DE4124937C2 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Interferenzschichtsystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Interferenzschichtsystems gemäß der Gattung der Patentansprüche.

Interferenzoptische Schichtsysteme bestehen im allgemeinen aus übereinander erzeugten dielektrischen und/oder metallischen Schichten verschiedenster Anordnungen, die auf optisch polierte Schichtträger, z. B. Gläser oder Kristalle aufgedampft, gesputtert oder anderweitig niedergeschlagen werden.

Dabei hat besonders bei der Gruppe der Interferenzfilter das optische Interferenzschichtsystem die Hauptfunktion des Bauelements übernommen, und der Schichtträger ist nur noch Halter des Bauelements. Häufig schützt man die empfindlichen Schichtsysteme, indem man sie nachträglich durch einen optischen Kitt, der aus Gründen der optischen Symmetrie die Brechzahl des Schichtträgers haben soll, mit einem zweiten Träger so verkittet, daß sie weitgehend von Umwelteinflüssen ferngehalten werden. Durch die angewandten Techniken zur Schichtherstellung ist man praktisch gezwungen, die Existenz mindestens eines Schichtträgers in Kauf zu nehmen und kann die Gruppe der symmetrisch in Luft oder Vakuum gelagerten Systeme nur mathematisch simulieren.

Nun läßt sich aber zeigen, daß gerade diese Gruppe schichtoptische Lösungen enthält, die den geschilderten Stand der Technik erheblich übertreffen, und es wäre naheliegend, ein solches System zu erzeugen, wenn nicht grundlegende Schwierigkeiten bestehen, würden. Diese Schwierigkeiten sind in den oben geschilderten Herstellungsverfahren begründet. Die danach hergestellten Schichten sind nämlich im allgemeinen ohne Schichtträger nicht genügend stabil, weil sie häufig aus einem locker aufgebauten System von Säulen bestehen, die in der Regel senkrecht zur Schichtfläche stehen. Deshalb zerfallen sie in viele Mikrokristalle, wenn sie ihren Träger verlieren; selbst auf dem Träger und im verkitteten Zustand zeigen sie häufig schon Zerfallsreaktionen, wenn z. B. nur Feuchtigkeit in sie eindringt. Weiterhin muß man ihre äußerst geringe Dicke, die immer in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegt, ebenfalls als höchst empfindlich ansehen, was jede Manipulation mit solchen Schichtsystemen zunächst undurchführbar macht.

Aus der US 4 373 775 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Interferenzfilters zur Verwendung in einem in zwei Richtungen wirkenden optischen Koppler bekannt, bei dem auf ein Substrat ein aus dichroitischen Schichten bestehendes Interferenzschichtsystem unmittelbar aufgebracht wird. Jedes Substrat ist nur einmal verwendbar, weil das Interferenzschichtsystem dadurch vom Substrat gelöst wird, daß letzteres aufgelöst wird. Dieses Verfahren ist materialaufwendig und umständlich handhabbar.

Die EP 0 442 801 A1 beinhaltet u. a. ein Herstellungsverfahren für dielektrische Vielschichtfilter, bei dem auf eine glätte Trägeroberfläche eine definierte Polyimidschicht aufgebracht, getrocknet und gehärtet wird. Auf diese wird der Vielschichtfilter aufgetragen und zusammen mit der Polyimidschicht abgelöst. Die Polyimidschicht ist für die Stabilität des Vielschichtfilters erforderlich. Da sie zum Vielschichtfilter gehört, müssen ihre Dicke und Brechzahl der gewünschten Interferenzfunktion angepaßt sein, was die Möglichkeiten solcher Systeme einengt. Deshalb ist ein derart gestalteter Vielschichtfilter nicht in allen Fällen, besonders nicht bei optisch symmetrischen Interferenzschichtsystemen, verwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannten Mängel abzustellen und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Interferenzschichtsystems anzugeben, dessen optische Eigenschaften und Stabilität nicht durch einen Träger beeinflußt werden. Das Verfahren soll eine möglichst sichere Handhabung des Interferenzschichtsystems gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird ein derartiges Interferenzschichtsystem gemäß dem Kennzeichen des ersten Patentanspruchs hergestellt. Dabei besitzt ein optisches Interferenzschichtsystem, das aus einer oder mehreren übereinander angeordneten dielektrischen und/oder metallischen Schichten besteht, vorteilhafterweise einen Schichthalter, der die optische Funktionsfläche des Schichtsystems frei läßt und nur in der Randzone des Schichtsystems mit diesem verbunden ist. In diesem Bereich sind also nur die zur Interferenz erforderlichen Schichten des freitragend angeordneten Schichtpakets optisch wirksam. Es ist günstig, den Schichthalter als Glasring auszubilden.

Bei der Realisierung der Erfindung stellt sich heraus, daß durch solche Bauelemente ganz neue technische Möglichkeiten entstehen, die dadurch begründet sind, daß das optische Bauelement durch seine äußerst geringe Masse gestattet, als hochempfindlicher Sensor eingesetzt zu werden. Zum Beispiel kann ein Lichtstrahl, der von einem solchen Bauelement reflektiert wird, außerordentlich empfindlich Schallwellen registrieren, die eine derartige optische Membran zum Schwingen bringen.

Hauptursache ihr die scheinbare Undurchführbarkeit des Erfindungsgedankens ist die nach dem Stand der Technik übliche Praxis, das Interferenzschichtsystem im Herstellungsprozeß, der meist im Hochvakuum stattfindet, möglichst komplett zu erzeugen, damit die angewandten in-situ-Kontrolltechniken, die meist selbst Interferenzmethoden sind, eine sichere und reproduzierbare Produktion ermöglichen. Dieses Herstellungsverfahren zielt deshalb immer auf das Übereinanderbringen von chemisch abgesättigten Schichten ab, deren Zusammenhalt sowohl vertikal als auch horizontal praktisch nur durch van-der-Waals-Kräfte besorgt wird, wobei alle geschilderten nachteiligen Konsequenzen auftreten.

Die Erfindung beschreitet nun einen anderen Weg. Die das Schichtsystem erzeugenden Moleküle werden nicht beim Herstellungsprozeß im Hochvakuum abgesättigt, sondern ihre chemische Affinität wird dadurch erhalten, daß bei einem weiteren technologischen Schritt eine allgemeine Reaktion dafür sorgt, daß das ganze Schichtpaket vertikal und horizontal durch chemische Bindungen verbunden (vernetzt) wird. Diese chemische Verbindung verleiht dem Interferenzschichtsystem die nötige Stabilität, so daß hiermit tatsächlich manipuliert werden kann und freitragende interferenzoptische Bauelemente herstellbar sind.

Die Erfindung soll an einem bisher sehr schwierigen Problem der Interferenzschichtenoptik unter Zuhilfenahme der schematischen Fig. 1 und 2 erläutert werden.

Dabei zeigen:,

Fig. 1 die verlustfreie Teilung eines Lichtstrahls,

Fig. 2 die Intensitätsverteilung der Lichtanteile.

Ein monochromatischer Lichtstrahl, z. B. ein Laserstrahl, soll an einer um 45° geneigten Fläche F im Intensitätsverhältnis 1 : 1 durch ein dielektrisches Schichtsystem praktisch verlustfrei geteilt werden. Dabei muß diese 1 : 1-Teilung für beide möglichen Polarisationsschwingungen P und S realisiert, also R_p = R_s = 50% und T_p = T_s = 50% sein (Fig. 1). Nun läßt sich zeigen, daß für die im sichtbaren Spektrum technisch realisierbaren Schichtbrechzahlen eine Lösung des oben genannten Problems existiert, wenn das Schichtsystem freitragend und gewissermaßen symmetrisch in das Außenmedium Luft eingebettet ist (Fig. 2).

Dabei sind λ die Wellenlänge des monochromatischen Lichtes; k₁ = 1,13 und k₂ = 1,05. Die Brechzahlen von SiO₂ und TiO₂ sind bekanntlich in gewissen Grenzen einstellbar, wenn man den Sauerstoffanteil der Oxide verändert.

Die Darstellung dieses oder anderer Systeme gelingt nun dadurch, daß die Herstellung des Schichtpaktetes aus SiO₂ und TiO₂ im Hochvakuum durch die Verdampfung der Suboxide SiO und TiO in einer Wasserdampf-Restgasatmosphäre bei ca. 10^-2 Pa bei Schichtträgertemperaturen um 20°C erfolgt. Vor dem Aufdampfen des eigentlichen Schichtpaketes wird eine wasserlösliche Unterlagenschicht aus Natriumchlorid oder Kaliumbromid auf den Schichtträger, der z. B. aus Glas besteht, aufgebracht, die ein leichteres nachfolgendes Ablösen des Schichtpaketes vom Schichtträger ermöglicht.

Durch die Anwesenheit des Wasserdampfes während der Verdampfung bilden sich mit den Suboxiden SiO und TiO Hydroxide, die die Reaktionsbereitschaft des Schichtpaketes gewissermaßen konservieren. Nach dem Belüften tempert man den Schichtträger bei 400°C und erreicht dadurch die o. g. Vernetzung. Anschließend klebt man mit Hilfe eines Epoxidharzes auf das Schichtpaket den, z. B. ringförmigen Halter, der ebenfalls aus Glas bestehen kann, und gibt das so präparierte System in destilliertes Wasser. Dabei löst sich die Natriumchlorid- oder Kaliumbromidunterlage auf und das Schichtpaket kann mit dem Schichthalter zusammen vom Schichtträger abgezogen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Interferenzschichtsystems, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen durchgehenden Schichtträger eine lösliche Unterlagenschicht aufgebracht wird, daß auf die Unterlagenschicht bei einer Schichtträgertemperatur von etwa 20°C ein Schichtpaket aus Suboxiden in einer Wasserdampfatmosphäre bei etwa 10^-2 Pa abgeschieden wird, daß das auf diese Weise gewonnene Schichtsystem bei etwa 400°C unter Luft oder Sauerstoff getempert wird, daß danach ein die optische Funktionsfläche des Schichtsystems freilassender Schichthalter auf das Schichtpaket aufgeklebt wird und daß schließlich das Schichtpaket vom Schichtträger durch Auflösen der Unterlagenschicht getrennt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagenschicht aus Natriumchlorid oder Kaliumchlorid besteht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtträger aus Glas besteht.

4. Verfahren gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichthalter ein Glasring ist.