DE4444786C2 - Interferenz-Bandpaßfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Interferenz-Bandpaßfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die eine geringe Feuchtigkeitsdrift auch über einen langen Zeitraum bei gleichzeitig und guter Transmission aufweisen.

Bekannte dielektrische Filter werden aus einem Schichtaufbau dielektrischer Schichten, die alternie­ rend hoch- und niedrigbrechend stapelförmig angeord­ net sind, gebildet. Die optische Dicke dieser Schichten ist dabei immer λ/4 der zentralen Wellen­ länge λ des Filters.

Üblicherweise werden diese Schichten symmetrisch um eine Abstandsschicht aus hoch- oder niedrigbrechendem dielektrischen Material angeordnet. Ein solcher Auf­ bau wird als Ein-Cavity-Filter bezeichnet. Die opti­ sche Dicke der Abstandsschicht ist dabei λ/2 der zen­ tralen Wellenlänge λ, sie kann aber auch in höherer Ordnung von λ/2 ausgeführt sein (McLeod, H.; Thin Film Optical Filters, 2. Aufl., Adam Hilgers Ltd., Bristol 1986). Ebenso ist es auch bekannt, Multi-Ca­ vity-Filter zu verwenden, bei denen mehrere solcher Systeme nacheinander angeordnet und mit Kopplungs­ schichten verbunden werden, vgl. hierzu bspw. die DD 263 836 A1.

Die Anordnung der hoch- und niedrigbrechenden Schich­ ten kann dabei entweder mit einer hochbrechenden Schicht H oder niedrigbrechenden Schicht L beginnend erfolgen.

Der Schichtstapel hat dabei z. B. für den Fall, daß der Stapelaufbau mit einer hochbrechenden Schicht beginnt und die Abstandsschicht HH ebenfalls aus hochbrechendem Material besteht, den folgenden Auf­ bau:

Außenmedium HLHL. . .HL HH LHLH. . .LHLH Außenmedium

Die doppelte Schichtdicke wird symbolisch mit dem dop­ pelten HH (oder LL für eine Abstandsschicht aus niedrigbrechendem Material) dargestellt.

Üblicherweise werden solche Filter durch Aufdampfung im Hochvakuum hergestellt (Pulker, H.K.; Coatings on Glass, Elsevier, 1984). Bei einer solchen Schichther­ stellung weisen die einzelnen Schichten Poren und damit eine geringere Dichte und Brechzahl gegenüber dem massiven Material auf (Gibson, Ion-Beam proces­ sing of Optical Thin Films, Physics of Thin Films, Vol. 13, 1987, S. 109-150).

Die Poren sind zwar im Vakuum leer, füllen sich je­ doch im Laufe der Zeit mit der in der Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit durch Kondensation. Dadurch verändert sich die Brechzahl und demzufolge auch die optische Dicke, was wiederum zur Veränderung der spektralen Lage des Transmissionsbandes des Filters führt. In der Praxis treten Verschiebungen im Bereich von etwa 2% auf. Eine solche Verschiebung schränkt die Einsatzmöglichkeiten stark ein. Besonders negativ ist eine solche Feuchtedrift bei schmalbandigen Mono­ chromator-Filtern, bei denen die Halbwertsbreite des Transmissionsbandes überschritten werden kann. Dabei ist die Halbwertsbreite die spektrale Breite des Durchlaßbereiches bei der halben Peaktransmission und die Peaktransmission die maximale Transmission im Durchlaßbereich.

Nach dem Stand der Technik hilft man sich damit, daß der Feuchtigkeitsaustausch durch Abschluß von der Umwelt verhindert werden soll. Dabei werden Dichtungsmittel zusammen mit Deckgläsern und Fassun­ gen verwendet, die jedoch den Herstellungsaufwand, die Größe und die Masse erhöhen. Trotz allem Aufwand gelingt es nicht, eine vollständige Isolation des Filters gegen die Umwelt zu erreichen. Die Feuchtig­ keit dringt schleichend in die Poren ein, und der Vorgang der Verschiebung der Durchlaßwellenlänge wird lediglich verzögert. Da die verschiedensten Einflüsse wirken, können diese nicht berücksichtigt oder gar kompensiert werden. Eine kontinuierliche oder in kur­ zen Abständen erfolgende Überprüfung eines solchen Filters ist die Folge, um ständig einschätzen zu kön­ nen, ob der Filter weiter verwendet werden kann oder nicht.

Eine weitere bekannte Möglichkeit, der Feuchtigkeits­ drift entgegenzuwirken, ist eine porenfreie Be­ schichtung. Hier werden Verfahren wie Sputtern oder - wie aus Gibson, Ion-Beam processing of Optical Thin Films, Physics of Thin Films, Vol. 13, 1987, S. 109-150 bekannt - ionengeschützte Beschichtungsverfahren verwendet. Solche Beschichtungsverfahren können zwar zu Schichten mit dichter Struktur führen, die wenig Feuchtigkeit aufnehmen, haben aber vielfach höhere optische Verluste als konventionell im Hochvakuum aufgedampfte Schichten, besonders im ultravioletten Spektralbereich. Geringe optische Verluste in der Abstandsschicht und den ihr benachbarten Schichten, sind aber eine notwendige Voraussetzung dafür, daß bei Filtern geringer Halbwertsbreite hohe Peaktrans­ mission erreicht werden. Somit sind mit ionenge­ stützten Bedampfungsverfahren zwar Filter hergestell­ bar, die frei von Feuchtedrift sind, aber vielfach erreichen diese Filter bei niedrigen Halbwertsbreiten keine hohen Peaktransmissionen. Dabei ist auch der relativ hohe technische Aufwand der ionengestützten Beschichtungsverfahren zu berücksichtigen.

Aus der DE 23 57 593 OS ist ein Interferenz-Viel­ schichtfilter mit breitbandigem Transmissionsbereich bekannt, bei dem die Sperrbänder höherer Ordnung teilweise unterdrückt sind und das eine periodische Schichtanordnung der Struktur ABCDDCBA aufweist, wo­ bei folgende Bedingungen zu erfüllen sind:

mit

x = n_A/n_B und

y = n_B/n_C

sowie

n_An_D = n_Bn_C.

Ein aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden Oxid­ schichten aufgebautes verlustarmes, hochreflektieren­ des Vielschichtsystem ist in der DE 23 36 049 be­ schrieben. Der dort beschriebene Schichtaufbau soll die Beständigkeit gegen erhöhte Temperatur bei Unter­ druck erhöhen. Für die Lösung wird angegeben, daß bei dem aus abwechselnd hoch- und niederbrechenden Oxid­ schichten aufgebauten Vielschichtsystem als nieder­ brechende Schichten absorptionsarme Oxide des Silizi­ ums verwendet werden und die hochbrechenden Schichten aus Titanoxid sind. Dabei sollen wenigstens die drei letzten, auf der von der Unterlage abgewandten Seite des Systems gelegenen hochbrechenden Schichten aus Zirkonoxid bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Interferenz-Band­ paßfilter, das aus dielektrischen Schichten gebildet wird, dahingehend zu verbessern, daß es gute Trans­ missionseigenschaften und kleinste Feuchtigkeitsdrif­ ten aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich mit den in den un­ tergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Filter sind die Schichten, die im Bereich um die Abstandsschicht angeordnet sind, aus Substanzen gebildet, die eine ausreichende spektrale Transparenz, günstige mechanische und che­ mische Eigenschaften sowie ein geeignetes Verdamp­ fungsverhalten aufweisen. Die Struktur weist dabei eine Dichte auf, die nur Poren zuläßt, die keine Feuchtigkeit aufnehmen können. Die Beschichtung kann in konventioneller Form durch Aufdampfen im Vakuum oder ionengestützt erfolgen. Auch die Abstandsschicht kann aus einer solchen Substanz mit einer Dicke von bevorzugt λ/2 der Durchlaßwellenlänge gebildet sein.

An die Schichten, die im Bereich der Abstandsschicht angeordnet sind, wird nicht die Forderung gestellt, daß sich die Brechzahlen benachbarter Schichten stark unterscheiden. Im Gegensatz dazu sollen die Schich­ ten, die im nach außen weisenden Bereich des Filters angeordnet sind, eine große Brechzahldifferenz bei benachbarten Schichten aufweisen. Bei diesen Schich­ ten werden nicht so hohe Anforderungen an die Dichte ihrer Struktur in bezug auf Poren und damit auf die Resistenz gegen Aufnahme von Feuchtigkeit gestellt. Auch bezüglich der spektralen Transparenz werden an diese Schichten geringere Anforderungen gestellt als an die Schichten im Bereich der Abstandsschicht.

Die stark verringerte Feuchtigkeitsdrift - auch über einen langen Zeitraum - ergibt sich dadurch, daß die durch die Veränderung der optischen Dicke einer Schicht hervorgerufene Beeinflussung der Wellenlänge des Transmissionsbandes des Filters bei der Abstands­ schicht am stärksten ist und von Schicht zu Schicht sukzessive abnimmt, je weiter eine Schicht von der Abstandsschicht entfernt ist. Die im erfindungsgemä­ ßen Filter weiter außen liegenden Schichten, bei de­ nen die Feuchtigkeitsdrift zugelassen ist, beeinflus­ sen die Filterwellenlänge nur geringfügig.

Ausreichend gute Filtereigenschaften - hohe Peak­ transmission bei kleiner Halbwertsbreite - ergeben sich dadurch, daß optische Verluste (d. h. kleinere spektrale Transparenz) einer Schicht die Filtereigen­ schaften um so weniger negativ beeinflussen, je wei­ ter die Schicht von der Abstandsschicht entfernt ist. Die weiter außen angeordneten Schichten beeinträchti­ gen die Filtereigenschaften auch bei relativ starken optischen Verlusten nicht so stark.

Werden die inneren Schichten, wie bereits be­ schrieben, mit äußerst geringer Porosität erzeugt, kann ein Filter mit ausreichend guten Parametern bei gleichzeitig geringster Feuchtigkeitsdrift erhalten werden, wenn dabei die äußeren Schichten aus Substan­ zen gebildet werden, die zwar die Poren aufweisen, die Feuchtigkeit aufnehmen können, aber ein höheres Brechungsverhältnis aufweisen, um

• - die Zahl der erforderlichen Schichten so klein wie möglich zu halten,
• - dabei die gewünschte Halbwertsbreite der spek­ tralen Transmissionsbande zu unterschreiten und
• - bei vorgegebener Schichtenzahl die Transmission außerhalb der Transmissionsbande so klein wie möglich zu halten, wobei
• - gleichzeitig die Bereiche niedriger Transmission neben der Transmissionsbande des Filters in bei­ de Richtungen verbreitert sind.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Diagramm die Transmissionsverläufe eines erfindungsgemäßen Filters für eine Wellenlänge von 1000 nm im trockenen und feuchten Zustand im Wellenlängenbereich von 970 nm bis 1030 nm;

Fig. 2 in einem Diagramm die Transmissionsverläufe eines erfindungsgemäßen Filters für eine Wellenlänge von 1000 nm im trockenen und feuchten Zustand im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1200 nm;

Fig. 3 in einem Diagramm die Transmissionsverläufe eines herkömmlichen Filters für eine Wel­ lenlänge von 1000 nm im trockenen und feuchten Zustand im Wellenlängenbereich von 970 nm bis 1030 nm, und

Fig. 4 in einem Diagramm die Transmissionsverläufe eines herkömmlichen Filters für eine Wel­ lenlänge von 1000 nm im trockenen und feuchten Zustand im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1200 nm.

Allgemein soll ein 1-Cavity-Filter mit einem erfin­ dungsgemäßen Aufbau beschrieben und in einer klar­ stellenden Schreibweise wiedergegeben werden.

AM 1 S(-m). . .S(-2) S(-1) S(0) S(1) S(2). . .S(m) AM 2

Dabei ist S(0) die Abstandsschicht, und die negativ numerierten Schichten S sind hier links und die po­ sitiven rechts von dieser - also im Strahlengang vor und nach ihr - angeordnet. Dabei werden diese alter­ nierend aus Materialien mit niedriger Brechzahl n_L und hoher Brechzahl n_H aufgebracht. So sind bei­ spielsweise Schichten mit gerader Nummer hochbrechend und mit ungerader niedrigbrechend oder umgekehrt.

Erfindungsgemäß sind die Schichten mit niedriger Num­ mer aus Substanzen, die eine große Strukturdichte mit kleinster Porosität aufweisen, gebildet. Dabei wird ein kleineres Brechungsverhältnis zwischen den be­ nachbarten hoch- und niedrigbrechenden Schichten zu­ gelassen. Dagegen sind die Schichten mit den großen Nummern aus Materialien mit einem größeren Brechungs­ verhältnis und zugelassenermaßen größerer Porosität gebildet.

Beispielsweise können die äußeren Schichten aus ZrO₂ als hochbrechendes und SiO₂ als niedrigbrechendes Material gebildet sein. Für die inneren Schichten und auch die Abstandsschicht können Al₂O₃ als hoch­ brechendes und MgF₂ als niedrigbrechendes Material verwendet werden. Dabei kann die Abstandsschicht aus Al₂O₃ oder MgF₂ bestehen.

Nachfolgend soll ein aus vier Substanzen aufgebautes Filter beschrieben werden. Es kann jedoch auch mit drei geeigneten Substanzen ausgebildet sein, wenn eine entsprechende Kombination hoch- und niedrigbre­ chender Substanzen gewählt wird. Beispielsweise kann bei der Erzeugung der inneren Schichten ein anderes Beschichtungsverfahren für eines der Schichtmateria­ lien benutzt werden, um dichtere Strukturen als bei den äußeren Schichten zu erhalten.

Das beispielhaft durchgerechnete Filter mit den vier Substanzen A bis D, deren Parameter,

• - Realteil der Schichtbrechzahl n im trockenen Zustand,
• - der Feuchtefaktor f - Quotient der Realteile der Schichtbrechzahlen im feuchten und trockenen Zustand (f=1 ist dabei totale Feuchtestabilität, wohingegen f<1 die optische Dicke der Schicht durch Feuchtigkeitsaufnahme im entsprechenden Verhältnis erhöht) und
• - der Imaginärteil der Schichtbrechzahl k, der für die optischen Verluste steht,
  in nachfolgender Tabelle aufgeführt sind.
  

Das aus den genannten Substanzen A bis D bestehende Filter hat dabei folgenden Schichtaufbau:

M1 (AB)⁴ (CD)⁴ C C (DC)⁴ (BA)⁴ M2

A, B, C, D stehen für je eine λ/4-Schicht aus der entsprechenden Substanz. Die Exponenten an den Klam­ mern geben die Anzahl der sich wiederholenden Peri­ oden der in der Klammer genannten Schichtpaare an. Es sind demzufolge anschließend an das Außenmedium M1 erst vier Schichtpaare AB, dann folgend wieder vier Paare CD, dann die aus dem Substanz C gebildete Ab­ standsschicht CC mit einer Dicke von λ/2 angeordnet und im Anschluß - gespiegelt dazu - der gleiche Schichtaufbau auf der anderen Seite der Abstands­ schicht erzeugt. Bei der Berechnung des spektralen Transmissionsverlaufes, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wurde jeweils von einer Brechzahl 1,5 für die Außenmedien M1 und M2 ausgegangen.

Den Fig. 1 und 2 sind die Transmissionsverläufe für ein so ausgeführtes Filter im trockenen und feuchten Zustand zu entnehmen. Dabei wurde in der Fig. 2 lediglich der dargestellte Bereich ver­ größert, um auch das Verhalten im Bereich jenseits der Wellenlänge von λ₀ = 1000 nm erkennen zu können.

Im Gegensatz dazu ist den in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellten Diagrammen der Transmissionsverlauf für ein herkömmliches Filter mit folgendem Schichtaufbau

M1 (AB)⁷ A A (AB)⁷ M2

zu entnehmen. Dabei sind ein deutlich schlechteres Verhalten bei Feuchtigkeit (eine Abdrift von 2%) so­ wie geringere Maximaltransmission bei größerer Halb­ wertsbreite erkennbar.

Claims (7)

1. Interferenz-Bandpaßfilter, bei dem in Cavity-Anordnung auf beiden Seiten einer Abstands­ schicht mehrere Paare von λ/4-Interferenzschich­ ten mit abwechselnd hohem und niedrigem Bre­ chungsindex angeordnet sind, wobei λ die Bezugs­ wellenlänge ist, die das Filter transmittieren soll, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Abstandsschicht angrenzenden In­ terferenzschichtpaare aus Materialien mit gerin­ ger Feuchtesorption und mit geringen optischen Verlusten bestehen, während die außen liegenden Interferenzschichtpaare aus Materialien höherer Feuchtesorption mit großer Brechzahldifferenz bestehen.

2. Interferenz-Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei verschiedene Schichtmaterialien A, B und C Schichtpaare AB, AC oder BC bilden.

3. Interferenz-Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier verschiedene Schichtmaterialien A, B, C und D Schichtpaare AB und CD bilden.

4. Interferenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtpaare periodisch aufeinanderfolgend einen ersten, an die Abstandsschicht angrenzenden Schichtstapel und einen zweiten, außen liegenden Schichtstapel bilden.

5. Interferenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsschicht aus einer Substanz geringer Feuchtesorption ist.

6. Interferenz-Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsschicht und die Schichtpaare mit geringer Feuchtesorp­ tion aus Al₂O₃ als hochbrechendem Material und aus MgF₂ als niedrigbrechendem Material und die außen liegenden Schichtpaare aus ZrO₂ als hoch­ brechendem Material und aus SiO₂ als niedrigbre­ chendem Material bestehen.

7. Interferenz-Bandpaßfilter nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Schichten ionengestützt aufgebracht sind.