DE3707983A1 - Optische einrichtung geringer dicke mit abstuetzvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bekannten, für die Transmission von Strahlung im sichtbaren und infraroten Spektralbereich bestimmten optischen Einrichtungen, wie Fenster, Filter, Polarisatoren, Strahlteiler, Modulatoren oder Detektoren haben im allgemeinen eine relativ große, in der Strahlungsrichtung gerechnete Dicke, die ein Vielfaches der Wellenlänge der optischen Strahlung beträgt, für die die betreffende optische Einrichtung bestimmt ist, und zwar entweder aus Gründen der Festigkeit (z. B. im Falle von Fenstern, Drahtpola­ risatoren, Paralleldraht-Gittern u.s.w.) oder der optischen Wirkung (z. B. im Falle von Linsen, Prismen, Doppelbrechungspolari­ satoren, nichtlinearen Kristallen usw.).

Die bekannten optischen Einrichtungen haben aufgrund der großen Materialdicke den Nachteil, daß ihr Gewicht relativ groß ist und daß sie nur mit relativ kleinen Strahlungsleistungen belastbar sind, da sie sich durch die unvermeidbare Absorption leicht erwärmen und schon bei geringer Erwärmung störende Verzerrungen des transmittierten Strahlungsbündels verursachen.

Dünne, nichtselbsttragende oder mechanisch zu empfindliche optische Einrichtungen haben zwar diese Nachteile nicht, sie benötigen jedoch eine relativ dicke transmittierende Stützstruk­ tur, z. B. eine Substratplatte aus strahlungsdurchlässigem Material so daß sich die oben geschilderten Probleme auf die Stützstruktur übertragen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine optische Einrichtung mit einer optisch wirksamen Vorrichtung, welche gewisse Flächenabmessungen sowie eine so geringe Dicke hat, daß sie für sich allein mechanisch nicht ausreichend stabil ist, und welche für die Transmission optischer Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches ausgelegt ist, und mit einer für die Strahlung im wesentlichen transparenten Stützstruktur, die zur mechanischen Stabilisierung der optisch wirksamen Vorrichtung mit dieser verbunden ist, anzugeben, die leicht ist, eine geringe Dicke aufweist und daher erheblich höher belastbar ist als die bekannten optischen Einrichtungen der oben erwähnten Art, bei denen die Stützstruktur z. B. aus einer Glasplatte oder dergl. besteht.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen optischen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungs­ gemäßen optischen Einrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäßen optischen Einrichtungen sind optisch wirksame Flächengebilde, bei denen die optische Wirkung mit einem Minimum an Materialdicke, also mit einem sehr geringen Gewicht, erreicht werden kann. Das Fehlen eines dicken dielek­ trischen Substrats hat den weiteren Vorteil, daß die häufig unvermeidbare Eigenabsorption dieses Substrats und die bei einer inhomogenen Erhitzung des Substrats auftretende Strahl­ verzerrung und Strahlablenkung vermieden wird. Wegen der geringen Dicke kann die erfindungsgemäße optische Einrichtung auch effek­ tiv durch ein Gebläse oder dergl. gekühlt werden. Die Verbindung mit weiteren Elementen, etwa einer zweiten ähnlichen optischen Einrichtung, ergeben sich raumsparende Bauteile, wie variable Phasenschieber, Abschwächer, Kompensatoren für elliptische Polarisation, Rotatoren für lineare Polarisation oder Isolatoren. Der Einfallswinkel kann bei mehreren, im Strahlengang hintereinan­ der angeordneten optischen Einrichtungen so optimiert werden, daß auch bei kompakter Bauweise keine störenden vielfach reflektier­ ten Strahlen auftreten, vielmehr die reflektierte Strahlung voll von einem innen absorbierenden und z. B. wassergekühlten Gehäuse abgefangen wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:.

Fig. 1 eine stark vergrößerte, etwas schematisierte Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden optischen Einrichtung, und

Fig. 2 eine stark vergrößerte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte optische Einrichtung enthält eine optisch wirksame Vorrichtung (10), die beispielsweise als dünne Schicht dargestellt ist, die z. B. aus halbleitendem oder dielek­ trischem Material besteht und homogen sein kann. Die optisch wirksame Vorrichtung (10) hat gewisse Flächenabmessungen, d.h. eine gewisse Breite (x) und eine gewisse Höhe (y), die in einem vernünftigen Rahmen beliebig gewählt werden können und z. B. in der Größenordnung von Zentimetern oder Dezimetern liegen können. Die optische Vorrichtung hat jedoch eine in z-Richtung gerechnete Dicke (d), die so klein ist, daß die Vorrichtung für sich allein mechanisch nicht ausreichend stabil ist. Die optische Vorrichtung (10) ist für die Transmission optischer Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereiches bestimmt.

Die flächige, optisch wirksame Vorrichtung (10) ist zur mecha­ nischen Stabilisierung oder Versteifung mit einer Abstützvorrichtung verbunden, die gemäß der Erfindung metallische Streifen, Stege oder Lamellen (12) enthält, die bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel parallel zueinander verlaufen, mit gegenseitigen Abstän­ den (a) angeordnet sind und eine Breite (b) sowie eine Dicke (t) haben. Die Dickenrichtung entspricht der Ausbreitungsrichtung von Strahlung, die senkrecht auf die Hauptfläche der die Vorrichtung (10) bildenden Schicht auffällt. Es ist nicht notwendig, daß die Stützstruktur aus den Lamellen (12) und die optische Vorrichtung (10) aneinander angrenzend nebeneinander angeordnet sind, die beiden Strukturen können sich vielmehr auch mehr oder weniger stark durchdringen.

Der Abstand (a) zwischen benachbarten metallischen Lamellen (12) wird nun erfindungsgemäß stets größer als die Hälfte der maximalen Wellenlänge (obere Grenzwellenlänge) des Wellenlängenbereiches gewählt, für den die optische Einrichtung bestimmt ist. Optische Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner als die genannte obere Grenzwellenlänge ist und senkrecht, d.h. in z-Richtung, auf die sich in der xy-Ebene erstreckende Lamellen-Stützstruktur auffällt, wird dann unabhängig von ihrer Polarisationsrichtung bezüglich der Längsrichtung der Lamellen praktisch verlustfrei durch die Zwischenräume (14) zwischen den Lamellen durchgelassen. Damit keine Beugungseffekte auftreten, wird bei Strahlungseinfall in z-Richtung zusätzlich die Summe der Lamellenbreite (b) und des Lamellenabstandes (a) kleiner als die untere Grenzwellenlänge der verwendeten Strahlung gewählt. Bei schrägem Einfall der Strahlung gilt (a+b) (1-sin α) < λ. Die Dicke (t) der Stützstruktur, d. h. der Lamellen (12) wird im allgemeinen bis zu etwa einer Wellenlänge betragen, sie kann jedoch auch etwas kleiner sein, wenn es die Festigkeit zuläßt, oder auch bis zu einigen Wellenlängen groß sein.

Für Strahlung im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich, z. B. bis etwa 200 Mikrometer, wird vorzugsweise (a) wenigstens annähernd gleich (b) gemacht, damit die Stützstruktur aus den Lamellen (12) mechanisch und thermisch möglichst widerstandsfähig wird.

Eine sehr wichtige Eigenschaft der aus den parallelen, beabstandeten Lamellen (12) bestehenden Abstützvorrichtung besteht darin, daß die Reflexion senkrecht auffallender Strahlung zum Verschwinden gebracht werden kann. Um dies zu erreichen, muß die Strahlung parallel zur Längsrichtung der Lamellen, also in y-Richtung, polarisiert sein und (a+b) muß ungefähr gleich λ/f gewählt werden, wobei f ein von a, b, t und der Profilform, die nicht notwendig die gezeichnete Rechteckform haben muß, abhängiger Faktor in der Größenordnung von etwa 1,1 bis 1,3 ist. Setzt man f=1,2, so ergibt sich eine resonant transmittierende Stützstruk­ tur mit etwa a=0,6 λ und b=0,25 λ.

Bei Wellenlängen im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich ist die beschriebene Lamellen-Stützstruktur für sich allein mechanisch nicht sehr stabil, in Verbindung mit einer ihrerseits ebenfalls nicht selbsttragenden oder nicht ausreichend stabilen optisch wirksamen Vorrichtung (10) läßt sich jedoch eine als Ganzes mechanisch ausreichend stabile optische Einrichtung schaffen. Es sei in diesem Zusammenhang noch bemerkt, daß der Faktor f durch das Hinzufügen der optisch wirksamen Vorrichtung (10) sich etwas ändern kann.

Die Erfindung kann mit den verschiedensten optisch wirksamen Vorrichtungen realisiert werden. Bei einer ersten Ausführungsform besteht die optisch aktive Vorrichtung aus einer weiteren metal­ lischen Struktur, nämlich aus in x-Richtung, also quer zu den Stützlamellen (12) verlaufenden dünnen Drähten. Die Drähte können hinsichtlich Profil und Periode mit denen der Stützlamellen (12) übereinstimmen, man erhält dann ein Kreuzgitter, dessen Eigenschaften von der Polarisation der durchfallenden Strahlung nicht abhängt. Mit anderer Bemessung der die optisch wirksame Vorrichtung (10) bildenden Drähte lassen sich verschiedene Arten von polarisierenden optischen Einrichtungen realisieren. Beispielsweise kann die optisch aktive Vorrichtung aus relativ eng stehenden Metallamellen bestehen, deren Abstand (a′) kleiner als die Hälfte der oberen Grenzwellenlänge ist, wobei wieder die Periode, also die Summe aus Abstand (a′) und Breite (b′) der senkrecht zu den Stützstruktur-Lamellen (12) verlaufenden Lamellen der optisch wirksamen Vorrichtung kleiner als die untere Grenzwellenlänge sein soll. Eine solche optisch wirksame Vorrichtung ist für Strahlung, die parallel zur x-Richtung polarisiert ist, undurchlässig. Bei geeigneter Wahl von a′ und der in z-Richtung gerechneten Dicke d′ sowie der Profilform der optisch wirksamen Lamellenstruktur kann man erreichen, daß Strahlung, deren elektrischer Vektor (E) parallel zu x polarisiert ist, vollständig reflektiert wird und der transmittier­ te Strahlungsanteil dieser Polarisationsrichtung daher beliebig klein wird. Die optische Einrichtung stellt dann einen Linearpolari­ sator mit sehr hohem Polarisationskontrast dar. Eine solche polarisierende Vorrichtung ist im übrigen auch mit einer konventio­ nellen Stützstruktur, also z. B. einem dicken dielektrischen Substrat, von Vorteil.

Bei einem zweiten Typ der vorliegenden optischen Einrichtung besteht die optisch wirksame Vorrichtung (10) aus einer dünnen, homogenen Schicht aus Metall, einem Halbleiter oder einem dielek­ trischen Material. Eine solche Einrichtung kann als Fenster verwendet werden. Wenn andererseits die Schichtdicke d und die spezifische Leitfähigkeit σ des Schichtmaterials so gewählt werden, daß 1/(σ d)≈100 Ohm sind (Woltersdorff-Bedingung), so erreicht man eine hohe Strahlungsabsorption, wie sie für einen Detektor oder Modulator erwünscht sind. Im Falle eines Modulators kann die Leitfähigkeit der die Vorrichtung (10) bildenden Schicht durch auf diese zur Einwirkung gebrachte akustische, elektrische, magnetische oder optische Felder moduliert werden. Die Stützlamellen (12) können zur Kontaktierung der Schicht verwendet werden und beispielsweise zwei kammartige, ineinandergreifende Elektrodensysteme bilden. Die geringe ther­ mische Trägheit dünner Schichten ermöglicht eine hohe Modulations­ frequenz und eine hohe Empfindlichkeit bezüglich der steuernden Felder.

Bei einem dritten Typ der vorliegenden optischen Einrichtung, der in Fig. 2 dargestellt ist, enthält die Abstützvorrichtung zwei Gruppen von sich vorzugsweise rechtwinklig schneidenden Lamellen (12 a, 12 b), die ein metallisches Kreuzgitter bilden. Die optisch aktive Vorrichtung besteht aus einer Beschichtung aus halbleitendem oder dielektrischem Material, das z. B. durch Aufwachsen, Bedampfen oder dergl. auf die Stege des Kreuzgitters aufgebracht ist. Fig. 2 zeigt einen parallel zur x-z-Ebene verlaufenden Schnitt durch zwei Lamellen oder Stege (12 a) des Kreuzgitters, die sich in der y-Richtung erstrecken. Man sieht ferner die aus Halbleitermaterial oder dielektrischem Material bestehende Beschichtung (10 a) dieser Stege. Wird z. B. die Dicke s der z. B. aus einem halbleitenden Material bestehenden Beschichtung (10 a) so gewählt, daß (a-2 s) < g/2, aber a<λ/2 ist, dann kann man durch Erhöhen der Ladungsträgerdichte in der halbleitenden Beschichtung die Transmission der optischen Einrichtung von volltransmittierend auf vollreflektierend umschalten. Dieses Schalten kann durch Erhitzen der Halbleiterschicht (10 a) mittels kurzer Laserpulse sehr rasch erfolgen, da sich Ausbreitungseffekte wegen der relativ kurzen Lauflänge kaum störend bemerkbar machen können.

Die beschriebenen Stützstrukturen lassen sich durch verschiedene bekannte Verfahren herstellen. Man kann beispielsweise von einer dünnen Metallfolie ausgehen und in dieser durch ein photolithographisches Verfahren oder durch fokussierte Strahlung (Laserstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlung) schlitzartige oder quadratische Durchbrechungen erzeugen, so daß das stehen gebliebene Material die gewünschten Lamellen oder Stege ergibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Lamellen oder Stege durch Aufdampfen, Aufsputtern zu erzeugen, wobei die auf diese Weise gebildete Struktur erforderlichenfalls durch Galvanisierung verstärkt werden kann.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel in Form eines für eine Wellenlänge von 10,6 µm bemessenen Linearpolarisators hatten die Lamellen (12) die folgenden Abstände und Abmessungen

a = 8 µm; b = 2 µm, t = 4 µm

und die optisch wirksame Vorrichtung war eine Gitterstruktur aus parallelen rechteckigen Metallstäben, die senkrecht zu den Lamellen verlaufen und folgende Abstände und Abmessungen haben:

Abstand a′= 4 µm Breite b′= 2 µm Tiefe t′= 4 µm

Sowohl die Stützstruktur als auch die polarisierende Gitterstruktur bestanden aus Gold. Die Stützstruktur und die Gitterstruktur durchdrangen sich vollständig (analog zu Fig. 2, in der dann (12 b) die Gitterstäbe bedeuten würden), sie könnten sich jedoch auch nur teilweise durchdringen oder nebeneinander liegen, wie bei Fig. 1.

Außer Gold können auch andere Metalle, vorzugsweise jedoch Edelmetalle für die Stützstruktur und/oder die optisch wirksame Vorrichtung, soweit sie aus Metall besteht, verwendet werden.

Claims (11)

1. Optische Einrichtung mit

• - einer optisch wirksamen Vorrichtung (10), welche gewisse Flächenabmessungen sowie eine so geringe Dicke (d) hat, daß sie für sich allein mechanisch nicht ausreichend stabil ist und welche für die Transmission optischer Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches ausgelegt ist, und
• - einer für die Strahlung im wesentlichen transparenten Abstützvorrichtung, die zur mechanischen Stabilisierung der optisch wirksamen Vorrichtung mit dieser verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Abstützvorrichtung mindestens eine Gruppe von beabstandeten Stegen oder Lamellen (12) aus Metall enthält, deren Abstände (a) größer als die Hälfte der maximalen Wellenlänge des vorgegebenen Wellenlängenbereiches ist, und
• - die Lamellen (12) eine solche Breite (b) und einen solchen Abstand (a) voneinander haben, daß die Summe (a+b) aus einer Lamellenbreite und einem Lamellenabstand kleiner als die kleinste effektive Wellenlänge des Wellenlängenbereiches ist, wobei im Falle von senkrechtem Strahlungseinfall die effektive Wellenlänge gleich der kleinsten Wellenlänge des Wellenlängenbereiches und bei Einfall der Strahlung unter einem Winkel α (z. B. in der z-y-Ebene) die effektive Wellenlänge gleich der minimalen Wellenlänge geteilt durch (1-sin α) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe (a+b) aus einer Lamellenbreite (b) und einem Lamellenabstand (a) gleich einer Nennwellenlänge im Wellenlängenbereich geteilt durch einen in der Größenordnung von 1,1 bis 1,3 liegenden Faktor ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenabstand (a) etwa das 0,6-fache der Nennwellenlänge und die Lamellenbreite (b) etwa gleich dem 0,25-fachen der Nennwellenlänge sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützvorrichtung zwei sich kreuzende Scharen paralleler metallischer Lamellen enthält.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen beider Scharen die gleichen Breiten und Abstände haben.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksame Vorrichtung eine im wesentlichen homogene Schicht (10) aus halbleitendem oder dielektrischem Material enthält.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksame Vorrichtung eine aus halbleitendem oder dielektrischem Material bestehende Schicht (10 a) auf der Oberfläche der Lamellen (12 a) enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (12 a) mit einer halbleitenden Schicht (10 a) solcher Dicke (s) beschichtet sind, daß die Differenz (a-2 s) zwischen dem Lamellenabstand (a) und der doppelten Schichtdicke (2 s) kleiner als die Hälfte einer Nennwellenlänge im Wellenlängenbereich ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erhöhen der Ladungsträgerdichte in der halbleitenden Schicht (10 a).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksame Vorrichtung ein Paralleldrahtgitter enthält.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksame Vorrichtung eine Schar paralleler metallischer Lamellen enthält, die die Lamellen (12) der Stützstruktur kreuzen und eine solche Breite (b′) sowie solche gegenseitige Abstände (a′) haben, daß die Abstände (a′) kleiner als die Hälfte einer Nennwellenlänge des Wellenlängenbereiches ist und die Summe (a′+b′) aus einem Lamellenabstand und einer Lamellenbreite kleiner als die Nennwellenlänge ist.