Opis patentowy opublikowano: 1986 02 20 128372 U- *do Patentowego] Int. Cl.3 G02B 5/08 G02B S/28 HfflS 3/08 Twórcy wynalazku: Erich Dummernix, Sigrid Wendler, Rosemarie Trebge Uprawniony z patentu: Veb Carl Zeiss Jena, Jena (Niemiecka Republika Demokratyczna) Zwierciadlo interferencyjne o duzej zdolnosci odbijania szeregu pasm widma Przedmiot wynalazku stanowi zwierciadlo inter¬ ferencyjne o duzej zdolnosci odbijania szeregu pasm widma i które odbija swiatlo w tych pasmach widma z malymd stratami na pochlanianie i roz¬ proszenie.Tego rodzaju zwierciadla znajduja zastosowanie w budowie przyrzadów optycznych przede wszyst¬ kim wówczas, gdy chodzi o jak najmniejsze straty swiatla o szeregu silnie zróznicowanych linii wid¬ mowych lub pasm widma. Jednym z najwazniej¬ szych zastosowan jest uzycie ich w charakterze zwierciadel rezonatorowych w laserach gazowych o kilku dlugosciach fali laserowej, gdzie juz male straty na pochlanianie i rozproszenie zmniejszaja znacznie moc wyjsciowa poszczególnych dlugosci fala. 2 czasopisma „Zeitschritf fiir Physik" nr 142 z 1956 r. S. 21—41 znane sa zwierciadla o duzej zdolnosci odbijania, dzialajace na zasadzie interfe¬ rencja, na bazie ukladu przemiennych warstw, zlo¬ zonego z wielu niemetalowych warstw o malych stratach, majacych na przemian duzy i maly wspól¬ czynnik zalamania, które sa naniesione jedna na drugiej na powierzchni korpusów zwierciadlowych Warstwy te maja grubosc optyczna 1/4 dlugosci fali Xm , która powinna byc odbijana w maksymal¬ nym stopniu ,przy czym liczba warstw musi byc duza, aby Uzyskac duza zdolnosc odbijania.Takie zwierciadla interferencyjne o duzej zdol¬ nosci odbijania maja te wade, ze abstrahujac od 10 25 30 2 wyzszych rzedów interferencji, pozadana duza zdol¬ nosc odbijania mozna osiagnac jedynie w waskim zakresie widmowym w sasiedrtiwie dlugescc faliim f Jednoczesne odbijanie swiatla o dlugosciach fali poza bezposrednim sasiedztwem Xm nie jest osia¬ galne za pomoca tych zwierciadel interferencyj¬ nych.Z tego samego zródla znane sa równiez zwier¬ ciadla interferencyjne z mala liczba warstw, które maja wprawdzie szerszy zakres odbijania, lecz któ¬ rych wada polega na mniejszym wspólczynniku odbicia. W celu uzyskania zwierciadel o duzej zdol¬ nosci odbijania jednoczesnie dla poszerzonych lub wielu pasm widma, mozna — jak wiadomo — na¬ niesc jedna na druga grupy warstw przemiennych o duzej liczbie warstw, a tym samym o duzej zdol¬ nosci odbijania, badz na przednia i tylna powierz¬ chnie plytki szklanej, badz tez na powierzchnie podloza warstw. Kazda oddznelna z tych grup warstw przemiennych jeat dopasowana dzieki przy- jecNu róznych grubosci optycznych ich warstw czastkowych A/4 do innego pasma widmowego o od¬ bijanych w sposób maksymalny dlugosciach fal X X 1 ¦ Wada jest tu jednak fakt, ze swiatlo pasma widmowych, odbijane od coraz glebiej polozonych grup warstw przemiennych, musi jeszcze przecho¬ dzic przed i po odbiciu przez wiele warstw czastko¬ wych lezacych powyzej grup waratw przemiennych innych pasm widmowych i doznaje przy tym 128 3723 128 372 4 znacznych strat przez pochlanianie i rozpraszanie w porównaniu ze swiatlem, które patrzac w kie¬ runku padania swiatla jest odbijane od razu od lezacej z samego przodu lub z samej góry grupy warstw pa^emiennych. Nie mozna jednak uzyskac ^rzy tym w ten sposób szeregu pasm odbijania jednoczesnie o duzej zdolnosci odbijania i malych Stratach na pochlanianie i rozpraszanie.Aby uzyskac dostateczna szerokosc odbijanego pasma oraz stroma krawedz pomiedzy obszarero : odbijajnia a obszarami przepuszczania, stosuje sie filtry interferencyjne, w których pomiedzy dwiema róznymi grupami warstw przemiennych o duzej "zdolnosci odbijania umieszczone sa tzw. warstwy przejsciowe co jest znane z opisu patentowego Szwajcarii nr 458 780. Najpowazniejsza wada po¬ lega tu jedmak ma tym, ze wprawdzie obserwuje sie szerokie pasma widma o malym przepuszczaniu, jednak opieraja sie orne w praktyce w znacznej mierze nde na duzym wspólczynniku odbicia, lecz na zjawiskach pochlaniania.Z publikacji Optics of thin Films, John Wiley and Sons, Londyn 1976, s. 162—177 znane sa proste i sprzezone filtry pasmowo^przepustowe, które skladaja sie z czysto dielektrycznych warstw lub z kombinacji warstw metalowych i dielektrycznych.Tego rodzaju filtry pasmowo-przepustowe maja za zadanie wytwarzanie pasma przepustowego o duzej przepuszczalnosci, ograniczonego z obu stron pasmami zaporowymi o malej przepuszczal¬ nosci. Równiez tu jest szczególnie niekorzystne to, iz dzialanie zaporowe pasm zaporowych opiera sie oprócz odbijania takze na dzialaniu pochlaniaja¬ cym warstw. Prócz tego w zwiazku z wytwarza¬ niem i dzialaniem filtrów pasmowo-przepustowych nde mozna bynajmniej wysnuc wniosku, ze tego ro¬ dzaju uklady warstwowe mozna stosowac korzyst¬ nie w porównaniu ze znanymi zwierciadlami in¬ terferencyjnymi jako zwierciadla na dwa pasma widima.Do stanu techniki nalezy- równiez wykorzysty¬ wanie ukladów warstw przemiennych w wyzszych rzedach interferencji w celu uzyskania szeregu obszarów o duzej zdolnosci odbijania, co jest znane z publikacji „Glastechnische Berichte" 24, s. 147— —148,. 1951 r. i z opisu swiadectwa autorskiego ZSRR nr 381055. Istotna wada polega tu na tym, ze warstwy czastkowe musza miec duza grubosc optyczna odpowiednio do rzedu interferencji. Po¬ ciaga to za soba dla calego tikladu warstw duza grubosc calkowita, która jest nie do przyjecia z punktu widzenia praktycznego wytwarzania, przy czym grube warstwy czastkowe powoduja zwiek¬ szone straty przez pochlanianie i rozpraszanie. Po¬ nadto- mala jest wytrzymalosc mechaniczna tego rodzaju ukladów warstwowych.Celem wynalazku jest wyeliminowanie wad zna¬ nych rozwiazan technicznych. Nalezalo opracowac zwierciadla interferencyjne, które maja jedno¬ czesnie dla szeregu oddzielnych pasm widma duza zdolnosc odbijania pnzy jak najmniejszych stratach na pochlanianie i rozpraszanie."Zadaniem wynalazku jest opracowanie zwiercia¬ del interferencyjnych z ukladami warstw, w któ¬ rych zapobiega sie wzrostowi strat na pochlanianie i rozpraszanie w przypadku pasm widma, które sa odbijane od glebiej polozonych warstw interfe¬ rencyjnych, i w których grubosc calkowita ukladu warstw jest mozliwie jak najmniejsza. 5 Zadanie to zrealizowano wedlug wynalazku za pomoca zwierciadel interferencyjnych o duzej zdol¬ ne lei odbijania dla szeregu pasm widma, które sklacu.*a sie z podloza, na które naniesione sa jedna na druget grupy warstw przemiennych z pojedyn- 10 czych niemetalowych warstw o malych stratach optycznych, tak, iz na przemian wystepuja oddziel¬ ne warstwy o duzym i malym wspólczynniku zala¬ mania; zwierciadla te charakteryzuja sie tym, ze pomiedzy sasiednimi jednakowo lub róznie zbudo- wanymi grupami warstw przemiennych z dwóch do dziewieciu warstw pojedynczych umieszczona jest jedna lub szereg niemetalowych warstw sprze¬ gajacych. Wszystkie grupy warstw przemiennych sa dopaisowane do tej samej wzorcowej dlugosci fali k0 , dzieki temu, ze oddzielne warstwy wszyst¬ kich grup warstw przemiennych maja gestosc op¬ tyczna, równa 1/4 tej wzorcowej dlugosci fali XQ .Grubosc optyczna niemetalowych warstw sprzegaja¬ cych wynosi calkowita wielokrotnosc XQ /4.Wzorcowa dlugosc fali XQ oznacza przy tym srednia dlugosc fali stosowanego pasma widmowe¬ go, w którym powinny lezec pasma odbijane.Dalsiza cecha wynalazku polega na tym, ze po¬ miedzy sasiednimi grupami warstw przemiennych umieszczona jest warstwa sprzegajaca, której grubosc optyczna stanowi nieparzysta wielokrot¬ nosc XQ /4 lub, ze pomiedzy sasiednimi grupami warstw przemiennych umieszczone sa dwie war¬ stwy sprzegajace, których grubosc optyczna stanowi parzysta wielokrotnosc kQ /4.Dla wj'konania zadania wedlug wynalazku mozli¬ we jest równiez, ze pomiedzy sasiednimi grupami warstw przemiennych umieszczona jest jedna war¬ stwa sprzegajaca, której grubosc optyczna stanowi parzysta wielokrotnosc XQ /4.W przypadku zastosowanych grup warstw prze¬ miennych wedlug wynalazku chodzi tu wyraznie o grupy z mala liczba warstw pojedynczych tak, iz oddzielna grupa warstw przemiennych nie daje dla wzorcowej dlugosci fali XQ duzej zdolnosci od- 45 bijania, lecz jedynie czesciowe odbijanie, które jednak z powodu malej liczby pojedynczych warstw jest efektywne dla szerokiego pasma widmowego, w przeciwienstwie do ukladów warstw przemien¬ nych wedlug stanu techniki, majacych duza liczbe 50 pojedynczych warstw dla uzyskania duzej zdolnosci odbijania, które dzialaja jedynie w stosunkowo waskim pasmie widmowym.W zastosowanych zgodnie z wynalazkiem grupach warstw przemiennych o malej wprawdzie, lecz 55 dzialajacej w stosunkowo szerokim pasmie widmo¬ wym zdolnosci odbijania mala liczba pojedynczych warstw moze wynosic w zaleznosci od wystepuja¬ cego kazdorazowo wspólczynnika zalamania od dwóch do dziewieciu pojedynczych warstw. 60 Duza zdolnosc odbijania,, osiagana pomimo zasto¬ sowania grup warstw przemiennych opisanego ro¬ dzaju, wraz z bardzo malymi stratami na pochla¬ nianie i rozpraszanie moze byc wytlumaczona w M ten sposób, ze dzieki sprzezeniu w mysl wynalazkuV 12S 372 szeregu takich grup warstw przemiennych za po¬ moca jedrnej lub- szeregu warstw sprzegajacych nie¬ zbyt silnie odbijajace dzialanie poszczególnych grup warstw przemiennych w obrebie ich szerokiego pasma odbijanego w szeregu pasm widma ulega wzmocnieniu do duzej zdolnosci odbijania i w ta¬ kim samym stopnini ulegaja dalszej1 minimalizacji skadinad niewysokie straty na pochlanianie i roz¬ praszanie takich grup warstw przemiennych.Zjawiska te wydaja sie polegac na tym, ze swiatlo jest odbijane we wszystkich wystepujacych pasmach widma w znacznym stopniu juz czesciowo od przedniej w kierunku padania swiatla grupy warstw przemiennych lub od przednich grup warstw przemiennych'. Ete glebiej polozonych grup warstw przemlemnych, które sa jednak najwidocz¬ niej' rueodHorwne dla osiagniecia duzej zdolnosci odfeijaniia, dochedel tylko jesacae niewiele swiatla, t#k, iz te ostatnie nie moga^ przyczynic sie w pe- wazoiejszyrn sfcopriu <8o dalszych- strat.Uklady warstw wedlug wynalazku mozna wy¬ twarzac korzystnie '&$. metoda wysokiej prómi, w której — jafc wiadome — odparowaje sie odpo¬ wiednie substancje powlokowe, aby mogly osadzac sie- w postaci wairstw na powierzchni zwyklych podlozy. W bliskim nadfiolecie, w pasmie widzial¬ nym oraz w bliskiej podczerwieni mozna stosowac znane substancje powlokowe o duzym wspólczyn¬ niku zalamania, takie jak siarczek cynkowy (ZnS), dwutlenek tytanu (T1O2), pieciotlenek tantalu (Ta^s), oraz znane substancje powlokowe o malym wspólczynniku zalamania, takie jak kriolit (Na3AlF6). fluorek magnezowy (MgF2) lub dwutlenek krzemu (Si02).Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przy¬ kladach wykonania na rysunku ,na którym fig. 1, 2 i 3 przedstawiaja, widmowe krzywe odbijania R (krzywe ciagle) oraz widmowe krzywe przepuszcza¬ nia T (krzywe kreskowe) zwierciadel interferencyj¬ nych wedlug wynalazku, opisanych: w przykladach wytaonania I, II i III, a fig. 4 przedstawia dla po¬ równania widmowa krzywa odbijania/ R (krzywa ciagla) oma krzywa przepuszczania T (krzywa kres¬ kowa)^ zwierciadla interferencyjnego wedlug stanu techniki.We wszystkich przykladach, wykonania wedlug wynalaafcu- polozenie pasm odbijanych w widmie oraz ich liczba sa determinowane przez wzorcowa dlugosc fali XQ oraL przez sume D grubosci optycz¬ nej gswpy &w warstw przemiennych, i warstwy sprzegajacej DK {D = UW + D K ). Istnieja np. trzy pasma o duzej zdolnosci odbijania i bardzo malych stratach na pochlanianie i rozpraszanie swiatla tyrzy 4=D Xi =- A„- D D-A0/2 gdy warstwy sprzegajace maja grubosc optyczna, równa nieparzystej wielokrotnosci XQ /4, a pomie¬ dzy sasiednimi grupami warstw przemiennych umieszczona jest nieparzysta liczba warstw sprze¬ gajacych, lub gdy warstwy sprzegajace maja gru¬ bosc optyczna, równ4 ftarzystnej wielokrotnosci X0 /4, a liczba warstw sprzegajacych pomiedzy sa- srednimi grupami warstw przemiennych jest pa¬ rzysta. 5 Istnieja np. dwa pasma o duzej zdolnosci odbi^ jania i malych, stratach na pochlanianie i rozpra¬ szanie swiatla przy dlugosciach fali: 10 oraz Xi h D + ^/4 20 gdy warstwy sprzegajace maja grubosc: ©ptycana, równa parzystej wielokrotnosci X0 /4, a pomiedzy 15 sasiednimi grupami warstw przemiennych umiesz- czona jest nieparzysta* liczba wairstw •przegajacjFcb.Widmowe dane optyczne konkretnego ukladu warstwaweg^. mflzaa< okreslic na podstawie pomiaru wyprodukowanych zwiecejadel. interferencyjnych, Przcyhliad I.. Z& pomoca napasrxfwyw&mst w ^wy»dkitj; p&zm wytoarar siie zwierciadlo interfe¬ rencyjne, nanoszac na podloze G (np. szfcle}, uklad, zlozony z: gns& W0 warstw praermennych eraz 25 z waantfw a^raegaj^roll. K^ i Kff , który moana przedstawi- & pomaca wamrw: C?/W0 KNKHW0 RNRHW-KNKHWo R^KrWo .W" przypadku W0 chodfci o grupy warstw prze¬ miennych z mala liczba warstw pojedynczych, 30 które sa dopasowane do wzorcowej dlugosci fali XQ f i które skladaja sie na przeniian z warstw poje¬ dynczych o malym (N0 ) i duzym (Ha) wspólczyn¬ niku zalamania i o grubosci optycznej, XnZ/4, przy czym w obrebie W0 wystepuje kazdorazowo uklad 35 N0 H0 Nu H0 . Pomiedzy grupami W0 warstw prze¬ miennych umieszczone sa kazdorazowo dwie war¬ stwy sprzegajace, przy czym KN *= ZN0 oraz K H = 2ft0 , tj. w tym przypadtou warstwy sprae- gajace KN i KH maja grobosó optyczna por X0 11. 40 Jako wspólczynniki zaiamariia trwzgledniono dla podloza az4dane^» nG =* 1,52; dla warstw SiO? (N0 ) o malym wspólczynniku zalamania n^ = = 1,455, a dla warstw TlGj (H0 ) o dufcym wspól¬ czynniku zalatriania* zespolony wspólczy*mi* aa**- 45 mania nH ^ikjj = 2;315—^.6,065 /i*|/T ired- powiedziafoiyni rza poch1antii*riie wgpófefeymiUrlem pochlaniania, kH =^0,005. Wspólczynnik pochlania<- nia kN warstw SiOl o malym wspólczynniku zala¬ mania zostal1 pominiety stosownie d© danych prate- 90 tycznych. ' Wzorcowa dlugosc faK dja warstw X0 /4 wynosi A 0 = 520 rim, tak, iz stosównae do struktiury grup W0 warstw przeiniennych i umieszczonych po¬ miedzy nimi warstw sprzegajacych KK I Kg^pow- 55 staja trzy pasma odbijania, które wedlug podanych zaleznosci na Xy, X%, i X* leza w poblizu dlugosci fal ii = 693 nm, A2 = 416 nm i AL— XQ =^32t) nm.Na fig. 1 uwidocznione jest odbijanie R widma (krzywa ciagla) w zestawieniu z przepuszczaniem X (dolna krzywa kreskowa), tak, iz zakreskowany obszar pomiedzy krzywymi stanowi miare strat przez pochlanianie. W pasmach odbijania straty od¬ bijania wynosza w obszarze roboczym minimów w jedynie ok, 1 do 3*/o, a tym samym sa tylfco 2r—5-7 128 372 S -krotnie wieksze, niz w przypadku pojedynczej warstwy TiOz AQ /4.Przyklad II. W oparciu o warunki i defi¬ nicje, opisane w przykladzie wykonania I, wytwa¬ rza sie zwierciadlo interferencyjne z ukladem warstw: G/W0 KN W„ KN W0 K, W0 KN W0 , przy czym grupa w0 warstw przemiennych zawie¬ ra uklad warstw pojedynczych H0 N0 H0 f nato¬ miast girupy W0 warstw przemiennych skladaja sie z kolejnych warstw H0 N0 H0 N0 H0 . Warstwy sprzegajace KN skladaja sie w tym przypadku z pieciu warstw N0 , tj. maja one grubosc optyczna, równa 5 AQ /4. Na podloze G oraz na warstwy uzyto tych samych materialów, jak w przykladzie I.Wzorcowa dlugosc fali dla warstw A0 /4 wy¬ nosi A0 =520 nim, tak, iz stosowanie do struktury grup w 0 i W0 wiarstw przemiennych oraz umiesz¬ czonych pomiedzy nimi warstw sprzegajacych K i powstaja trzy pasma odbijania, które wedlug po¬ danych powyzej zaleznosci na Au h i Az leza w po¬ blizu dlugosci fal ^i = 434 nm, Jta = 650 nm i £3 = = 520 nm.Wlasciwosci odbijania i przepuszczania widma sa przedstawione graficznie na fig. 2 w taki sam spo¬ sób, jak w przypadku przykladu I na fig. 1. Straty odbijania, uwidocznione za pomoca zakreskowane- go obszaru róznicowego pomiedzy krzywa R a krzy¬ wa T wynosza w obszarze roboczym minimów pasm odbijania od 1 do 3°/o.Przyklad III. Analogicznie do przykladu I wytwarza sie zwierciadlo interferencyjne z ukla¬ dem warstw: G/W0 KN W0 KNW0 KN W0 Ks W0 K « W0 przy czym Wó = H0 Nó H0 i wynosi KN = Równiez tu obowiazuja te same parametry ma¬ terialowe na G, N0 i HQ , jak w przykladzie I.Wzorcowa dlugosc fali dla warstw AQ /4 wynosi X 0 == 520 rum, tak, iz stosowanie do wystepujacej tu struktury ukladu warstwowego powstaja dwa pas¬ ma odbijania, które wedlug podanych powyzej za¬ leznosci na glówne dlugosci fal pasm odbijanych leza w poblizu A\ = 433 nim i At = 650 nm.Na figurze 3 sa przedstawione graficznie wypad¬ kowe wlasciwosci odbijania i przepuszczania widma w taki sam sposób, jak w poprzednich przykla¬ dach. Straty odbijania, uwidocznione za pomoca zakreskowanego ^obszaru róznicowego pomiedzy krzywa R a krzywa T, wynosza w obszarze robo¬ czym minimów pasm odbijanych od 1 do 2%.W celu podikreslenia korzystnych skutków wyna¬ lazku na fig. 4 przedstawione sa dla porównania ze zwierciadlami initerferencyjnymi wedlug wynalazku krzywe odbijania i przepuszczania widma dla zwierciadla interferencyjnego, znanego ze stanu technilki. Chodzi przy tym o uklad dwóch róznych zespolów Wi i W2 warstw przemiennych o duzej liczbie tych ostatnich na podlozu szklanym G, tak, iz powstaje struktura wypadkowa G/W2Wi, przy czym Wi = H1N1... NiHi = 17 warstw pojedynczych Ai/4, a W2 = H2N2... H2N2 = 16 warstw pojedynczych 5 ^2/2. Wewnetrzny uklad W2 warstw przemiennych, umieszczony bezposrednio na powierzchna szkla, jest dopasowany do dlugosci fali A2 = 433 nm, na¬ tomiast zewnetrzny uklad Wi warstw przemiennych jest dopasowany do dlugosci fali A\ = 650 nm. D: L0 jego wytwarzania stosuje sie te same substancje a przy obliczaniu wykorzystuje sie te same wspól¬ czynniki zalamania, jak w przykladach wedlug wynalazku.Jak wynika z zaikreskowanych obszarów fig. 4, 5 male straty pochlaniania, wynoszace od ok. 1 do 2%, a tym samym duze wspólczynniki odbicia, mozliwe sa jedynie w jednym pasmie widma, a mianowicie w sasiedztwie dopasowujacej dlugosci fali A\ = 650 nm, poniewaz tylko to pasmo widma ;(J jest odbijane od przedniego w kierunku padania swiatla ukladu Wi warstw przemiennych. W dru¬ gim pasmie widma w sasiedztwie dlugosci fali At = 433 nm odbijanie jest silnie zmniejszone, po¬ niewaz swiatlo z tego pasma widima przed i po „ odbiciu od ukladiu W2 warstw przemiennych musi przejsc dopiero przez wiele warstw umieszczonego powyzej ukladu Wi warstw przemiennych i dozna¬ je przy tym znacznych strat przez pochlanianie, wynoszacych od 10 do 30%, które sa zatem ok. 10- ^krotnie wyzsze, niz w przypadku zwierciadel in¬ terferencyjnych wedlug wynalazku. PL