DE4242440C1 - Halbleiter-Folienstrahlteiler für ein Infrarot-Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen freitragenden Folienstrahlteiler, insbesondere zur Verwendung in einem FTIR-Spektrometer für den Fern-Infrarot-Bereich, mit einer optischen Dicke in der Größenordnung des interessierenden Wellenlängenbereichs.

Ein solcher freitragender Folienstrahlteiler ist beispiels­ weise aus dem Artikel "Self-Supporting Thin-Film Beam Splitter for Far-Infrared Interferometers" von G. Kampffmeyer in der Zeitschrift Appl. Phys 14, 313-317 (1977) bekannt.

In der Fouriertransform-Infrarot (FTIR)-Spektroskopie werden Strahlteiler benötigt, die über einen möglichst breiten Spek­ tralbereich die Strahlung im Verhältnis 1 : 1 teilen. Die Strahlteiler müssen zudem interferometrische Genauigkeit auf­ weisen. Im Spektralbereich von ca. 2-25 µm (mittleres Infra­ rot) werden hierzu häufig Strahlteiler eingesetzt, die typi­ scherweise aus einer planparallelen Substratplatte bestehen, auf die eine dünne strahlteilende Schicht aufgedampft ist, sowie aus einer Kompensationsplatte aus demselben Material und derselben Dicke wie die der Substratplatte. Substrat- und Kom­ pensationsplatten bestehen üblicherweise aus Kaliumbromid (KBr), während die strahlteilende Schicht im einfachsten Fall aus aufgedampften Germanium (Ge) besteht, wobei die Schicht­ dicke so gewählt ist, daß die Strahlung möglichst im Verhält­ nis 1 : 1 geteilt, d. h. jeweils zur Hälfte durchgelassen und reflektiert wird.

Der Einsatzbereich eines solchen Strahlteilers wird begrenzt durch die spektralen Eigenschaften des Substratmaterials und der Kompensationsplatte sowie die Effizienz der strahlteilen­ den Schicht. Kaliumbromid absorbiert für Wellenlängen < 25 m (fernes Infrarot) die Infrarotstrahlung. Die Effizienz der strahlteilenden Schicht hängt von ihrer Dicke und von ihrem Brechungsindex ab. Allgemein ist die Effizienz eines Strahl­ teilers definiert über das Produkt aus Reflexion und Trans­ mission (R·T), das im günstigen Fall bei einem Durchlaßver­ hältnis von 50 : 50 maximal 1/4 sein kann. Im Realfall gehen aber durch Reflexion an jeder Oberfläche jeweils 4% sowie durch durch Absorption- und Streuverluste an den Substrat- und Kom­ pensationsplatten bei jedem Strahldurchgang weitere Strahlungsintensität verloren, so daß bei sieben Durchgängen eine tatsächliche Gesamteffizienz von bestenfalls (0,96)⁷ RT erreicht wird.

Wegen der hohen Absorption von Kaliumbromid im Fern-Infrarot- Bereich werden für Strahlung mit Wellenlängen λ < 25 µm in der Regel entweder Metallgitter oder dünne Kunststoff-Filme als Strahlteiler eingesetzt. Die Effizienz der Metallgitter hängt von deren Geometrie, insbesondere von der jeweiligen Gitter­ konstanten ab. Die Metallgitter können zudem sinnvoll nur für Wellenlängen eingesetzt werden, die größer als der doppelte Gitterabstand sind.

Die Kunststoff-Filme, wie sie in dem oben zitierten Artikel beschrieben sind, sind mit Dicken d 6 µm erhältlich, haben jedoch einen relativ geringen Brechungsindex von n ≈ 1,7. Außerdem weisen die verwendeten Kunststoffe (Polyethylen, Polyethylen-Terephthalat, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Po­ lypropylen und dergleichen) eine hohe Absorption im Infrarot- Bereich, insbesondere auch starke Resonanzabsorptionsbanden auf, die zu starken, durch den verwendeten Folienstrahlteiler aufgeprägten Strukturen in einem aufgenommenen Spektrum füh­ ren. Wegen des geringen Brechungsindex und der starken Absorp­ tion ist die Effizienz dieser Kunststoff-Folienstrahlteiler daher relativ gering und diese Strahlteiler können nur über einen kleinen Spektralbereich eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen frei­ tragenenden Folienstrahlteiler für den Fern-Infrarot-Bereich der eingangs beschriebenen Art vorzustellen, der eine wesent­ lich höhere Effizienz als die bekannten Kunststoff-Folien­ strahlteiler aufweist und in dem interessierenden Wellenlän­ genbereich von λ < 25 µm möglichst keine Resonanzabsorptions­ banden hat.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Folienstrahlteiler aus fern-infrarot-transparentem undotiertem Halbleitermaterial einschließlich Kohlenstoff besteht. Die genannten Materialien weisen einen wesentlich höheren Brechungsindex auf als die Kunststoffe, aus denen die bekann­ ten Kunststoff-Folienstrahlteiler hergestellt werden und ab­ sorbieren in dem gewünschten Spektralbereich (Fern-Infrarot) kaum oder gar nicht. Dadurch besitzen die erfindungsgemäßen Folienstrahlteiler eine hohe Effizienz, wobei sie den mit ihrer Hilfe entstandenen Spektren im Fern-Infrarot-Bereich keine unerwünschten Strukturen durch etwaige Resonanzabsorp­ tionsbanden aufprägen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Folienstrahlteiler eine dünne, folienartige Silizium- oder Germaniumscheibe. Insbesondere Siliziumscheiben sind in dem gewünschten Dickenbereich relativ günstig im Han­ del erhältlich.

Zwar sind Strahlteiler aus Silizium bereits durch das US-Pa­ tent 4,632,553 an sich bekannt, jedoch handelt es sich bei den dort beschriebenen Strahlteilern um 0,5 bis 2 mm dicke, keil­ förmige Siliziumplatten. Aufgrund ihrer gegenüber dem erfin­ dungsgemäßen freitragenden Folienstrahlteiler um 2 bis 3 Größenordnungen höheren Dicke, den Reflexionsverlusten an der Oberfläche und der daraus sich ergebenden starken Absorption, weisen die bekannten Strahlteiler eine äußerst geringe Effi­ zienz auf, die im Fern-Infrarot-Bereich sogar noch unter der Effizienz der bekannten Kunststoff-Folienstrahlteiler liegt. Außerdem ist der Strahlengang durch die relativ dicken, keil­ förmigen Siliziumplatten nach der US-PS 4,632,553 mit dem Strahlengang durch eine dünne Folie mit einer optischen Dicke in der Größenordnung des interessierenden Wellenlängenbereichs überhaupt nicht vergleichbar.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann der erfindungsgemäße freitragende Folienstrahlteiler eine dünne, folienartige Dia­ mantscheibe enthalten.

Da Diamant einen Brechungsindex von n = 2,4 besitzt und für das Fern-Infrarot- Licht im wesentlichen transparent ist, weist ein derartiger Folienstrahlteiler eine bedeutend höhere Effizienz als die bekannten Kunststoff-Folienstrahlteiler auf.

Sowohl im Falle der Silizium- als auch der Diamantfolien rei­ chen die Fertigungstoleranzen für die Oberflächen-Flachheit der im Handel erhältlichen Folien für die optischen Zwecke zum Einsatz eines Folienstrahlteilers aus. Dabei ist zu bemerken, daß sowohl die oben erwähnten Siliziumfolien als auch die Dia­ mantfolien in einem jeweils völlig anderen technischen Zusam­ menhang entwickelt und bislang nie für optische Zwecke im Fern-Infrarot-Bereich eingesetzt wurden. Diamant wurde bisher noch nie als Strahlteilermaterial eingesetzt und auch der Ein­ satz von Halbleitermaterial allgemein im fernen Infrarot-Be­ reich in Form eines freitragenden Folienstrahlteilers geringer Dicke ist absolut neu.

Der erfindungsgemäße freitragende Folienstrahlteiler weist vorzugsweise eine Dicke d zwischen 2 µm und 125 µm auf. Er kann, wie auch die bekannten Kunststoff-Folienstrahlteiler, in Dickenabstufungen von d = 125 µm, 50 µm, 25 µm, 12 µm und 6 µm und darüberhinaus für besondere Anwendungszwecke auch in den Dickenabstufungen 4 µm, 3 µm und 2 µm hergestellt werden, wo­ bei die auf dem Markt erhältlichen, oben erwähnten Silizium- oder Diamant-Scheiben verwendet werden können.

Im Falle von Silizium- oder Germanium-Folienstrahlteilern wird eine Dicke von d ≈ 10 µm bevorzugt, im Falle des Diamant-Fo­ lienstrahlteilers eine Dicke von d ≈ 15 µm. Diese speziellen Dicken decken den für Messungen im fernen Infrarot interessan­ testen Bereich ab.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er­ läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen­ den Merkmale können bei anderen Ausführungsformen einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Anwendung finden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Strahlengang durch einen klas­ sischen Michelson-Interferometeraufbau;

Fig. 2a) ein Diagramm des theoretischen Effizienzverlaufs (R·T) über der Wellenzahl; und

Fig. 2b) die theoretische Abhängigkeit der Wellenzahl λ_max ^-1 bei der maximalen Effizienz von der Dicke d des verwen­ deten Strahlteilers.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten typischen Michelson-Interferome­ teraufbau trifft ein einfallender Strahl 2 unter etwa 30° bis 45° zur Oberflächennormalen auf den erfindungsgemäßen freitra­ genden Folienstrahlteiler 1 auf. Ein Teil des auftreffenden Strahls, im günstigsten Falle 50%, wird von der Oberfläche des Folienstrahlteilers 1 auf den Lichtpfad 3 reflektiert, trifft auf einen Spiegel 5 auf, von dem er auf dem Lichtpfad 3′ auf den Folienstrahlteiler 1 zurückreflektiert wird. Der Strahlteiler teilt das auf dem Lichtpfad 3′ ankommende Strahl­ bündel in einen reflektierten Teilstrahl, der den Interferome­ teraufbau in Richtung des Teilpfades bei 3′′ verläßt, sowie einen transmittierten Teilstrahl, der auf dem Lichtpfad 3′′′ auf einen Detektor 7 auftrifft. Der von dem Folienstrahlteiler 1 transmittierte Teil des auf dem Lichtpfad 2 einfallenden Bün­ dels wird auf dem Lichtpfad 4 auf einen Spiegel 6 und von da zurück auf dem Lichtpfad 4′ auf den Strahlteiler 1 gelenkt. Dort wird dieses Bündel wiederum in zwei Teilstrahlen aufge­ teilt, nämlich das auf dem Lichtpfad 4′′ den Interferometer­ aufbau verlassende transmittierte und das auf dem Lichtpfad 4′′′ auf den Detektor 7 gelenkte, vom Folienstrahlteiler 1 reflektierte Teilbündel.

Im theoretisch günstigsten Fall ohne Absorptions- und Streu­ verluste würde bei einer 50:50-Strahlteilung die Summe der Lichtintensitäten auf den Teilpfaden 3′′ und 4′′ und auf den Teilpfaden 3′′′ und 4′′′ jeweils 50% der Intensität des auf dem Lichtpfad 2 einfallenden Lichtbündels betragen. Allgemein wird die Effektivität eines solchen Strahlteilers mit dem Pro­ dukt aus der Reflexion R und der Transmission T definiert, wobei die Reflexion R = (n-1) : (n+1) lediglich vom Brechungs­ index n des Strahlteilermaterials abhängt. Die theoretisch maximal erreichbare Effizienz liegt daher bei (R·T)_theo 1/4 = 0,25.

Im Realfall werden bei bekannten Strahlteilern, wie beispiels­ weise dem oben beschriebenen, aus zwei KBr-Platten mit einer dazwischen aufgedampften Ge-Schicht bestehenden Strahlteiler bei jedem Durchgang durch eine der KBr-Platten ungefähr 4% pro Oberfläche an Lichtintensität pro Teilbündel durch Reflexion verloren. Die aufgedampfte Germanium-Schicht mit einer typi­ schen Dicke zwischen 0,2 und 0,5 µm trägt zwar demgegenüber praktisch nicht zur Absorption bei, jedoch werden auf diese Weise trotzdem bestenfalls nur reale Effizienzen (R·T)_real 1/4·(0,96)⁷ ≈ 3/16 ≈ 0,19 im nahen und mittleren Infrarotbe­ reich erreicht. Im Fern-Infrarot-Bereich hingegen ist die Ab­ sorption der Kaliumbromid-Platten derart hoch, daß diese be­ kannten Strahlteiler im Fern-Infrarot-Bereich nicht eingesetzt werden können.

Statt dessen werden im Bereich von λ < 25 µm bislang Kunst­ stoff-Folienstrahlteiler verwendet, deren Dicke bei d 6 µm und deren Brechungsindex bei n≈1,7 liegt. Wegen des relativ geringen Brechungsindex ist die Reflexion R und damit die Ef­ fizienz R·T dieser Kunststoff-Folienstrahlteiler allerdings sehr gering. Außerdem weisen sie störende Resonanzabsorptions­ banden gerade im Fern-Infrarot-Bereich auf, die die aufgenom­ menen Spektren enorm verzerren.

Im Gegensatz dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Folien­ strahlteiler 1 dünne, folienartige Scheiben aus fern-infrarot­ transparentem undotiertem Halbleitermaterial (einschließlich Kohlenstoff) eingesetzt. Der erfindungsgemäße Folienstrahltei­ ler 1 kann beispielsweise aus im Handel leicht erhältlichen Silizium-Folien oder Diamant-Folien mit Dicken d zwischen 2 µm und 125 µm bestehen. Auch der Einsatz von dünnen Germanium- Folien ist möglich.

In Fig. 2 a) ist der Zusammenhang zwischen der Effizienz R·T und dem Wellenzahl λ^-1 dargestellt. Bei einer bestimmten Wel­ lenlänge λ des im Spektrometer verwendeten Lichts, die einer Wellenzahl λ_max ^-1 entspricht, wird das theoretisch mögliche Maxi­ mum (R·T)_theo = 1/4 erreicht. Fig. 2 b) zeigt diese Wellenzahl λ_max ^-1 als Funktion der Dicke d des Folienstrahlteilers 1.

Für eine 50%- Teilung ergeben sich für Silizium- und Germa­ nium-Folienstrahlteiler aufgrund der entsprechenden Brechungs­ indizes (n_Si = 3,5; n_Ge= 4) Foliendicken von d≈10 µm. Bei einem Diamant-Folienstrahlteiler (n_Diamant = 2,4) ist eine Folien­ dicke d≈15 µm für einen 1 : 1-Folienstrahlteiler günstig.

Claims (6)

1. Freitragender Folienstrahlteiler, insbesondere zur Ver­ wendung in einem FTIR-Spektrometer für den Fern-Infrarot- Bereich, mit einer optischen Dicke in der Größenordnung des interessierenden Wellenlängenbereichs, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienstrahlteiler (1) aus fern-infrarot-trans­ parentem, undotiertem Halbleitermaterial einschließlich Kohlenstoff besteht.

2. Folienstrahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Folienstrahlteiler (1) eine dünne, folien­ artige Silizium- oder Germaniumscheibe enthält.

3. Folienstrahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Folienstrahlteiler (1) eine dünne, folien­ artige Diamantscheibe enthält.

4. Folienstrahlteiler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienstrahlteiler (1) eine Dicke d zwischen 2 µm und 125 µm aufweist.

5. Folienstrahlteiler nach Anspruch 2 und 4, dadurch geken­ nzeichnet, daß der Folienstrahlteiler (1) eine Dicke d von ca. 10 µm aufweist.

6. Folienstrahlteiler nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Folienstrahlteiler (1) eine Dicke d von ca. 15 µm aufweist.