DE3707983A1 - Optische einrichtung geringer dicke mit abstuetzvorrichtung - Google Patents
Optische einrichtung geringer dicke mit abstuetzvorrichtungInfo
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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.
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ID=6322878
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