Interferenzfilter

Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen) ausgestattet. Die fraglichen Angaben werden daher möglicherweise demnächst entfernt. Bitte hilf der Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst. Näheres ist eventuell auf der Diskussionsseite oder in der Versionsgeschichte angegeben. Bitte entferne zuletzt diese Warnmarkierung.

Ein Interferenzfilter ist ein optischer Filter aus meist mehreren meist dielektrischen, dünnen Schichten auf einem Träger. Ein solcher Filter hat für Licht unterschiedlicher Wellenlängen, unterschiedlichen Einfallswinkels und bzw. oder unterschiedlicher Polarisation einen verschiedenen Reflexions- oder Transmissionsgrad. Diese Selektivität beruht auf Interferenz zwischen den an den Grenzflächen der dünnen Schichten direkt oder mehrfach reflektierten Teilwellen.

Interferenzfilter mit breiten Durchlassbereichen

Bestimmende Eigenschaften

Die wesentlichen Eigenschaften eines Interferenzfilters sind:

• Der spektrale Transmissionsgrad $ \tau (\lambda ,\mathrm {AOI} ,p) $ ist das Verhältnis von durchgelassenem Strahlungsfluss zu einfallendem Strahlungsfluss. 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 reflektiertem Strahlungsfluss zu einfallendem Strahlungsfluss.
• Der spektrale Absorptionsgrad $ \alpha (\lambda ,\mathrm {AOI} ,p) $ ist das Verhältnis des im Filter in eine andere Energieform (z. B. Wärme) umgesetzten Strahlungsfluss zum einfallenden Strahlungsfluss.
• Die spektrale Streuung ist die Summe des nicht gerichteten (diffusen) spektralen Transmissions- und Reflexionsgrades.

jeweils mit der Wellenlänge λ, 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 den Filter eine Rolle.

Unterteilung

Die Unterteilung von Interferenzfiltern kann hinsichtlich der genutzten Materialien als auch hinsichtlich der spektralen Eigenschaften erfolgen. Hinsichtlich der Materialwahl gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Formen von Interferenzfiltern. Filter 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 (Interferenz-)Filter bezeichnet (z. B. dichroitischer Spiegel). Filter für drei Wellenlängenbereiche werden auch als trichroitische Filter bezeichnet.

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

Darüber hinaus lassen sich Interferenzfilter, nach Art und Weise wie sie eingesetzt werden, in Reflexions- und Transmissionsfilter unterteilen.

Aufbau

Im klassischen Sinne ist ein Interferenzfilter ein nicht durchstimmbares Fabry-Pérot-Interferometer und besteht 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 Filters (bei dünnen Spiegelschichten ist das Maximum des gefilterten Frequenzbandes breit und dessen Intensität hoch; daraus folgt eine geringe Güte des Filters).

Funktionsweise

Funktionsweise eines Interferenzfilters (Die 1. Reflexion beim Auftreffen des Strahls auf die Schicht ist nicht dargestellt.)

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 zu erklären, wird im Folgenden ein einfaches System einer dünnen, dielektrischen Schicht auf einem Substrat beschrieben.

Tritt ein „Lichtstrahl“ in den Filter, 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.

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 =2nl+\Delta r $

wobei $ l $ die Schichtdicke, $ n $ die Brechzahl der dünnen Schicht und $ \Delta r $ 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.

Anwendungsbereiche

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 Brechzahl.^[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.

Vor- und Nachteile

• Es können nahezu beliebige Transmissionsspektren 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

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

• Metallinterferenzfilter

Einzelnachweise