DE2643586C3

DE2643586C3 - Interferenzreflexionsfilter

Info

Publication number: DE2643586C3
Application number: DE2643586A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Adrianus Jacobus Gielens; Johannes Maria Marinus Pasmans; Johannes Van Der Wal
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1978-10-12
Also published as: JPS5648845B2; FR2326713B1; DE2643586B2; GB1564618A; CH608107A5; US4099840A; DE2643586A1; DK439176A; AU1831176A; JPS5243443A; DK141976C; DK141976B; AU503724B2; IN144661B; CA1075053A; IL50585A0; IL50585A; NL7511581A; BE846814A; FR2326713A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferenzreflexionsfilter der Form S(HL)' H', wobei S ein Glassubstrat ist, H eine Oxidschicht mit einer hohen Brechungszahl, L eine Oxidschicht mit einer niedrigen Brechungszahl, ;' eine ganze Zahl und H' die letzte Oxidschicht auf der vom Substrat abgekehrten Seite.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Interferenzreflexionsfilters.

Mehrschichtenreflexionsfilter reflektieren völlig oder teilweise Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs und finden in einem großen Gebiet der Optik, wie bei Schmalbandinterferenzfiltern, Spiegeln für Gasentladungslaser hoher Güte und Kondensorspiegeln, für Projektoren u. dgl., Anwendung.

Aus der österreichischen Patentschrift 2 18 193 sind dünne Oxidschichten bekannt, die als hoch- und niederbrechende Schichten für reflexionsvermindernde Beläge, für Interferenzfilter, Strahlenteiler. Wärmefilter, Kaltlichtspiegel, Beläge für Brillengläser u. dgl. verwendet werden. Mindestens eine der Schichten wird aus einem Gemisch von Metalloxiden aufgedampft. Ein derartiges Gemisch besteht aus Titanoxid, das mit einem oder mehreren Elementen aus der die Seltenen Erden des Periodischen Systems, Yttrium, Lanthan und Cer, enthaltenden Gruppe und/oder einer oder mehreren Verbindungen dieser Elemente gemischt ist. Es stellt sich heraus, daß das Ergebnis bei Anwendung derartiger Gemische nicht ganz befriedigend ist, weil die Schichten eine weniger gute Struktur aufweisen, d. h., daß sie doch noch mehr oder weniger porös sind, wodurch Reduktion des Oxides, z. B. durch Wasserstoff, möglich ist.

Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, daß es aus »Thin-Film Optical Filters«, H. A. M a c I e ο d, London, 1969, S. 94, 95 und 219 bekannt war, dielektrische Mehrschichtensysteme aus Oxiden und Fluoriden, aus unterschiedlichen Fluoriden und aus Sulfiden und Fluoriden aufzubauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferenzreflexionsfilter mit einer so guten Seiiichtstruktur des Mehrschichtensystems zu schaffen, daß eine hohe Beständigkeit gegenüber Wasserstoff und ultraviolettem Licht erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von den hochbrechenden Schichten mindestens die Si hicht H' mindestens ein Oxid aus einer ersten Gruppe bestehend aus Thoriumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid und Hafniumoxid als Stabilisatoren gegen Reduktion durch Wasserstoff und mindestens ein Oxid aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Berylliumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid enthält, wobei der Anteil der letztgenannten Oxide zwischen ! und 30 Gew.-P/o liegt.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß dem Gemisch von Metalloxiden ein stabilisierendes Oxid zugesetzt werden muß. Moleküle dieses stabilisierenden Oxids werden das Kristallwachstum beeinflussen, weil sie sich in den Zwischenräumen (zwischen den Molekülen der übrigen am Gemisch beteiligten Oxide) und außerdem noch in größerem Maße an den Kristallkorngrenzen befinden. Auf diese Weise wird eine Schicht erhalten, die weniger empfindlich für z. B. Reaktionen mit dem Plasma eines Gasentladungslasers ist.

Derartige Interferenzreflexionsfilter eignen sich besonders gut zur Anwendung in Gasentladungslasern, weil sie zu einer langen Lebensdauer (5000 Betriebsstunden und langer) beitragen.

Das stabilisierende Oxid, das aus Berylliumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid oder einem Gemisch dieser Oxide besteht, muß beim Aufdampfen 1 bis 30 Gew.-% der Gesamtmenge der verwendeten Oxide bilden. Es stellt sich heraus, daß die Gewichtsprozentsätze an Oxiden in dem (den) Tiegel(n) der Aufdampfvorrichtung vor dem Aufdampfen nicht den Prozentsätzen zu entsprechen brauchen, die nach dem Aufdampfen in der Schicht vorhanden sind. Zum Beispiel enthält eine Schicht, die aus einem Gemisch mit 5% Calciumoxid aufgedampft ist. 16 bis 20 Gew.-% Calciumoxid.

Es stellt sich heraus, daß der stabilisierende Effekt maximal ist, wenn etwa 5 bis 15% Calciumoxid im Tiegel der Aufdampfvorrichtung vorhanden ist.

Das Gemisch für das Aufdampfen besteht vorzugsweise aus etwa 95% Titanoxid, das mit etwa 5% Calciumoxid ergänzt ist.

Die Schichten können auch durch Zerstäubung in einer Zerstäubungsvorrichtung aufgebracht werden, obgleich die Dickenbeherrschung der Schichten dabei viel schwieriger als beim Aufdampfen in einer Aufdampfvorrichtung ist.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Bild eines Fünfschichten-Interferenzreflexipnsfilters im Schnitt zeigt.

Eine erste Schicht 2 auf einem Glassubstral I ist eine Schicht mit einer hohen Brechüngszahl (H). Darauffolgende Schichten weisen abwechselnd eine niedrige (L) Und eine hohe (H) Brechungszahl auf. Da die letzte

Schicht im allgemeinen eine hohe Brechungszahl aufweist, folgt daraus, daß derartige Inlerferenzreflexionsfilter oft aus einer ungeraden Anzahl von Schichten bestehen. Meistens werden Glas- oder Quarzsubstrate verwendet. Wenn die zwei parallelen Oberflächen 3 und 4 betrachtet werden und es erforderlich ist, daß die an diesen Oberflächen reflektierten Lichtstrahlen gleichphasig sind, um sich gegenseitig durch Interferenz zu verstärken, muß die optische Dicke der Schicht 5 vorzugsweise gleich einem Viertel der Wellenlänge in der betreffenden Schicht sein. Die mechanische Dicke ist die optische Dicke geteilt durch die Brechungszahl. Bei Anwendung einer sehr großen Anzahl von Schichten werden die aufeinanderfolgenden Oberflächen Licht reflektieren und je die erste Reflexion verstärken. Die Höchstanzahl von Schichten wird bestimmt durch:

1) die Absorption und Streuung im Material der Schichten und

2) Probleme mit der Haftung der Schichten an dem Substrat und aneinander.

Die Absorption und Streuung werden d'-rch die Struktur der Schicht mitbestimmt, die durch Anwendung der Materialien und des Verfahrens nach der Erfindung erheblich verbessert wird.

Der erste in der Herstellung derartiger Interferenzreflexionsfilter ist die Reinigung des Substrats, wodurch die Haftung verbessert und eine unerwünschte Streuung vermieden wird. Dann werden die Substrate in eine Aufdampfvorrichtung gesetzt, in der auch die aufzudampfenden Materialien vorhanden sind, die auf eine hohe Temperatur (1300 bis 2000⁰C) gebracht werden, wobei der Druck in der Vorrichtung etwa 10 ■* Torr ist. Auf diese Weise werden nacheinander Schichten mit einer optischen Dicke von '/ι Α (λ = Wellenlänge des Lichtes im Material) mit abwechselnd einer hohen und einer niedrigen Brechungszahl aufgedampft. Das Auf dampfen mindestens der letzten Schicht mit einer hohen Brechungszahl kann z. B. gemäß den nachstehenden Ausführungsbeispielen erfolgen:

Beispiel 1

5 g Titanoxidpulver, vorzugsweise Titandioxid, wird mit 0,25 g Calciumoxid gemischt. Dieses Gemisch wird komprimiert und in die Aufdampfvorrichtung eingeführt und als letzte Schicht auf ein Interferenzreflexionsfilter aufgedampft. Laser, die mit diesen Interferenzreflexionsfiltern versehen waren, hatten bei einer konstanten Ausgangsleistung von 180OnW eine Betriebsdauer von wenigstens 4500 Stunden.

Beispiel 2

Ein Gemisch von 95 Gew.-% Zirkonoxid und 5 Gew.-% Calciumoxid wurde komprimiert und mit Hilfe eines Elektronenstrahls auf für den Fachmann bekannte Weise in der Aufdampfvorrichtung verdampft. Die letzte Schicht auf der vom Glassubstrat abgekehrten Seite eines Titanoxid-Siliciumoxid-lnterferenzreflexionsfilters wurde aus diesem Gemisch aufgedampft. Mit diesen Spiegeln hergestellte Laser wurden während 2500 Stunden mit einer nahe/u konstanten Ausgangsleistung von 1600 uW betrieben.

B e i s ρ i e I 3

Eine letzte Schicht auf der von dem Substrat abgekehrten Seite aus einem Gemisch von 98 Gew.-"/o Titanoxid und 2 Gew.-% Calciumoxid ergab nach Aufdampfen einen Reflektor für einen Laser mit einer langen Lebensdauer und konstanter Qualität.

Beispiel 4

Nr. der Schicht:
Material:

0123456789 10 S HLHLHLHLHL

Nr. der Schicht:	19	20	21	22	23
Material:	H	L	H'	L	H'

Kurzformel für die Schichtenfolge S(HL)¹⁰H¹LH', wobei bedeuten:

Kurzformel für die Schichtenfolge S(HL)¹¹H', wobei bedeuten:

S = Glassubstrat

H = Titanoxid

L = Siliciumoxid

H' = Calciumoxid-Titanoxid-Gemisch

Jede Schicht hat eine optische Dicke gleich ¹A λ. Ein anderes Beispiel iit ein Mehrschichtenpaket, wobei nur die letzten Schichten aufgeführt werden:

Beispiel 5

12 13
L H

14 15 16 17 18 19 20 2'. 22 23 LHLHLHLHLH'

S = Glassubstrat

H = Titanoxid

L- = Siliciumoxid

H' = Zirkonoxid-Magnesiumoxid-Gemr.ch

Der Hauptgedanke, auf dem die Erfindung basiert, ist die Kombination von Metalloxiden in mindestens der letzten Schicht mit hoher Brechungszahl auf der von dem Substrat abgekehrten Seite. Diese Kombination von Metalloxiden kann auch dadurch erhalten werden, daß aus einem Metall aus der durch Thorium. Titan. Hafnium und Zirkon gebildeten Gruppe und einem Metalloxid eines Elements aus der durch Berylliumoxid. Magnesiumoxid und Calciumoxid gebildeten Gruppe in einer oxidierenden Atmosphäre aufgedampft oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird. Eine auf diese Weise erhaltene KomDination von Metalloxiden liegt also auch im Rahmen der Erfindung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Interferenzreflexionsfilter der Form S(HL)¹H', wobei S ein Glassubstrat ist, H eine Oxidschicht mit einer hohen Brechungszahl, L eine Oxidschicht mit einer niedrigen Brechungszahl, /eine ganze Zahl und H' die letzte Oxidschicht auf der vom Substrat abgekehrten Seite, dadurch gekennzeichnet, daß von den hochbrechenden Schichten mindestens die Schicht H' mindestens ein Oxid aus einer ersten Gruppe bestehend aus Thoriumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid und Hafniumoxid als Stabilisatoren gegen Reduktion durch Wasserstoff und mindestens ein Oxid aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Berylliumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid enthält, wobei der Anteil der letztgenannten Oxide zwischen 1 und 30 Gew.-% liegt.

2. Interferenzreflexionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht H' 16 bis 20 ia Gew.-% Calciumoxid enthält.

3. InterferenzreflexionsfUter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht H' 80 bis 84 Gew.-% Titanoxid enthält.

4. Verfahren zur Herstellung eines Interferenzreflexionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aufgedampft werden und beim Aufdampfen mindestens der letzten Schicht eine Oxidmenge aus der zweiten Gruppe zwischen 1 und 30 Gew.-°/o der Gesamtmenge an Oxiden JO gewählt wird.

5. Verfahrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die letzte Schicht aus einem Gemisch aufgedampft wird, das 5 bis 15 Gew.-% Calciumoxid enthalt J5