HU188519B - Interference mirror of high reflection for several spectrum band - Google Patents

Description

(57) KIVONAT X(nm)

A találmány tárgya interferenciatükör több spektrumsávra magas reflexióval, amely tükör egy alapból és arra felvitt váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportokból áll, ahol a nemfémes, optikailag kis veszteséggel kiképzett 2—9 réteg úgy van egymás felett elhelyezve, hogy a nagy és a kis törésmutatójú rétegek váltakozva vannak elhelyezve.

A találmány lényege abban van, hogy az egymással szomszédos azonos vagy különböző módon kiképzett rétegcsoport között egy vagy több nemfémes csatolóréteg van elhelyezve, és a rétegcsoportok egyes rétegeinek optikai vastagsága a λ₀ hullámhossznak 1/4 részére van megválasztva, és a nemfémes csatolórétegek vastagsága λ₀ /4-nek egész számú többszöröse.

188 519

A találmány tárgya interferenciatükör, mely több, egymástól különálló spektrumsávra nagy reflexióval van kialakítva, és a fényt ezekben a spektrumsávokban kis elnyelési és szórási veszteséggel veri vissza. Ilyen tükröket elsősorban olyan optikai berendezéseknél alkalmaznak, ahol több, egymástól leválasztott spektrumvonalnak vagy spektrumsávnak a lehető legkisebb veszteséggel kell tükröződnie. Egyik legfontosabb alkalmazási terület a gázlézerekben alkalmazott rezonátortükör, amely gázlézer több lézer-hullámhosszal működik, és ahol az elnyelési és a szórási veszteségek a különböző hullámhoszszúságok kimenő teljesítményeiben igen kicsik kell legyenek.

Ismeretesek olyan nagy visszaverőképességű tükrök, amelyek az interferencia elven működnek, és amelyek váltakozó rétegekből kialakított rendszerként vannak kialakítva, ahol a rétegek váltakozva nagy és kicsi törésmutatóval rendelkeznek, a veszteség kicsi, és a rétegek nem fémből vannak kialakítva, és a kiképzett rétegek egy tükörtest felületére egymás felett vannak kialakítva. A rétegek optikai vastagsága a maximálisan visszavert λ_π1 hullámhosszúságnak az 1/4-re van megválasztva, és a rétegek száma a nagy reflexió érdekében igen nagy kell legyen. Erről ír például a Physik 142. száma a 21—41 oldalon, amely Physik 1955-ben jelent meg. Az ilyen jellegű, jól reflektáló interferenciatükröknek hiányossága az, hogy - eltekintve a magasabb interferenciarendekböl a kívánt magas reflexió csak egy igen szűk spektrumtartományban érhető el, amely spektrumtartomány a λ,_η hullámhosszúság közelében van. Olyan hullámhosszúságú fénysugarak reflexiója, amelyeknek hullámhosszúsága X_m közvetlen környezetén kívül esik, ezekkel az interferenciatükrökkel nem reflektálható.

Ugyanebben az irodalmi forrásban olyan interfereneiatükrök is ismertetve vannak, amelyeknél a rétegszám kicsi, és amelyek szélesebb reflexiótartománnyal rendelkeznek, amelyeknek azonban hátránya, hogy a reílexiós hatásfoka kicsi. Azok a tükrök, amelyek magas reflexióval rendelkeznek, cs szélesebb vagy több spektrumsávra egyaránt jó reflexiót biztosítanak, szintén ismertek. Ezek a tükrök úgy vannak kialakítva, hogy különböző váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportokat tartalmaznak, ahol a rétegek száma nagy, és ezeknél a nagy reflexiót vagy az üveglapnak, vagy annak a felületnek, amelynek segítségével a rétegek fel vannak vive, eülső vagy háíulsó oldalán elhelyeze rétegekkel érik el. Az egyes váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportok különböző λ/4 optikai vastagságra vannak méretezve, és mind a különböző sávszélességekben maximálisan re flektálandó hullámhosszúság λ_ιη1, λ_ηι2...λ_ιηη sávszélességhez vannak illesztve. Erről olvashatunk az Optics of Thin Films című könyvben, amely Londonban jelent meg 1976-ban, valamint a 141 659 számú szovjet szerzői tanúsítványban, valamint a 417 997 számú svájci szabadalmi leírásban.

Hátránya ezeknek a tükröknek, hogy az egyes spektrumsávoknak a fénye, amely spektrumsávok a váltakozó rétegekből felépített rétegcsoport mélyebb rétegeiben vagy rétegcsoportjaiban verődnek vissza, más spekirumsávokon is át kell haladniuk, és elnyelési és szórási veszteségük elég nagy. Azokhoz a fénysugarakhoz képest, amelyek a fény beesési irányára vonatkoztatva a legelső, illetőleg legfelső váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportról reflektálódnak. Ennek tehát az eredménye az, hogy a több reflexiósávban különbözőek lesznek az el2 nyelési és szórási veszteségek, vagyis egy magasabb reflexió mindegyik tartományban nem valósítható meg.

Annak érdekében, hogy a reflektált sáv kellően széles legyen és az átmenet a reflexióssáv és az áteresztési tarto5 mány között megfelelően meredek legyen, interferencia szűrőket szokás alkalmazni, amelyeknek lényege az, hogy a két különböző rétegcsoport között, amelyeknek reflexiós hatásfoka nagy, úgynevezett átmeneti réteg van elhelyezve. Ilyen elrendezést ismertet a 458 780 számú q svájci szabadalmi leírás. Ezeknek az elrendezéseknek hiányossága, hogy jóllehet a spektrum tartomány széles, és a transzmisszió alacsony, a gyakorlat azonban azt mutatta, hogy az abszorpciós veszteség nagy, és magas reflexió nem érhető' el.

Ismeretes továbbá egy egyszerű csatolt sávszűrőrendszer, amely tisztán dielektromos rétegekből, vagy pedig fém cs dielektromos rétegek kombinációjából áll. Erről ír az Optics of Thin Films című könyvében John Wiley a 162—177 oldalon (London, 1976). Ezeknek a sávszűrőknek az a feladata, hogy egy nagy átviteli tényezőjű sávszűrői hozzanak létre, amelyeknek mindkét oldalához kis átviteli tényezőjű zárótartományok vannak csatlakoztatva. Ezeknek az elrendezéseknek is hiányossága az, hogy a zárótartomány okban a záróhatás a reflexió mellett szintén a réteg abszorpciós hatásán alapul. A fent említett irodalmi forrásban a sávszűrőnek működésével és előállításával kapcsolatosan nem találhatunk semmiféle kitanítást, amely arra vonatkozna, hogy az ilymódon előállított rétegrendszerek az ismert interferencia tükrökhöz képest mennyivel előnyösebbek, és hogy két spektrumsávra vonatkozó tükörként alkalmazhatók-e.

Ismeretes még magasabb interferenciarenddel rendelkező váltakozó rétegekből kiképzett rétegrendszer is, amelyeknek célja, hogy több tartományban magas reflexiót hozzanak létre. Erről ír a Glastechnik 195bben kiadott száma a 24. kötet, 147-148 oldalakon, valamint a 381 055 számú szovjet szerzői tanúsítvány. Ezeknek az a hiányossága, hogy az interferenciarendnek megfelelő részrétegek optikai vastagsága nagy kell legyen. Ez a gyakorlatban a teljes rendszerre vonatkoztatva igen nagy össz-szélességhez vezet, és ennek eredménye az is, hogy a vastagabb részrétegeknél az abszorpciós és a fényszórási veszteség is nagyobb. Ezen túlmenően pedig az ilyen rétegrendszereknek a mechanikai szilárdsága is csekély.

Λ találmány célul tűzte ki, hogy a bevezetőben ismertetett hiányosságokat oly módon küszöbölje ki, hogy olyan interferenciatükröt hozzon létre, amely egyidejűleg alkalmas több, egymástól leválasztott spektrumsávban történő magas reflexió megvalósítására úgy, hogy az abszorpciós és a fényszórási veszteségek kicsik lesznek.

A találmány feladatául tűzte ki, hogy réteges elrendezésű interferenciatükröt hozzon létre, amelynél az abszorpciós és fényszórási veszteségek a különböző spektriunsávokban a mélyebben fekvő rétegekben nem növekednek, és ugyanakkor a réteges elrendezés összvastagsága kicsi marad.

A találmány tárgya ínterferenciatükör több spektrumsávra nagy reflexióval, amely egy alapból és arra felvitt váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportokból áll, ahol a nemfémes optikailag kis veszteséggel kiképzett 2—9 réteg úgy van egymás fölött elhelyezve, hogy a nagy és a kis törésmutatójú rétegek váltakozva vannak elhelyezve.

A találmány szerinti interferenciatükör lényege abban 65 van, hogy az egymással szomszédos azonos vagy külön-2188 519 bözö módon kiképzett rétegcsoport között egy vagy több nemfémes csatolóréteg van elhelyezve, és a rétegcsoportok egyes rétegeinek optikai vastagsága a λ₀ hullámhossznak 1/4 részére van megválasztva, és a nemfémes csatolórétegek vastagsága λ₀/4-nek egész számú többszöröse. A találmány egy további kiviteli alakja szerint a szomszédos rétegcsoportok között elhelyezett egy vagy több csatolóréteg optikai rétegvastagsága λ₀ /4nek páros számú többszöröse. Egy további kiviteli alak szerint a szomszédos rétegcsoportok közötti egy vagy több csatolóréteg optikai rétegvastagsága λ₀/4-nek páratlan számú többszöröse.

A találmány szerint kiképzett .váltakozó rétegekből kialakított rétegcsoportoknál kifejezetten arról van szó, hogy kisszámú rétegek vannak alkalmazva, és az egyes rétegcsoportoknak λ₀ hullámhosszra a reflexiója kicsi, és csupán egy részreflexiót tesz lehetővé, amely azonban a kis rétegszám miatt igen széles spektrumtartományban hatásos, ellentétben a bevezetőben ismertetett váltakozó rétegekből kiképzett rétegrendszerekhez képest, ahol a nagy reflexió érdekében nagy rétegszámot alkalmaztak, amely azonban csak igen szűk spektruintartomáhyban volt hatásosan alkalmazható.

A találmány szerinti rétegcsoport viszonylag széles spektrumtartományban megfelelő reflexiót akkor tud biztosítani, hogyha az egyes rétegcsoportokban a rétegek száma természetesen a mindenkori törésmutató függvényében 2 és 9 között van.

A találmány szerinti kialakításnál, annak ellenére, hogy váltakozó rétegekből kiképzett csoportokat alkalmazunk, a magas reflexiót és a kis abszorpciós és szórási veszteséget azzal magyarázhatjuk, hogy a találmány szerinti csatolórétegek segítségével az egy vagy több váltakozó rétegből kiképzett rétegcsoport segítségével, melyeknek egyenként nem nagy a reflexiójuk, de széles tartományban hatásosak, a reflexió felerősödik, és az abszorpciós és szórási veszteség pedig kicsi lesz. Ez a hatás annak az eredménye, hogy a fény az összes szóban forgó tartományban legalábbis részben a beesés-irányra vonatkoztatva az első váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoport(ok)ról igen jól visszaverődik. A mélyebben fekvő rétegcsoportokról, amely a találmány szerinti magas reflexió eléréséhez feltétlenül szükséges, csak kevés fény verődik vissza, így itt a veszteség is kicsi lesz.

A találmány szerinti rétegrendszert például magas vákuum technológiával lehet megvalósítani, amelynél az egyes réteganyagokat gőzöléssel visszük fel egy alapra, úgy, hogy az alapon lecsapódnak. A közeli ultraibolya és közeli infravörös tartományban az ismert réteganyagoknak nagy a törésmutatója. Ilyen anyag lehet például a cinkszulfid, a titándioxid, a tantálpentoxid, az alacsony törésmutatójú rétegek anyaga pedig lehet például kriolit, magnéziumfluorid, vagy szilíciumdioxid.

A találmány szerinti rétegelrendezést a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével részletesebben ismertetjük. A mellékelt ábrákon az 1—3. ábra az R spektrális reflexiós görbéket mutatja (folytonos vonal), továbbá látható az ábrán a spektrális transzmissziós görbe T (szaggatott vonal), amelyek az 1, 2 és 3 példákban leírt interferenciatükörre jellemzőek.

A 4. ábrán egy, a technika állásánál ismertetett interferenciatükörnek a spektrális reflexiósgörbéje, R (folytonos vonal) és a transzmissziós görbéje, T (szaggatott vonal) látható.

Az ismertetett példaként kiviteli alakoknál a reflexiósávoknak spektrális helyzetét, valamint a reflexiós sávoknak számát a λ₀ hullámhosszúság, és a D optikai rétegvastagság alapján határozzuk meg, továbbá a D meghatározásánál figyelembe vesszük a váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoport D_w vastagságát és a csatolóréteg Dk vastagságát (D = D_w + Dk). Legyen például három reflexiósáv, amelyeknél a reflexió magas és az abszorpciós és a fényszórási veszteség kicsi, ahol ezeknek a sávoknak a hullámhosszúsága λο·Ρ .

¹ D+Xo/2 ’ , λο-D ² D-Áo/2 λ₃ — Á₀

A fenti képletnél a .csatolórétegnek az optikai vastagsága a λ₀/4-nek páratlan számú többszöröse, és a szomszédos váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportok között páratlan számú csatolóréteg van elhelyezve, vagy a másik esetben a csatolórétegeknek az optikai vastagsága a λ₀/4-nek páros számú többszöröse, és ekkor a csatolórétegek száma, amely két szomszédos váltakozó rétegből kiképzett rétegcsoport között van, páros számú.

Ha például két reflexiósáv van, amelyeknek magas a reflexiója, és kicsi az abszorpciós és fényszórási vesztesége, λο·Ρ ¹ Ρ+λ₀/4 ’ , λ₀·Ρ , ² D—λ₀/4 ’ ha a csatolórctcgeknek az optikai vastagsága páros számú többszöröse λ₀/4-nek, és két szomszédos rétegcsoport között páratlan számú csatolóréteg van elhelyezve. A spektrális optikai jellemzőit az egyes rétegrendszereknek méréssel lehet az előállított interferenciatükrön megállapítani.

1. példa

Magas vákuumos gőzölési eljárással interferenciatükröt állítunk elő, álról az alaptest legyen például üvegből (G) és erre a G alaptestre váltakozó rétegekből kiképzett W_o rétegcsoportok és KN és KH csatolórétegek vannak gőzölögtetéssel felvive, amely rétegek helyzetét a következő formula adja: GAVoK_NKnW₀K_NKHW₀K_NK,,W₀K_NKHWo. A W₀-nál olyan rétegcsoportról van szó, ahol kevés azoknak a rétegeknek a száma, amelyek a λ₀ hullámhosszúságra rezonálnak. és amely kis törésszámú (N_o) és nagy törésszámú (Il₀) rétegekből áll, amelyeknek optikai vastagsága λ₀/4, cs a W₍₎ rótegrendsz.cren mindenkor egy N₀H₀N₀H₀ elrendezésről van szó. Az egyes W_o rétegcsoportok között mindig két csatolóréteg van elhelyezve, álról a Kjq = 2N₀ és a K|i = 2H₀. azaz ebben az esetben a Kn és a K|j csatolórétegnek az optikai vastagsága λ₀/2. A törésmutatók

-3188 519 a következők voltak üveglap törésmutatója n^- = = 1,52; alacsony törésmutatójú részekként szilíciumdioxid (SiO₂) réteg, amely az N_o réteget képezte, és amelynek törésmutatója n^j = 1,455. Nagy törésmutatójú rétegként TiO₂-réteget (H_o) alkalmaztak, amelynek a komplex törésmutatója n^ - H<h = 2,315 — i · 0,005 (i = V^I), amellyel az abszorpciós index kn = 0,005. A kft abszorpciós index, amely az alacsony törésmutatójú szilíciumdioxid rétegnek az abszorpciós indexe, a gyakorlati tapasztalatok alapján elhanyagolható. A λ₀/4 rétegekre a X_o = 520 nm, így a W_o rétegcsoportból felépített és a közöttük K_n és Kh elhelyezett csatolórétegeknél három reflexiósáv adódik, amelyet a már előbb említett képlet alapján számíthatunk ki, vagyis kiszámolhatjuk Áj, X₂, X₃ értékét, amelyekre Áj = 693 nm, X₂ = 416 nm, λ₃ = λ₀ = 520 nm adódik. Az 1. ábrán a folytonos vonal az R spektrális reflexiós görbét mutatja, míg szaggatott vonallal T transzmissziós görbe van ábrázolva, és a görbék közötti sraffozott terület az abszorpciós veszteség mértékére jellemző. A reflexiós veszteségek az egyes rcílcxiósságú sávokban munkatartományban csak 1-3 %, és az értékük csak körülbelül 2-5szöröse annak, ami egyetlen X_o/4 titándioxid réteg esetében.

2. példa

Az 1. példánál bemutatott leírás alapján a 2. példánkban az interferencia tükör rétegelrendezése a következő: G/w₀KnW₀KnW₀KhW₀KkW₀, ahol az egyes rétegcsoportoknál w₀ H₀N₀H₀ rétegekből van kiképezve, és a W_o rétegcsoport pedig H₀N₀H₀N₀ rétegekből áll. A Kn csatolórétegek ebben az esetben 5xN₀ rétegből vannak kiképezve, vagyis a esatolórétegeknek az optikai vastagsága 5χλ₀/4. A G alaptestre ugyanolyan anyagokból képeztük ki a rétegeket gőzöléssel, mint az 1. példánál.

A X₀/’4 rétegekre X_o = 520 nm, úgyhogy ugyanúgy három reflexiósáv adódik, amely a már említett képletek alapján számítható, mégpedig X_t = 434 nm, X₂ ~ 650 nm és λ₃ = λ₀ = 520 nm. A reflexiós cs transzmissziós tulajdonságait, a fent említett interferenciatükörnek, a

2. ábrán láthatjuk. A straffozott tartományban látható a reflexiós veszteség, amely a reflexiós sávok minimális munkatartományában 1—3 %.

3. példa

Az 1. példához hasonlóan ennek az interfercnciatükörnek is a rétegsorrendjét betűkkel írjuk le, mégpedig: G/W₀K_NW₀K_NW₀K_NW₀K_NW₀K_NWo, ahol W_o = = H₀N₀H₀ és Kn = 2N₀. Itt is ugyanazok az anyagparaméterek G-re, N₀-ra és H₀-ra, mint az 1. példánál.

A λο szintén 520 nm, úgyhogy a fenti elrendezés alapján látható, hogy két reflexióssáv adódik, amely a képletek alapján kiszámítva λι = 433 nm és λ_; = 650 nm.

A 3. ábrán ugyanúgy, ahogy az előbbiekbe!:, a reflexiós és a transzmisszisós tulajdonságait mutatjuk be az így kialakított interferenciatükörnek. A sraffozott tartomány, amely az R és T görbék között látható, a reflexiós veszteségről ad tájékoztatást, amely 1—2 %.

Annak érdekében, hogy a találmány szerinti megoldást egyértelművé tegyük, a 4. ábrán egy, a már ismert interferenciatükörrel létrehozott spektrális reflexiós és transzmissziós görbét mutatunk be. Ebben az esetben két különböző W_t és W₂ váltakozó rétegekből kialakíq tott rétegcsoportot láthatunk, ahol mindkét W₂ és W₂ rétegcsoport magasszámú rétegekből van kialakítva, és egy G üveg alapra van felvive, ahol a strukturális felépítés képlet G/WjWj, ahol W₂ = HjNi...NiHi = 17 XJ4 rétegeket jelent, és W₂ = H₂N₂...H₂N₂ = 16 λ₂ /2 réte5 geket jelent.

A belső, közvetlenül az üvegrétegre felvitt W₂ rétegrendszer λ₂ — 430 nm hullámhosszúságra van beállítva, míg a külső rétegcsoport (Wj) a Xj = 650 nm-re. Az interferenciatükör előállításánál ugyanazokat a réteganya0 gokat alkalmazták ugyanolyan törésmutatóval, mint a találmány szerinti interfcrenciatükörnél. Ahogyan ez az

5. ábra sraffozott tartományából is kitűnik, a kis abszorpciós veszteség, amely alatt 1-2 %-ot értünk, és a nagy reflexiós érték csak egy, a X] = 650 nm hullámig hosszúság közvetlen környezeti tartományában található, mivel csak ez a sáv az, amely a fény beesési irányára vonatkoztatva a W_t rétegrél reflektálódik. A második spektrumsáv a λ₂ = 433 nm hullámhosszúság környékén van, itt azonban a reflexió lényegesen kisebb, mivel enjQ nek a fénynek a W₂ rétegcsoporton történt reflexió után még a felette elhelyezett W[ rétegcsoport sok-sok rétegén is reflektálódnia kell, és ez 10-30 %-os abszorpciós veszteséghez vezet, amely körülbelül tízszerese, mint a találmány szerinti interferencia tüköré.

Claims (4)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Interferenciatükör több spektrumsávra nagy refjq Icxióval, amely tükör egy alapból és arra felvitt váltakozó rétegekből kiképzett rétegcsoportokból áll, álról a nemfémes optikailag kis veszteséggel kiképzett 2-9 réteg úgy van egymás fölött elhelyezve, hogy a nagy és a kis törésmutatójú rétegek váltakozva vannak elhelyezve, _}g azzal jellemezve, hogy az egymással szomszédos azonos vagy különböző módon kiképzett rétegcsoport között egy vagy több nemfémes csatolóréteg van elhelyezve, és a rétegcsoportok egyes rétegeinek optikai vastagsága a X_o hullámhossznak 1/4 részére van megválasztva, és a

   5Q nemfémes csatolórétegek vastagsága λ₀ /4-nek egész számú többszöröse.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti interferenciatükör kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a szomszédos rétegcsoportok között elhelyezett egy vagy több csatolóréteg opti55 kai rétegvastagsága X_o/4-nek páros számú többszöröse.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti interferenciatükör kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a szomszédos rétegcsoportok közötti egy vagy több csatolóréteg optikai rétegvastagsága X_o/4-nek páratlan számú többszöröse.
4. 4 db ábra

   -4188 519

   NSZO„: G 02 Β 5/08

   Xtnm)

   800 700 600 SOO MO jiiIhuIji I» I I I I I 1.....1 ί I 1. I 1 I

   0,b 0,8 1.0 7,Z 7Λ

   X o / λ.

   Γ»

   -5188 519

   NSZO₄ : Θ 02 B 5/08 λ (n nn)

   800700 600 500 400 — Inni ιι 11 I ι 1.1 ι I ι ι ι ι I ι ι •20

   - 4ό • (%) R • 60 • 80

   0,6 0,8 1,0 -1,2 4Λ λ„/λ

   Fig. 2

   -6188 519

   NSZO₄:G02B 5/08 λΙΠίΤΐ)

   Ffg- 3

   -7188 519

   NSZO₄:G 02 Β 5/08 λ(η<η)