zu F^-1 das Auflösungsvermögen (Güte des Resonators): ^λΔ′λ proportional zu F^-2.

Ein Resonator ist entsprechend dieser Abhängigkeiten desto besser, je größer die Werte von τ_max und F sind.

Bei Vergleich eines vorbekannten, mit einem Metallgitter arbeitenden Resonator mit dem erfindungsgemäßen Resonator läßt sich aufgrund der physikalischen Eigenschaften supraleitender Schichten feststellen, daß für F Werte, die in etwa um einen Faktor 10 größer sind, erreichbar sind. Gleichzeitig kann τ_max in etwa um einen Faktor 2 größer sein. Entsprechend sind die Eigenschaften wie Halbwertsbreite, Auflösungsvermögen und Kontrastfaktor bei dem erfindungsgemäßen Resonator deutlich verbessert.

Des weiteren sind durch das supraleitende Schichtmaterial Verwendungsmöglichkeiten gegeben, die beim vorbekannten Resonator gar nicht möglich sind.

So ist neben einer passiben Schaltbarkeit, die im Prinzip auch bei den Metallgitterresonatoren vorhanden ist, eine aktive Schaltbarkeit, d. h. eine Änderung des Transmissionsgrades, aufgrund der Verwendung von supraleitenden Materialien möglich. Im Prinzip werden dabei durch Energiezufuhr aufgrund der im Resonator gespeicherten Strahlung Cooperpaare in der supraleitenden Schicht aufgebrochen. Für eine gewisse Zeit, die der Lebensdauer dieser aufgebrochenen Cooperpaare (Quasiteilchen) entspricht, können diese verstärkt Strahlung absorbieren und der Transmissionsgrad sinkt. Nach einer Zeitspanne, die in etwa der Lebensdauer dieser Quasiteilchen entspricht, kondensieren diese wieder als Cooper-Elektronenpaare und absorbieren keine Strahlung mehr. Der Transmissionsgrad erreicht dadurch den ursprünglichen Wert bis sich dieser Vorgang durch erneute Erzeugung von Quasiteilchen wiederholt. Auf diese Weise ist die Absorption im Resonator für gewisse Zeiten jeweils stärker bzw. schwächer und die transmittierte Strahlung wird aktiv geschaltet.

Beim Aufbrechen von Cooperpaaren und der nachfolgenden Anregung von Quasiteilchen entsteht Wärme, die selbst wieder zum Aufbrechen weiterer Cooperpaare und zu einem Absinken des Transmissionsgrades des Fabry-Perot-Resonators führt. Falls die Abkühlzeit einer Schicht, die durch die thermischen Transporteigenschaften der Schicht und des Trägersubstrats und der Grenzfläche dazwischen bestimmt ist, länger als die Lebensdauer der Cooperpaare ist, bestimmt die Abkühlzeit die Schaltzeit des Resonators. Die transmittierte Strahlung wird in diesem Fall ebenfalls aktiv geschaltet.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Resonators besteht im Aufbau eines Laserresonators für Festkörperlaser für das ferne Infrarot, Submillimeter- und Millimeterwellen. Ein solcher Laser ist z. B. der Germaniumlaser. Der Laserresonator soll dabei entsprechend dem erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonator aufgebaut sein. Der Resonator besteht im wesentlichen entweder aus zwei planparallelen Reflektoren oder aus einem konkaven und einem planen Reflektor, wobei die Reflektoren ganz oder teilweise aus supraleitenden Schichten bestehen. Diese können direkt auf den Resonatorkristall aufgebracht werden. Eine solche Integration ist besonders interessant, da Festkörperlaser im fernen Infrarot und Submillimetergebiet tiefe Temperaturen für das aktive Lasermaterial zur Voraussetzung haben. Kreuzgitter-Reflektoren sind wegen ihrer Unebenheiten für diese Anwendung ungeeignet.

Eine sehr wichtige Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Resonators besteht im Aufbau eines supraleitenden Fabry-Perot-Resonators mit gekrümmten Reflektoren für höchstauflösende Spektroskopie im fernen Infrarot, Submillimeter- und Millimeterwellengebiet. Dabei ist einer der beiden Reflektoren konkav und der andere plan. Es können aber auch beide Reflektoren konkav sein.

Ein solcher Fabry-Perot-Resonator hat gegenüber einem mit nur planen Reflektoren den Vorteil eines wesentlich höheren "Throughputs", d. h. er ist wesentlich lichtstärker. Deshalb kann mit dem supraleitenden Fabry-Perot-Resonator ein Auflösungsvermögen erreicht werden, das um mindestens einen Faktor 100 höher liegt als für Kreuzgitter-Fabry-Perot-Resonatoren.

Eine weitere Verbeserung ist durch Verwendung einer Multipaß-Anordnung möglich. In diesem Fall müssen nur Eintritts- und Austrittsbereich der Reflektoren mit teildurchlässigen supraleitenden Schichten bedeckt sein, während für die anderen Bereiche der Reflektoren auch hochreflektierende Normalmetalle verwendet werden können.

Je nach Einsatzgebiet ist es dabei von Vorteil, wenn die supraleitenden Schichten unstrukturiert oder zumindest teilweise strukturiert sind. Unstrukturierte Schichte zeichnen sich durch eine große effektive Fläche und eine entsprechend vorteilhafte Verwendung als Reflektoren für den Fabry-Perot-Resonator aus. Teilweise strukturierte Schichten können gleichzeitig als voneinander isolierte rechteckige oder kreisförmige Plättchen oder auch als Kreuzgitter ausgebildet sein und bilden in dieser Form ein Bandpaßfilter. Oder die Struktur ist streifenförmig und die Schicht ist als Polarisator einsetzbar, wobei dieser einen extrem hohen Polarisationsgrad und eine verschwindende Absorption aufweist. Bei Verwendung eines unstrukturierten Reflektors und eines strukturierten Reflektors lassen sich weitere Einsatzmöglichkeiten, wie z. B. die Polarisation der durchgehenden Strahlung gleichzeitig mit der Interferenz der Strahlung, verwirklichen.

Um eine Integration der supraleitenden Schichten z. B. im Zusammenhang mit der Mikroelektronik zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn diese im physikalischen Sinne als dünne Schichten ausgebildet sind. Auf einem gemeinsamen Substrat ist so die Ausbildung sowohl eines Fabry-Perot-Resonators und einer den Resonator umgebenden Mikroelektronik möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeweils eine supraleitende Schicht auf einem Trägersubstrat aufgetragen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Entfernung der Schichten auf einfache Weise zu variieren und den Erfordernissen anzupassen. Es ist so möglich, während einer Messung die Schichten mit Hilfe von Laserstrahlung im Sichtbaren (z. B. eines He-Ne-Lasers) der nach hinten reflektierten oder der durchgehenden sichtbaren Strahlung zu justieren, während die transmittierte Infrarot-, Submillimeter- oder Millimeterwellenstrahlung weiterhin dem Detektor zugeführt wird. Damit wird eine dynamische Justierung des Fabry-Perot-Resonators möglich.

Grundsätzlich sind zwei Anordnungen der supraleitenden Schichten insbesondere von Vorteil. Bei einer parallelen Schichtanordnung ist der Resonator als schmalbandiges Frequenzfilter für Parallelstrahlung einsetzbar. Bei einer Anordnung der supraleitenden Schichten unter einem spitzen Winkel zueinander kann der Resonator als optischer Vielkanalanalysator für elektromagnetische Strahlung (im Infrarot-, Submillimeter- und Millimetergebiet) eingesetzt werden. Die Strahlung mit den verschiedenen Frequenzteilchen wird dabei als paralleles Strahlenbündel auf den Fabry-Perot-Resonator geleitet.

Um die supraleitenden Schichten in der Entfernung zueinander zu variieren oder diese parallel zu justieren, ist es von Vorteil, wenn eine Stelleinrichtung zur Variation der Entfernung zwischen den supraleitenden Schichten zumindest einem Trägersubstrat zugeordnet ist. Die Stelleinrichtung kann z. B. drei piezoelektrische Verstelleinrichtungen umfassen, die bei entsprechend angelegter Spannung die Schichtebene zumindest einer supraleitenden Schicht beliebig gegenüber der anderen supraleitenden Schicht verschwenken oder in der Entfernung zueinander einstellen können.

Um einen möglichst einfachen Aufbau des Resonators zusammen mit dem Strahlungsdetektor zu erzielen, ist es günstig, wenn der oder die Strahlungsdetektoren in zumindest einer Schicht integriert sind. Zur Aufnahme eines ganzen Spektrums kann auch eine Vielzahl von Detektoren in Form eines Detektorarrays in einer Schicht ausgebildet sein. Eine andere sehr günstige Variante besteht darin, daß ein Detektor im Zwischenraum zwischen den Reflektoren oder in deren Randbereich angeordnet ist.

Sowohl zum Auftragen der supraleitenden Schichten auf das Trägersubstrat als auch für die Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung bei tiefen Temperaturen unterhalb von der Sprungtemperatur T_C ist es von Vorteil, wenn das Trägersubstrat im wesentlichen aus Magnesiumoxid (MgO) oder Silizium (Si) gebildet ist.

In diesem Zusammenhang ist es weiterhin von Vorteil, wenn die supraleitenden Schichten aus einem Hochtemperatur-Supraleiter gebildet sind. Da diese Hochtemperatur-Supraleiter eine relativ große Supraleitungs-Energielücke aufweisen, absorbieren diese erst ab einer Wellenlänge, die kleiner als in etwa 10 µm ist. Im Zusammenhang mit der sehr guten Durchsichtigkeit der Trägersubstrate bei großen Wellenlängen sind auf diese Weise die erfindungsgemäßen Resonatoren für den Wellenlängenbereich von 10 µm bis 10 mm einsetzbar.

Aber auch Fabry-Perot-Resonatoren mit konventionellen Supraleitern, wie z. B. Pb, PbTe, Nb oder Nb₃Sn, sind von großem Interesse. Sie können u. a. zum Nachweis und der Analyse der 3K-Hintergrundstrahlung im Weltraum vorteilhaft eingesetzt werden.

Als besonders günstig hinsichtlich der Größe der Gap-Energie sowie der Güte der supraleitenden Schicht erweist sich der Hochtemperatur-Supraleiter mit einer Zusammensetzung entsprechend der chemischen Formel YBa₂Cu₃O_7- _δ. Andere Hochtemperatur-Supraleiter, wie Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ oder Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ sowie Modifikationen davon, wie z. Tl-Verbindungen mit Blei oder auch andere Supraleiter-Verbindungen mit ähnlich hoher Sprungtemperatur sind ebenso verwendbar. Besonders vorteilhaft sind dabei Hochtemperatur-Supraleiter deren Sprungtemperatur oberhalb der Siedetemperatur von Stickstoff, d. h. 77 K liegt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Resonators beträgt die Dicke der supraleitenden Schichten in etwas 1000 Å. Auch dickere Schichten bis 4000 Å zur Erzielung einer sehr großen Finesse sind von Interesse. Schichten solcher Dicke lassen sich mit hoher Güte auf dem Trägersubstrat auftragen und weisen einen vorteilhaften Transmissionsgrad auf. Konventionelle Supraleiter mit Anwendungen bei längeren Wellenlängen, ab etwa 0,3 mm, sind schon in geringerer Schichtdicke ab etwa 300 Å hochreflektierend. Diese Schichten und Schichten bis zu einigen 1000 Å können leicht durch thermisches Verdampfen auf verschiedene Trägersubstrate aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele davon werden im folgenden anhand der in der Figur dargestellten Figuren weiter erläutert und beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonators und

Fig. 2 einen Querschnitt einer Halte- und Stelleinrichtung für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators.

In Fig. 1a ist eine erste, einfachste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonators 1 dargestellt. Auf einem im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmigen Trägersubstrat 2 ist auf den Längsseiten jeweils eine supraleitende Schicht 3 bzw. 4 aufgetragen. Der Abstand der beiden supraleitenden Schichten 3 und 4 ist durch die Dicke d des Trägersubstrats 2 gegeben. Eine Modifizierung besteht darin, daß ein rundes oder anders geformtes Trägersubstrat gewählt werden kann. Die Dicke des Trägersubstrats kann im Bereich zwischen 0,1 mm und 100 mm gewählt werden. Der Durchmesser des runden Substrats kann z. B. 10 mm oder größer, bis z. B. 100 mm gewählt werden.

In Fig. 1 ist eine weitere Ausführungsform des Resonators dargestellt. Auf jeweils einem im wesentlichen im Querschnitt wieder rechteckförmigen Trägersubstrat 5 bzw. 6 entlang einer Längsseite eine supraleitende Schicht 3 bzw. 4 aufgetragen. Die mit diesen Schichten bedeckten Seitenflächen der Trägersubstrate 5 und 6 sind einander zugewendet, während die unbedeckten Seitenflächen 8 und 9 voneinander wegweisen. Der Abstand d der beiden supraleitenden Schichten 3 und 4 ist durch zwischen den Schichten am oberen bzw. unteren Ende der Trägersubstrate 5 und 6 angeordnete, gleich lange Abstandselemente 7 bestimmt. Der Abstand d ist durch Einsetzen von Abstandselementen verschiedener Länge, nahezu beliebig einstellbar. Das Abstandselement kann dabei z. B. als Ring ausgebildet sein. Der Abstand d kann wenige µm betragen oder er kann im Bereich von 10 µm bis ca. 200 mm (oder auch darüber) betragen. Bei großen Abständen wird der Fabry-Perot-Resonator in hoher Ordnung betrieben und erlaubt außerordentlich hohe Güten und Auslösungsvermögen. Wiederum besteht eine Modifizierung darin, daß ein rundes oder anders geformtes Trägersubstrat gewählt werden kann. Im Falle eines runden Substrats beträgt der Durchmesser z. B. etwa 10 mm. Bei großer Güte sind zur Reduzierung der Beugungsverluste größere Durchmesser, bis 50 mm verwendbar. Die Dicke des Trägersubstrats ist durch die Ebenheit und das jeweilige Material bestimmt. Sie kann 1 mm aber auch z. B. 10 mm oder 50 mm betragen.

In Fig. 1c ist eine der Fig. 1b entsprechende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators dargestellt. Bei diesem Resonator sind die Abstandselemente 7 gemäß Fig. 1b nicht zwischen den supraleitenden Schichten 3 und 4 und damit auch zwischen den Trägersubstraten 5 und 6 angeordnet, sondern der Abstand d der supraleitenden Schichten 3 und 4 ist z. B. gemäß Fig. 2 einstellbar.

In Fig. 1d ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators dargestellt. Die Trägersubstrate 5 und 6 und die entsprechend bei den Fig. 1b bzw. 1c aufgetragenen supraleitenden Schichten 3 und 4 sind unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. An einem unteren Ende beträgt der Abstand der supraleitenden Schichten 3 und 4 auf diese Weise b, während an dem entgegengesetzten, oberen Ende der Abstand a beträgt. Bei dem in Fig. 1d dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abstand a in diesem Fall größer als der Abstand b. Eine Halte- und Stelleinrichtung ist für diese Ausführungsform ähnlich wie für die Ausführungsform gemäß Fig. 1c entsprechend Fig. 2 realisierbar. Während gemäß der Ausführungsform von Fig. 1d das Trägersubstrat 6 mit der dazugehörigen supraleitenden Schicht 4 um eine untere Kante um einen spitzen Winkel gegenüber dem Trägersubstrat 5 und der auf diesem aufgetragenen supraleitenden Schicht 3 verschwenkt ist, ist es auch möglich, den spitzen Winekl zwischen den beiden supraleitenden Schichten 3 und 4 durch entsprechende Ausbildung z. B. des Trägersubstrats 6 zu erzielen. In diesem Fall würde das Trägersubstrat 6 an seinem oberen Ende eine größere Breite als an seinem unteren Ende aufweisen. Der spitze Winkel ist dann nicht durch Kippen des Trägersubstrats 6 einstellbar, sondern ist durch die Neigung der unterhalb der supraleitenden Schicht 4 verlaufenden Oberfläche des Trägersubstrats 6 gegeben.

In Fig. 2 ist eine Halte- und Stelleinrichtung 10 für den erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonator dargestellt. Der Resonator ist durch die Trägersubstrate 5 und 6 sowie die auf jeweils eine Seitenfläche derselben aufgetragenen supraleitenden Schichten 3 und 4 gebildet. Die die supraleitenden Schichten 3 und 4 tragenden Seiten der Trägersubstrate 5 und 6 sind einander zugewendet, während die Seitenfläche 8 und 9 nach außen zu den Öffnungen 20 und 22 weisen. Am oberen und unteren Ende eines jeden Trägersubstrats sind diese durch entsprechende Haltenasen 13 und 14 bzw. 17 und 18 gehalten. Die Haltenasen sind an einem Ende eines Haltearmes 11 und 12 bzw. 15 und 16 ausgebildet. Die oberen Haltearme 11 und 15 sind im wesentlichen horizontal angeordnet und halten die Trägersubstrate 5 und 6 durch ihre Haltemasen 13 und 17 am oberen Ende, während die unteren Haltearme 12 und 16 die unteren Enden mit Hilfe der Haltenasen 14 und 18 halten. Die Länge der Haltearme 11, 12, 15 und 16 ist in Fig. 2 übertrieben dargestellt, um die Einrichtung 10 besser beschreiben zu können.

Die das Trägersubstrat 5 haltenden Haltearme 11 und 12 sind durch einen im wesentlichen vertikalen Verbindungsträger 19 miteinander verbunden. In diesem Verbindungsträger 19 ist eine Öffnung 20 ausgebildet, das sich nahezu über die gesamte Höhe des Trägersubstrats 5 parallel zu diesem erstreckt.

Unterhalb des unteren Haltearmes 12 ist mit dem vertikalen Verbindungsträger 19 ein Horizontalträger 23 verbunden. An dem dem vertikalen Verbindungsträger 19 gegenüberliegenden Ende des Horizontalträgers 23 ist ein vertikaler Verbindungsträger 21 angeordnet. Dieser weist eine der Öffnung 20 entsprechende Öffnung 22 auf.

Im Gegensatz zu den Haltearmen 11 und 12 des Trägersubstrats 5 sind die Haltearme 15 und 16 des Trägersubstrats 6 nicht direkt mit dem vertikalen Verbindungsträger 21 verbunden. Zwischen den Haltearmen 15 und 16 und den senkrecht zum vertikalen Verbindungsträger 21 verlaufenden horizontalen Halterungen 24 und 25 sind Piezoabstandsstelleinrichtungen 26 und 27 angeordnet. Mit Hilfe der ersten Piezoabstandsstelleinrichtung 26 ist der Abstand e von Haltearm 15 und Horizontalhalterung 24 und mit Hilfe der Piezoabstandsstelleinrichtung 27 der Abstand f vom unteren Haltearm 16 und zugeordneter Horizontalhalterung 25 variierbar. Eine dritte Piezoabstandsstelleinrichtung, die zusammen mit den Stelleinrichtungen 26 und 27 eine beliebige Verstellung des Trägersubstrats 6 und der zugehörige supraleitenden Schicht 4 ermöglicht, ist nicht dargestellt. Durch Veränderung der Abstände e und f ist der Abstand d der supraleitenden Schichten 3 und 4 einstellbar. Außerdem ist entsprechend des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1d auch ein unterschiedlicher Abstand a und b zwischen oberem Ende und unterem Ende der Trägersubstrate 5 und 6 einstellbar.

Die Piezoabstandsstelleinrichtung ist gleichzeitig zum Paralleljustieren der Schichten 3 und 4 ausgebildet. Zusätzlich zur piezoelektrischen kann auch eine in der Fig. 2 nicht dargestellte magnetische Verschiebung für die Grobeinstellung des Abstandes des Resonatoren zusätzlich angeordnet sein. Die Piezoabstandsstelleinrichtung ist dann für die Justierung und Feinabstimmung verwendbar. Mit der Piezoabstandsstelleinrichtung ist ein Hub von einigen 10 µm und mit der magnetischen Verschiebung von z. B. 1 mm mögllich.

Im folgenden wird der prinzipielle Gesamtaufbau und die Betriebsweise des Resonators beschrieben.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Fabry-Perot-Resonator wird, solange es noch keine Hochtemperatur-Supraleiter bei Raumtemperatur gibt, gekühlt betrieben.

Die Betriebstemperatur muß deutlich kleiner sein als die Sprungtemperatur T_c der supraleitenden Schichten, nämlich kleiner als 2/3 T_c. Sie muß außerdem hinreichend tief sein, um die Transparenz des Trägersubstrats im gewünschten Wellenlängenbereich zu gewährleisten. Silizium ist z. B. schon bei Raumtemperatur transparent. Bei Integration mit Tieftemperatur-Strahlungsdetektoren bestimmen diese die Betriebstemperatur.

Die Kühltemperatur kann entsprechend im Bereich um 1 K, bei einigen K oder auch bei 77 K liegen. Entsprechend wird flüssiges Helium bzw. flüssiger Stickstoff als Kühlflüssigkeit in einem Kältereservoir verwendet.

Die Kühlung des Fabry-Perot-Resonators erfolgt entweder durch mechanischen Kontakt mit dem Kältereservoir oder mit Hilfe von Heliumgas. Der supraleitende Fabry-Perot-Resonator befindet sich in einem entsprechenden Kryostaten und ist umgeben von Vakuum oder von Heliumgas, das den Kälteaustausch übernimmt. Falls sich der Resonator im Vakuum befindet, sind zwei Fenster im Kyrostaten für den optischen Zugang ausgebildet. Diese Fenster weisen für die gewünschte Strahlung eine hohe Transparenz auf. Falls der Resonator mit Helium-Austauschgas gekühlt wird, sind beiseitig jeweils zwei Fenster für den optischen Zugang angeordnet. Ein Fenster schließt jeweils den Kühlraum ab und ein zweites die Vakuumkammer des Kyrostaten. Diese Fenster weisen wiederum eine hohe Transparenz für die gewünschte Strahlung auf.

Alternativ kann der Fabry-Perot-Resonator auch direkt mit flüssigem Helium gekühlt werden.

Falls der Strahlungsdetektor im Fabry-Perot-Resonator integriert ist, ist die Anordnung von im letzten Fall zwei Fenstern und im ersten Fall einem Fenster für den optischen Zugang einseitig zum Resonator ausreichend. Die Stelleinrichtungen zur Verschiebung und Justierung der Reflektoren des Fabry-Perot-Resonators sind durch elektrische Impulse über elektrische Zuleitungen in dem Kyrostaten steuerbar.

Claims

1. Fabry-Perot-Resonator mit zwei Reflektoren, von denen wenigstens einer teildurchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der teildurchlässige Reflektor (3) eine auf einem Trägersubstrat (2; 5,) aufgetragene supraleitende Schicht (3) ist.

2. Fabry-Perot-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) oder die supraleitenden Schichten (3, 4) unstrukturiert oder zumindest teilweise strukturiert sind.

3. Fabry-Perot-Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) oder die supraleitenden Schichten (3, 4) als im physikalischen Sinne dünne Schichten ausgebildet sind.

4. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine supraleitende Schicht (3; 4) auf einem Trägersubstrat (5; 6) aufgetragen ist.

5. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichtträger (3, 4) parallel zueinander angeordnet sind.

6. Fabry-Perot-Resonator nach wengistens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten (3, 4) unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind.

7. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stelleinrichtung (26, 27) zur Variation der Entfernung zwischen den supraleitenden Schichten (3, 4) zumindest einem Trägersubstrat (6) zugeordnet ist.

8. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsdetektoren in zumindest einer Schicht (3; 4) integriert sind.

9. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägersubstrate (2; 5, 6) im wesentlichen aus Magnesiumoxyd (MgO) gebildet sind.

10. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägersubstrate (2; 5, 6) aus Strontiumtitanat (SrTiO₃) gebildet sind.

11. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägersubstrate aus Silizium (Si) oder Silizium mit einer Deckschicht gebildet sind.

12. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägersubstrate (2; 5, 6) aus verschiedenen Materialien gebildet sind.

13. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten (3, 4) aus einem Hochtemperatur-Supraleiter gebildet sind.

14. Fabry-Perot-Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur-Supraleiter eine Verbindung entsprechend der chemischen Formel Y Ba₂Cu₃O_7- _δ (δO) ist.

15. Fabry-Perot-Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur-Supraleiter eine Verbindung entsprechend der chemischen Formel Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ oder Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ oder eine Mischung aus diesen Verbindungen ist.

16. Fabry-Perot-Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur-Supraleiter eine Verbindung entsprechend der chemischen Formel Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ oder Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ oder eine Mischung aus diesen Verbindungen ist.

17. Fabry-Perot-Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten aus konventionellen supraleitenden Materialien, wie z. B. Blei (Pb), Bleitellurid (PbTe), Niob (Nb) oder Niob-3-Zinn (Nb₃Sn) bestehen.

18. Fabry-Perot-Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Schichten Heteroschichten, bestehend aus abwechselnd supraleitendem und nichtsupraleitendem Material, sind.

19. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (3; 4) in etwa 1000 Å beträgt.

20. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (3; 4) zwischen 100 Å und 5000 Å beträgt.

21. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der beiden Schichten (3, 4) in etwa 4000 Å beträgt und diese in der Mitte jeweils mit einem Loch versehen sind, dessen Querschnittsfläche klein ist gegenüber der Fläche der Resonatoren.

22. Fabry-Perot-Resonator nach wengistens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Trägersubstrate oder beide Trägersubstrate mit einem Loch versehen sind, dessen Querschnittsfläche klein ist gegenüber der Trägersubstratoberfläche.

23. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten mit zusätzlichen Schichten, z. B. Langmuir-Blodgett-Filmen, bedeckt sind.

24. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Hilfe der Schicht (4) gebildete Reflektor eine konkave Krümmung besitzt.

25. Fabry-Perot-Resonator nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide mit Hilfe der Schichten (3, 4) gebildete Reflektoren eine konkave Krümmung besitzen.

26. Fabry-Perot-Resonator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor aus einer Goldschicht und der andere aus einer supraleitenden Schicht besteht.