Interferenzfilter

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Interferenzfilter und Interferenzspiegel sind optische Bauelemente die den Effekt der Interferenz nutzen um Licht frequenzabhängig, d. h. farbabhängig für sichtbares Licht, zu filtern oder zu spiegeln. Die Bezeichnung des Bauelements als Filter oder Spiegel hängt davon ab ob man das transmittierte oder reflektierte Licht nutzt. Zumeist sind diese Bauelemente als dielektrische, dünne Schichten auf einem Träger aufgebaut (z. B. Bragg-Spiegel). Daneben gibt es auch Bauelemente in Form von Fabry-Perot-Interferometern.

Ein solcher Filter bzw. Spiegel hat für Licht unterschiedlicher Wellenlängen, unterschiedlichen Einfallswinkel und teilweise unterschiedlicher Polarisation einen verschiedenen Reflexions- und Transmissionsgrad.

Interferenzfilter mit breiten Durchlassbereichen

Bestimmende Eigenschaften[Bearbeiten]

Die wesentlichen Eigenschaften sind:

  • Der spektrale Transmissionsgrad \tau (\lambda, \mathrm{AOI}, p) ist das Verhältnis von durchgelassener Strahlungsleistung zu einfallender Strahlungsleistung. Dieser kann auch als optische Dichte D(\lambda, \mathrm{AOI}, p) angegeben werden, der mit dem Transmissionsgrad über die Formel \tau (\lambda, \mathrm{AOI}, p) = 10^{-D(\lambda, \mathrm{AOI}, p)} verknüpft ist.
  • Der spektrale Reflexionsgrad \rho(\lambda, \mathrm{AOI}, p) ist das Verhältnis von reflektierter Strahlungsleistung zu einfallender Strahlungsleistung.
  • Der spektrale Absorptionsgrad \alpha(\lambda, \mathrm{AOI}, p) ist das Verhältnis des im Bauelement in eine andere Energieform (z. B. Wärme) umgesetzten Strahlungsleistung zur einfallenden Strahlungsleistung.
  • Die spektrale Streuung ist die Summe des nicht gerichteten (diffusen) spektralen Transmissions- und Reflexionsgrades.

jeweils mit der Wellenlänge \lambda, dem Einfallswinkel AOI (engl. angle of incidence) und dem Polarisationszustand des einfallenden Lichts p. Bei Transmissions- und Reflexionsgrad unterscheidet man zwischen dem gerichteten und dem diffusen Anteil. Für die spektrale Beschreibung wird der gerichtete Anteil zugrundegelegt, während die Summe der diffusen Anteile die spektrale Streuung ergeben. In besonderen Fällen spielt die Änderung der Phasenbeziehung zwischen s- und p-polarisiertem Anteil der einfallenden Strahlung durch das Bauteil eine Rolle.

Unterteilung[Bearbeiten]

Die Unterteilung von Interferenzfiltern- und Spiegeln kann hinsichtlich der genutzten Materialien als auch hinsichtlich der spektralen Eigenschaften erfolgen. Hinsichtlich der Materialwahl gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Formen. Filter und Spiegel der ersten Gruppe nutzen teildurchlässige, das heißt sehr dünne, metallische Schichten (meist zwei Schichten, die durch eine Abstandsschicht getrennt werden, ähnlich einem Fabry-Pérot-Interferometer).[1] [2] Die zweite Gruppe basiert auf der Interferenz in einem Stapel aus meist mehreren dielektrischen Schichten unterschiedlicher Materialien.[3][1]

Hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften unterscheidet man zwischen folgenden Filtern[4]:

  • Bandpassfilter: Hat einen hohen Transmissionsgrad für ein bestimmtes Wellenlängenband, während kürzere und längere Wellenlängen reflektiert oder absorbiert werden (z. B. in Farbfilterrädern für Beamer).
  • Bandsperrfilter: Hat einen geringen Transmissionsgrad für einen bestimmten Wellenlängenbereich, während kürzere und längere Wellenlängen durchgelassen werden (z. B. Filter für die Fluoreszensmikroskopie).
  • Langpassfilter: Hat einen hohen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen (z. B. Kaltlichtreflektoren für Halogenlampen).
  • Kurzpassfilter: Hat einen hohen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen (z. B. Infrarotsperrfilter für Digitalkameras).
  • Polarisierender Strahlteiler: Hat einen hohen Transmissionsgrad für eine Polarisation (typisch p-Polarisation) und einen niedrigen Transmissionsgrad für die orthogonale Polarisation (typischerweise s-Polarisation).

Filter, die einen unterschiedlichen Transmissions- oder Reflexionsgrad für zwei Wellenlängenbereiche aufweisen werden auch als dichroitische Interferenzfilter bzw. -Spiegel bezeichnet. Bauelemente für drei Wellenlängenbereiche werden trichroitische bezeichnet.

Interferenzfilter können sowohl schmalbandige Filter, sogenannte Linienfilter, als auch breitbandige Bandfilter sein.[3]

Aufbau[Bearbeiten]

Im klassischen Sinne sind Interferenzfilter- und Spiegel nicht durchstimmbare Fabry-Pérot-Interferometer und bestehen beispielsweise aus einer dicken Trägerschicht (Glas), auf die eine teildurchlässige metallische Spiegelschicht (z. B.: Silber, Aluminium) aufgedampft wird, gefolgt von einer dünnen dielektrischen, transparenten Schicht und einer zweiten Spiegelschicht (Mehrfachinterferenzfilter). Durch die Schichtdicke l der dielektrischen Schicht legt man fest, welche Wellenlängen gefiltert werden. Der Transmissionsgrad der Spiegelschichten beeinflusst die Güte des Bauteils (bei dünnen Spiegelschichten ist das Maximum des transmittierten Frequenzbandes breit und dessen Intensität hoch; daraus folgt eine geringe Güte des Filters).

Funktionsweise[Bearbeiten]

Funktionsweise eines Interferenzfilters bzw. -Spiegels
Reflexionsverhalten eines einfachen Interferenzfilters (15 nm Ag / 150 nm MgF2 / 15 nm Ag), farbcodierte Abhängigkeit der Reflexion vom Einfallswinkel und der Wellenlänge

Um die Funktionsweise eines Interferenzfilters bzw. -Spiegels zu erklären, wird im Folgenden ein einfaches System einer dünnen, dielektrischen Schicht auf einem Substrat beschrieben.

Tritt ein „Lichtstrahl“ in das Bauteil, so wird der Lichtstrahl gemäß den Fresnel-Formeln an jeder (optischen) Grenzfläche teilweise transmittiert (T1, T2, …) und reflektiert (R1, R2, …). Es findet eine Aufspaltung der auf die Oberfläche treffenden Strahlen statt. Die transmittierten, gebrochenen Strahlen werden wiederum teilweise an der Unterseite der Schicht reflektiert und treffen wiederum auf die Oberfläche. Bei der dort stattfindenden Reflexion verlässt nach erneuter Brechung ein Teil der Strahlen (R1) die dünne Schicht, der andere Teil wird reflektiert und erfährt im weiteren Verlauf in der Schicht Mehrfachreflexionen. Dies führt zu vielen parallel austretenden Strahlen gleicher Frequenz auf beiden Seiten des Bauteils.

Der Interferenz an dünnen Schichten geht eine Strahlteilung voraus. Daher wird sie auch als Amplitudenteilung bezeichnet; im Gegensatz zur Interferenz durch Beugung wie beim Doppelspaltversuch, bei der von Wellenfrontteilung gesprochen wird.

Um die Funktionsweise einfacher zu verdeutlichen, wird zunächst schwache Reflexion vorausgesetzt, d. h., die Mehrfachreflexionen werden vernachlässigt. Es genügt die Interferenz von zwei Teilwellen zu betrachten, beispielsweise R0 und R1. Die beiden Parallelstrahlen werden nun durch eine Sammellinse (beispielsweise das Auge) zur Interferenz gebracht. Durch die unterschiedlichen Weglängen der Wellen in der dünnen Schicht, weisen sie nach der Reflexion einen Gangunterschied \Delta auf.

\Delta = 2 n l + a

wobei l die Schichtdicke, n den Brechungsindex der dünnen Schicht und a der durch die Reflexionen eventuell zusätzlich erzeugte Gangunterschied ist.

Durch den Gangunterschied kommt es zur Auslöschung (destruktive Interferenz) oder Verstärkung (konstruktive Interferenz) von Strahlen bestimmter Wellenlängen. Auslöschung und Verstärkung bestimmter Wellenlängen sind abhängig von der gewählten Schichtdicke l des Filters und vom Einfallswinkel \theta der Strahlen.

Damit es zur vollständigen konstruktiven und/oder destruktiven Interferenz kommen kann, müssen folgende Bedingungen erfüllt werden:

  • Die interferierenden Strahlen müssen dicht nebeneinander parallel verlaufen und kohärent sein. Diese Bedingung ist für die Teilstrahlen (T1) und (T2) sowie die Teilstrahlen (R1) und (R2) gegeben.
  • Die Amplituden der Teilstrahlen müssen gleich groß sein.
  • Die Phasenverschiebung muss
  • (2n − 1)·180° (mit n = 1,2,3,4, …) für destruktive Interferenz
oder
  • n·360° (mit n = 0,1,2,3, …) für konstruktive Interferenz
betragen.

Anwendungen[Bearbeiten]

Filter[Bearbeiten]

Im Folgenden wird eine Reihe von Filtern aufgelistet, deren Wirkung auf Interferenzeffekten beruht:

  • Dielektrisches Filter: Filter ohne metallische, sondern rein aus dielektrischen Schichten bestimmter Dicken und alternierender Brechungsindex.[5]
  • Antireflexbeschichtung: (auch Vergütungsschicht oder reflexmindernde Schicht genannt) – destruktive Interferenz der reflektierten Strahlen auf optischen Bauteilen. Verbesserte Transmission durch konstruktive Interferenz bestimmter Wellenlängen.

Neben den beschriebenen Interferenzfiltern gibt es noch weitere optische Bauelemente, bei denen Interferenzen genutzt bzw. beobachtet werden. Dazu zählt unter anderem die Lummer-Gehrcke-Platte bei der Licht mehrfach in einer planparallelen Platte reflektiert (nahe dem Grenzwinkel der Totalreflexion) wird, dabei streifend austritt und interferiert.

Spiegel[Bearbeiten]

Dichroitische Spiegel[Bearbeiten]

Dichroitische Spiegel werden zum Beispiel in größeren Videokameras (Drei-CCD-Kameras) eingesetzt, um das einfallende Licht in den RGB-Farbraum aufzuspalten, wozu zwei solcher Spiegel mit Reflexion in verschiedenen Wellenlängen-Bereichen gebraucht werden (siehe auch CCD-Sensor).

Dichroitische Spiegel werden in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, um das aus einem Epifluoreszenzkondensor einfallende anregende Licht in den Strahlengang des Objektivs einkoppeln zu können, ohne den Durchtritt der Fluoreszenzemission zu behindern. Zur Beobachtung von mehrfach gefärbten Proben können auch polychroitische Spiegel zum Einsatz kommen, die mehrere reflektierende bzw. transmittierende Spektralbereiche haben.

Neben der Anwendung als spektral selektierende Strahlteiler können dichroitische Spiegel auch als Strahlvereiniger genutzt werden, um z. B. mehrere Laser mit verschiedenen Wellenlängen in einen gemeinsamen Strahlengang einzukoppeln (siehe Diodenlaser).

Dichroitische Spiegel spiegeln im Gegensatz zur Reflexion an Metalloberflächen das Licht einer Wellenlänge sehr verlustarm und werden daher gerne in der Lasertechnik verwendet. Wegen der verlustarmen Reflexion wird bei intensiven Laserstrahlen weniger Leistung im Spiegel deponiert; dichroitische Spiegel sind daher auch bei sehr hohen Laserleistungen, bei denen Metallspiegel beschädigt werden würden, verwendbar.

Bei einem dichroitischen dielektrischen Spiegel für Laseranwendungen lässt sich der Reflexionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch geeignete Wahl von Schichtzahl, Dicke und Brechungsindex der verwendeten Dielektrika nahezu beliebig und sehr exakt einstellen, was zur wellenlängenabhängigen Kopplung von Laserstrahlen ein unerlässliches Hilfsmittel darstellt.

Für Reflexvisiere werden dichroitische Spiegel verwendet, um das rote Laserlicht des Zielpunktes in das Auge des Schützen zu projizieren.

Kaltlicht- und Wärmespiegel[Bearbeiten]

Kaltlicht- und Wärmespiegel sind spezielle, in ihrer Wirkung entgegengesetzte, dichroitische Spiegel. Ein Wärmespiegel (engl. hot mirror) zeichnet sich durch einen hohen Transmissionsgrad im sichtbaren und einen hohen Reflexionsgrad (geringer Transmissionsgrad) im infraroten Bereich aus. Ein Kaltlichtspiegel (engl. cold mirror) wirkt hingegen genau entgegengesetzt, er reflektiert sichtbares Licht gut und lässt infrarotes Licht (Wärmestrahlung) passieren, z. B. für die Verwendung in Kaltlichtspiegellampen. Die Infrarotstrahlung, d. h. die Wärmestrahlung der Lampe tritt durch den Reflektor durch und es kommt zu einer geringeren Erwärmung des beleuchteten Objekts als bei metallischen Reflektoren. Diese Art von Lichtquellen nennt man auch Kaltlichtquelle.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

  • Es können nahezu beliebige Transmissionsspektren und Reflexionsspektren hergestellt werden. Für eine steile Flanke bei einer bestimmten Wellenlänge gibt es oft keine Alternative.
  • Winkelabhängigkeit des einfallenden Strahls: Das zu filternde Frequenzband wird durch den Einfallswinkel beeinflusst. Diese winkelabhängige Wirkung des Filters kann zur Feinjustierung der zu filternden Wellenlängen ausgenutzt werden. Das Frequenzband verschiebt sich dabei in Richtung kürzerer Wellenlängen. Ist das Einfallsstrahlenbündel jedoch nicht parallel, so verschlechtert sich dadurch die Güte des Filters.
  • Temperaturabhängigkeit: Bei porösen Schichten können Temperaturänderungen über den atmosphärischen Wasseranteil in geringem Maße die Brechungsindizes der Schichten und somit die spektralen Eigenschaften beeinflussen.
  • Geringer Absorptionskoeffizient: Interferenzfilter absorbieren i. d. R. nur wenig von der auftreffenden Strahlungsleistung und heizen sich dementsprechend nur schwach auf. Demgegenüber beruht die Wirkung klassischer Farbfilter auf der Absorption ganzer Spektralbereiche, was zu einer starken Erhitzung des Filters, beispielsweise in der Beleuchtungstechnik (Farbfilter vor Halogenstrahlern), führen kann.
  • Auf Interferenz beruhende dielektrische Spiegel erreichen eine höhere Reflektivität als metallische Spiegel und haben hohe Zerstörschwellen, sind für gepulste Hochleistungslaser geeignet.
  • Interferenzfilter bleichen nicht aus.
  • Interferenzfilter sind teurer als klassische Farbfilter.
  • Manche Schichtmaterialien mit guten optischen Eigenschaften sind wenig kratzfest.
  • Dicke, spröde Schichten oder hohe Temperaturen bei der Beschichtung sind inkompatibel zu flexiblen Substraten.

Normen[Bearbeiten]

Zur Spezifikation von optischen Interferenzfiltern gibt es die ISO-Norm ISO 9211 (Optik und Photonik - Optische Schichten). Dieser besteht aus den Teilen

  • Teil 1: Begriffe[4]
  • Teil 2: Optische Eigenschaften[6]
  • Teil 3: Umweltbeständigkeit[7]
  • Teil 4: Spezifische Prüfmethoden.[8]

Die Beschreibung der Filtereigenschaften von Brillengläsern ist in der gesonderten Norm EN ISO 13666 Augenoptik - Brillengläser - Vokabular (ISO 13666:1998) genormt. Die Norm ist in Deutschland als DIN-Norm DIN EN ISO 13666 gültig.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b  Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie: Grundlagen Und Techniken. Gabler Wissenschaftsverlage, 2004, ISBN 9783540642190, S. 117ff.
  2.  Heinz Haferkorn: Optik: Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 4. bearb. u. erw. Auflage. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2002, ISBN 3527403728, S. 409.
  3. a b  Klaus Lüders, Robert Otto Pohl: Pohls Einführung in die Physik: Band 2: Elektrizitätslehre und Optik. Gabler Wissenschaftsverlage, 2010, ISBN 9783642016271, §271. Interferrenzfilter, S. 287.
  4. a b ISO 9211-1: Optik und Photonik - Optische Schichten - Teil 1: Begriffe (ISO 9211-1:2010), Beuth Verlag.
  5.  Max J. Riedl: Optische Grundlagen für Infrarotsysteme. SPIE Press, 2002, ISBN 9780819444998, S. 150ff.
  6. ISO 9211-2: Optik und optische Instrumente - Optische Schichten - Teil 2: Optische Eigenschaften (ISO 9211-2:1994), Beuth Verlag. Diese Norm wurde überarbeitet und die Nachfolgeversion liegt bereits als DIS (Draft international Standard) vor.
  7. ISO 9211-3: Optik und Photonik - Optische Schichten - Teil 3: Umweltbeständigkeit (ISO 9211-3:2008), Beuth Verlag.
  8. ISO 9211-4: Optik und optische Instrumente - Optische Schichten - Teil 4: Spezifische Prüfmethoden (ISO 9211-4:2006), Beuth Verlag.