-
Widerstandsfähiges Interferenzlichtfilter Gegenüber den Absorptians-
und Dispersnonsfiltern haben die Interferenzlichtfilber einige Fortschritte gebracht.
Diese. Filter bestehen bei einer bekannten Ausführung aus einer Vereinigung von
nichtleitenden Schichten mit verschiedener Brechzahl und Schichtstärken in, der
Größenordnung der Wellenlänge des durchzulassenden Lichtes; hierbei wird durch Interferenz
der an den Grenzflächen der verschiedenen Schichten reflektierten Lichtanteile eine,
Verstärkung oder Schwächung der reflektierten oder durchgelassenen Lichtanteile
j e nach der Wellenlänge erreicht. Es ist weiterhin schon vorgeschlagen worden,
zwei oder mehrere dünne teildurchlässige reflektierende metallische Schichten. mit
nichtmetallischen Zwischenschichten. auf einean Träger aufzubringen, wobei die Stärke
dieser Zwischenschichten in der Größenordnung derWellenlänge des durchzulassen.-den,
Lichtes liegt. Hierbei treten, Interferenzen. der an den metallischen Schichten
zum Teil mehrfach reflektierten. Lichtanteile auf, die Verstärkungen und Schwächungen
gewisser Wellenlängenbereiche bewirken. Ebenso- wurde vorgeschlagen, zur Re flexionsverminderung
eine Schicht aus einem festen Metallfluor-id aufzubringen, die durch einte weitere
Schicht, z. B. Quarz, mechanisch. geschützt wird, wobei beide: Schichten etwa eine
Viertelwellenlänge dick sind. Oder es wurden dünne
Glimmerplättchen
rückseitig spiegelnd und vorderseitig halbdurchlässig versilbert, um schöne »Farbeffekte«
zu erzielen.
-
Der Hauptnachteil dieser Interferenzlichtfiltex besteht in dem zu,
geringen Unterschied der Intenr sitäi dieser beiden. Lichtanteile oder in großen
Lichtverlusten im durchzulassenden Wellenlängen, gebiet oder, wenn die Lichtausbeute)
in diesem Gebiet groß ist, in der ungenügenden Unterdrückung der zurückzuhaltenden
Lichtanteile. Ein, weiterer Nachteil dieser Schichten besteht darin, daß sie zur
Erzielung genügender Haltbarkeit auf eine Unterlage aufgebracht werden. müssen,
die in den durchzulassenden Wellenlängengebieten nicht absorhieren darf, also nicht
beliebig gewählt werden kann. So, muß beispielsweise für das langwellige Ultrarot
Steinsalz als Unterlage verwandet werden; hierdurch wird die Handhabung des Filters
erschwert. Es wäre ein großer Fortschritt, wenn es gelänge, vom: solchen empfindlichen,
teils hygro,-skopischen Substanzen frei zu werden.
-
Wo, aber diese Schichten wie Glimmer einseitig voll spiegelnd, einsaitig
halbdurchlässig spiegelnd waren, ergaben sie zufällige Abschwächung oder Verstärkung.
-
Die vorliegende: Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, ein
haltbares und handliches In.terferenzlichtfilter zu schaffen, das. trotz starker
Schwächung der unerwünschten Wellenlängenbereiche eine hohe Lichtausbeute in dem
gewünschten Bereich ergibt.
-
Erfindungsgemäß wird dsiese Aufgabe grundsätzlich in folgender Weise
gelöst: Auf eine voll reflektierende Schicht z. B. aus Aluminium wird eine Schicht
aus einem niederen Siliziumoxyd aufgebracht und darauuuf eine teilweise reflektierende,
teilweise durchlässige Schicht. Beide Schichten reflektieren also das einfallende
Licht. Wählt man. nun diie Dicke der Zwischen, schiebt so, daß die an den beiden
Schichten reflektierten Amplituden einen Gangunterschied von, einer- halben Wellenlänge
für eine bestimmte, vorher gewählte Wellenlänge ergeben, so@ wird diese Wellenlänge
weitgehend ausgelöscht. Dabei kann man, die teilweise Durchlässigkeit der oberen
reflelctierenden Schicht so wählen,, daß die gewünschte Wellenlänge vollständig
ausgelöscht wird. Alle anderen Wellenlängen werden. also. reflektiert. Das Filter
ist aJso@ ein Reflexionsfilter, kann, also aus beliebigem Material hinter der reflektierenden
Schicht bestehen.. Die Erfindung bedeutet, daß das Trägermaterial nicht mehr eingeht
in dliie Eigenscha,ften des Filters, daß seine Eigenschaften ausschließlich durch
die aufgebrachten, Schichten bestimmt ward. Damit gelingt es z. B. bei Filtern.
(Reflexionsfiltern,) für das langwellige! Infrarot, vom unbequemen Steünsadz als
Trägermateu-ial frei zu werden.
-
Diese allgemeine Lösung ergibt in der, praktischen Ausführung beispielsweise
folgenden Sohichtenaufbau: Auf einem poliertem, Träger beliebiger Art, beispielsweise
Glas, ist ein, Metall aufgebracht,. das in dem gewünschtem: Wellenlängengehiet ein
möglichst hohes Reflexionsvermögen besitzt; außerdem hat dieses Metall eine Schichtstärke,
diie praktisch kein Licht dieser Wellenlängen. durchläßt, um unnötige Lichtverluste
zu vermeiden. Hierauf ist eine in denn; gewünschten Wellenlängenbereich durchsichtige
nichtine!tallische Schicht aus einem niederem. Siliznumoxyd aufgebracht. Um die
breitasemöglichaAus.löschung des unerwünschten Lichtes durch Interferenz zu erzielen,
wird die Stärke dieser Schicht so gewählt, daß die beiden Amplituden., deren; Interferenz
gewünscht ist, einen Gangunterschied von einer halben Wellenlängei oder eines, ungeraden
Vielfachen davon besitzen,. Dann ist hierauf noch eine teildurchlässige reflektierende
Schicht aufgebracht. Diese reflektierende Schicht kann entweder eine teildurchlässige
dünne Matallsahncht sein, und zwar vorzugsweise aus dem gleichen Metall, aus dem
die vollkommen reflektierende metallische Unterlage besteht, oder aber ein lichtdurchlässiger
Stoff -mit höherer Brechzahl. Die reflektierende Schicht muß, wie schon gesagt,
so, gewählt werden, daß die an den beiden reflektierenden Flächen reflektierten
Strahlen; etwa, gleich großeAmpliitudlen besitzen, wobei natürlich noch die Mehrfachreflexionen
zu berücksichtigen sind!. Diese: Ab, stimmung der Amphtudengröße kann. man im vorliegenden
Fall durch eine dünne metallische teildurchlässige Schicht erreichen, bei einer
durchlässigen. Schicht höherer Brechzahl dadurch, daß man die Brechzahl und Dicke
der Schicht entsprechend wählt. ' Für die reflektierenden Scbichtent lassen sich
im ultraroten Spektralgeb!i@et praktisch alle Metalle verwenden, da hier das Reflexionsvermögen
fast durchweg sehr hoch liegt. Im ultravioletten und sichtbaren Gebiet werden Aluminium
und seine Legierungen benutzt. Will man im sichtbaren. Gebiet das Äußerste erreichen.,
dann verwendet man Silber.
-
Wenn für die äußere reflektierende teildurchlässige Schicht Stoffe
verwendet werden., d.ie gegen ,,korrodierende Einwirkungen der Umgebung, beispielsweise
atmosphärische Einflüsse, und gegen mechanische Beschädigungen empfindlich sind,
ist es zweckmäßig, eine nichtmetallische Schutzschicht aufzubringen, die ausreichende
Ko,rro,sio@nsfes.tigkeit und mechanische Beständigkeit aufweist. Die dadurch bedingte
Veränderung der reflektiertem. Amplitude kann. im gesamten Reflexionsvermögen leicht
berücksichtigt werden.. Das, Aufbringen einer solchen Schutzschicht, die z. B. aus
eineue niederen Oxyd des Siliziums bestehen kann, ist eine an sich bekannte: Maßnahme,
die hier, nur in Verbindung mit dem anderen Filterscbnchten behandelt werden soll,
weil sie hier neues Gewicht und. Bedeutung erhält.
-
Die metallischen und nichtmetallischen Schichten werden nach an sich
bekannten chemischen oder physikalischem. Verfahren aufgebracht. Das Aufdampfen
, im Vakuum besitzt den. Vorteil, daß die Herstellung der Filter in einem Arbeitsgang
erfolgen kann, indem nacheinander die verschiedenen
Schichten. im
gleichen Vakuumkessel aufgedampft werden.. Für die Herstellung der Metallschichten
läßt sich aber auch die Ka,thodenzerstäubung und für die Herstellung dar vollständig
reflektierenden Unterlage auch die galvanische Abscheidung auf einer metallischen
Unterlage anwenden..
-
Da die- Berechnung der zur Erzeugung maximaler Auslöschung günstigsten
Schichtstärken der nichtmetallischen Zwischenschicht und: der teiildurchlässigen
metallischen Schicht ziemlich umständlich ist und außerdem die genaue Kenntnis der
optischen Konstanten der beteiligten. Stoffe voraussetzt, verschafft man seich einen:
restlosen Überblick über alle Möglichkeiten der Interferenz durch folgenden Versuch:
Man. dampft auf eine vollkommen reflektierende Unterlage zuerst einen Keil aus einem
Stoff auf, aus dem die, nichtmetallische Zwischenschicht bestehen soll, und dann
quer zu diesem einen, Keil aus dem Metall, das die teildurchlässige Schicht ergeben
soll. Man erhält auf diese Weise unter allen Umständen. sämtliche Kombinationen,
von Schichtstärken: der nichtmetallischen Zwischenschicht und der teildurchlässigen
metallischen Schicht und kann leicht den Punkt ermitteln, bei dem die gewünschte
Filterwirkung erreicht wird. Die Bestimmung der Dicke der einzelnen Schichten in
lern übereinander gedampften Verband ist nur schwer möglich. Es. ist deshalb zweckmäßig
nach dem Aufdämpfen der ersten Schicht an passenden: Stellen, die Dicke des aufgedampften
Keiles zu ermitteln und einige Stellen durch neu eingelegte kleinere Probekörper
abzudecken und. an diesen Stellen dann die Schichtstärkenverteilung der zweiten
Aufd;ampfung zu bestimmen. Durch dieses Verfahren erhält man einen Überblick über
alle Möglichkeiten der Interferenz für die verschiedenen: Filterwirkungen. Man erhält
also durch diesen Versuch Hinweise auf die günstigste Kombination für das; ultraviolette,
das sichtbare und das ultrarote Spektralgebiet. Bei: der Fabrikation selbst ist
es zweckmäßig, diel Aufdampfung durch Licht der auszulöschendenWellenlänge optisch
zu kontrollieren.
-
Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Reflexionsvermögens von der
Wellenlänge bei einem Filter der Erfindung. Bei diesem ist auf eine Glasplatte als
Träger Reinaluminium in einer Dicke aufgedampft, die praktisch kein Licht mehr durchläßt,
und hierauf als nichtmetallische Zwischenr schicht ein niederes. Oxyd des Silii,ziums
(»Siliziummo@noxyd«). Als dritte, teildurchlässige Schicht ist Aluminium aufgedampft.
Der Gangunterschied zwischen. der ersten und zweiten reflektierten Amplitude beträgt
hierbei etwa zweimal i77(> A.. Die Dicke der teildurchlässigen Aluminiumschicht
bewegt sich nur in, der Größenordnung. von ioo A. Das Maximum der Reflexion Biegt
bei 2750-A. (A in der Abbildung) ; das Minimum der Reflexion befindet sich bei 5500A.
(C in der Abbildung) und liegt dort unter i °/o. In diesem Wellenlängengebiet wird
also praktisch vollkommene Auslöschung erreicht. Die Breite des. unterdrückten Spektralbereiches
ist überraschend groß, die innerhalb einer Oktave reflektierte Intensität beträgt
rund 6,5 0/0 des eingestrahlten Lichtes. Trotz seines hohen: Reflexionsvermögens
im UV ist also der Spiegel im Sichtbaren nahezu vollkommen schwarz. Durch Veränderung
der Schichtdicke der nichtmetallischen Zwischenschicht läßt seich das Maximum beliebig
verschieben,. Während nach dem langwelligeren Gebiet zu das Licht fast völlig zurückgehalten
wird, treten nach dem kurzwelligeren Gebiet bei einem Einzelfilter in bestimmten.Abständen
neue Maxima und Minima auf, die aber immer schmäler werden. Wünscht man nun. für
eine bestimmte Wellenlänge ein besonders schmales Minimum, dann läßt sich dies jederzeit
durch geeignete Wahl der Schichtstärke auch für diese Wellenlänge erreichen, indem
man die zu untersuchende Stelle auf ein zweites (D in der Abbildung) oder drittes
Minimum legt. Bemerkenswert ist, daß das nach dem ersten Mniinurn nach kürzeren
Wellenlängen zu liegende erste MaximumA auf halber Wellenlänge liegt, während das
nach längeren Wellenlängen zu: benachbarte Maximum Bim Unendlichen, ist.
-
Um besonders steile Flanken in der Filterwirkung zu erreichen, kann,
miau: auf das. Verfahren zurückgreifen, das. man bei den Reststrahlen; anwendet.
Man läßt also das auszufilternde Licht in Mehrfachreflexion an; den Reflexionsfiltern
reflektieren. Andererseits ist es möglich, durchÄnderung der einzelnen Auslöschungsstellen
sehr breite Gebiete vollkommen zur Aus.löschung zu bringen, während von einer bestimmten
Grenze an nach dem langwelligen Gebiet zu Reflexionsvermögen voirhanden ist. Eine
Verschiebung des Maximums ist außerdem auch durch Veränderung des Einfallwinkels,
des zu filternden Lichtes möglich. Eine wesentlich geringere Abhängigkeit vom Einfallswinkel
läßt sich erzielen., wenn: das Dielektrikum eine höhere Brechzahl besitzt. Die Brechungszahl
der dielektrischen Schicht, die für, die Interferenz verantwortlich ist und aus
einem niederen Oxyd des Siliziums besteht, ist in gewissem Grade dadurch beeinflußbar,
daß man, das, Herstellungsverfahren entsprechend wählt. Dadurch hat man, es in der
Hand, die Winkelabhängigkeit des Filters in gewissem Grade zu beeinflussen. Die
obe nr genannten, Werte, die in der Zeichnung wiedergegeben sind, wurden mit einem
Einfallswinkel von 85° beobachtet. Die theoretischen Werte liegen etwas über der
in der Abbildung als praktisches Beispiel gezeigten Kurve, weil das benutzte, niedrere
Siliziumoxyd und die darauf befindlichen beeiden Schichten, immer eine gewisse,
geringe Absorption aufweisen. Da die zwischengeschalteten nichtrnetallischen Schichten
dünn sind, fällt es nicht besonders ins. Gewicht, wenn: sie noch, eines geringeAbsorption
für das. durchzulassende Licht aufweisen. Besonders, günstig ist der Fall, daß der
auszulöschende Wellenbereich mit einem Absorptionsbereich der Zwischenschicht aus
einem niederem, Siliziumoxyd zusammenfällt.
-
Die neuen Filter bringen den bedeutenden Fortschritt, d.aß mit einer
beschränkten Anzahl von Stoffen, d. h. einer Zwischenschicht aus niederem
Siliziumoxyd,
einer to@tälreflektxereniden und einer halbdurchlässigen Metadlsah;ieht und einer
dünnen., durchlässigen Schutzschicht eine Filterwirkung in beliebigen. Spektrasberenchen
erzielt wird. Und eine solche Filterwirkung kann erzielt werden selbst in Bereichen,
wo,' diie beteiligtem Stoffe optisch inaktiv, d. h. praktisch durchlässig sind.
Die Intensität des das Filter verlassenden. reflektierten Lichtes liegt dabei vergleichsweise
hoch. Von nach größerer Bedeutung ist aber der Umstand, daß das zurückzuhaltende
Licht völlig ausgelöscht werden, kann, eine Erscheinung, die mit anderen Filterarten
bereits aus theoretischen Gründen nicht zu eirreichen ist. Der stabile Aufbau deis
Filters ermöglicht in der Praxis eine einfache und betriebssichere Handhabung und
gestattet technische Anwendungen, bei denen. z. B. auch. hohe Lichtintensitäten
eines bestimmten Spektralbereiches ausgestrahlt werden sollen, beispielsweise bei
Reflektoren - z. B. auch für das ultrarote Gebiet - oder Beleuchtungsgeräten. Da
der unterdrückte Wellenlängenhereich überraschend groß ist, wird beispielsweise
bei. der Anwendung als UV-Filter das ganze sichtbare und ultrarote Gebiet weitgehend
reflektiert, während die im UV- auszulöschende Wellenlänge quantitativ vernichtet
wird, wodurch eine vorteilhafte Anwendung in Strahlungsgeräten, wie UV-Strahlern,
ermöglicht ist.