反射鏡已塗膜的法布裡-珀羅裝置的製作方法

2023-05-20 18:48:21 1

專利名稱：反射鏡已塗膜的法布裡-珀羅裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及法布裡-珀羅標準器件和幹涉儀，為簡便起見，下面統稱為法布裡-珀羅裝置。
法布裡-珀羅裝置是眾所周知的重要的光學裝置。它們可用作精確的幹涉儀(例如用於分光鏡)、雷射諧振腔、或者更具體地說，用作為單模雷射器雷射諧振腔中的嵌入件。當前，法布裡-珀羅裝置又被推薦用作光學互連件的反射或透射調製器。
法布裡-珀羅裝置通常包含兩個由一定的光程長(間隙)隔開的反射表面(反射鏡)。在一種法布裡-珀羅幹涉儀中，由兩個反射鏡圍起的間隙通常含有空氣，並可通過機械方法(例如移動一個反射鏡)來改變。在一種法布裡-珀羅標準器件中，反射鏡通常保持固定，例如採用石英或玻璃之類材料製成的定位架來固定。幹涉儀的一般間隙寬度從幾個毫米到幾個釐米。當把法布裡-珀羅裝置用作雷射諧振腔時，其間隙寬度通常要大得多。在某些用途(包括調製器)中，間隙的寬度可約為1至幾毫米。
法布裡-珀羅裝置一般使用兩種類型的反射鏡，即所謂某種材料的四分之一波長組件(QWS)(這種材料單層使用時反射能力不大)，或由單層材料組成的反射鏡(此種材料本身即具有反射性，通常包含有金屬或金屬化合物)。兩個反射鏡常取平面平行形式，但是，曲面反射鏡系統也屬周知的，尤其是用作雷射諧振腔和作為光譜分析儀時更是常見。
本發明所涉及的這種法布裡-珀羅裝置含有兩塊由同一反射物質(如金屬)構成的反射鏡。從前面所述可知，這兩塊反射鏡的內表面相互隔開而形成一間隙，該間隙的寬度可任意選定。
英國專利2，082，380號公開了一種用於半導體發射雷射器的法布裡-珀羅標準器件。該法布裡-珀羅器件的一個反射鏡的內表面上塗有一種四分之一波長增透膜層，以便拓寬光譜發射範圍，增大單膜工作範圍和減少遠場圖形的分散。而在另一個反射鏡的內表面必要時可塗上一種半波長層。
在AnnalesdePhysique(1951，第6卷第5頁)所報導的一類法布裡-珀羅裝置中，它的兩個金屬反射鏡在面對間隙的側面上均塗一層介質膜。該文的結論稱，這層單一的介質膜並不能顯著提高法布裡-珀羅裝置的反射率。
歐洲專利371，695號涉及一種以QWS法布裡-珀羅裝置為基礎的空間光調製器，其中的間隙包含有一液晶層，而所述法布裡-珀羅裝置還包括有金屬電極。該調製器中的反射鏡則是多層介質膜(即四分之一波長組件)。
國際版ThinSolidFilms(1968，Vol.137，No.2，P161～168)和Optik(1978，Vol.50，No.4，P329～340)也介紹過QWS法布裡-珀羅裝置。
在當前所發展的技術中還包括周知的一種法布裡-珀羅裝置。C.法布裡和A.珀羅最早所研製的幹涉儀例如包含著兩塊透明的具有平表面的(玻璃或石英)平板。這兩塊平板的內表面塗有高反射率的部分透明膜，並且是平行的，從而圍成一個空氣間隙。這兩塊透明板用作為反射塗層的基板。上述這些和其他周知的法布裡-珀羅反射鏡通常含有一種作為反射表面的金屬(金、銀或鋁等)或一種金屬化合物。
自然，法布裡-珀羅反射鏡具有很高的反射率(例如90%以上)，但是它們也具有某種程度的透射率。此外，由本身具有反射作用的材料製成的反射鏡，尤其是金屬反射鏡，往往會吸收入射光。
由於反射鏡有很高的反射本領，它的反射率和透射率相對於入射光的波長都顯現出一列峰值。如果反射鏡之間的間距遠較波長為大(一般都是這種情況)，則這些峰值近似地相對于波長具有周期性。相繼兩峰值的相隔距離(自由光譜範圍或頻移範圍)與最大峰值之半處的全寬度比常用來標誌法布裡-珀羅裝置的質量。該比值是無量綱值，稱為「條紋間隔和寬度比(finesse)」。對於許多用途來說，希望有高的條紋間隔和寬度比，為了達到高的條紋間隔和寬度比，一般需要高的反射率。在由金屬或金屬化合物組成反射鏡的那種法布裡-珀羅裝置中，常常是通過提高吸收率來提高反射率的。因此在這類法布裡-珀羅裝置中，要求有高的條紋間隔和寬度比往往與要求有高的峰值透射率相牴觸。因此，希望能在對條紋間隙和寬度比無不利影響的情況下，相對於峰值透射率來改進法布裡-珀羅裝置。
本發明的目的是提供一種上述類型的法布裡-珀羅裝置，其反射鏡採用具有自身反射作用的材料，例如金屬或金屬化合物。這種法布裡-珀羅裝置可以在保持高的條紋間隔和寬度比的同時，提高透射率。本發明的另一個目的是提供這樣一種法布裡-珀羅裝置，其反射鏡的材料是具有自身反射作用的(例如金屬)，這種法布裡-珀羅裝置可在保持良好透射率的同時，提供其條紋間隔和寬度比。本發明的再一個目的是提供一種帶有金屬反射鏡且同時具有高透射率和高的條紋間隔和寬度比的法布裡-珀羅裝置。
本發明的要點是，在上述類型的法布裡-珀羅裝置中，每個反射鏡在其背離間隙的側面上塗有介質膜。
上述介質膜可看作是類似於通常塗敷於光學儀器零件上之類的增透膜，但其功用很不相同。在這方面必須清楚地認識到，用在反射鏡外表面上的這種增透膜有利於達到所需目的，而法布裡-珀羅裝置的工作區域(實現此種目的的區域)是在那種間隙之內，即在反射鏡的內側面上。
下面說明本發明的各種實施例。
前述的介質膜應在實質上能透過所用波長的光。下面所述本發明的法布裡-珀羅裝置適用于波長假定為λ的光。實際上，這種光完全可以是單一波長的光，但也可以是多色光。在後一種情況，λ為平均波長。
當介質膜的厚度為約0.1λ/n～約0.5λ/n(n為介質材料的折射率)，其功能一般是很好的。最好是使介質膜的厚度為 1/4 λ/n左右。顯然應理解到，這些厚度包括上述範圍加上一或多個半波長，因為所得到的作用是周期性的，而其周期為 1/2 λ。
應該明白，本發明的這種法布裡-珀羅裝置顯然不同於以四分之一波長組件作為反射鏡的法布裡-珀羅裝置。如上所述，本發明屬於反射鏡由反射物質(也就是本身有反射作用的物質)例如金屬或金屬化合物組成的法布裡-珀羅裝置。以前涉及的高的峰值透過率和高條紋間隔和寬度比這兩種要求相矛盾的問題，是由此種反射物質組成的反射鏡之吸收能力造成的，並且在以四分之一波長組件作為反射鏡的法布裡-珀羅裝置中，終究也不會有顯著影響的。這種法布裡-珀羅裝置不屬於本發明的範圍，而且製造上也很困難，因為在製造過程中必須沉積多層兩種不同折射率的四分之一波長的膜層。
在一種採用C.Fabry和A.Perot提出的原始結構的法布裡-珀羅裝置的實施例中，也就是在一種反射鏡是由內側(即面向間隙的一側)上塗有反射物質的透射基板組成的法布裡-珀羅裝置中，本發明的介質膜是塗布在反射物質與基板之間的。
合適的介質膜包括任一種無機、有機或聚合物物質，只要它們對於所用波長能滿足形成一種折射率高於間隙物質(通常是空氣或玻璃)的非吸收層的主要要求。無機物質的例子包括眾所周知的通常用作增透膜的冰晶石(氟化鋁鈉)、氟化鎂、氟化鈰或者它們的混合物這樣一類物質。聚合物質的例子有用作光學透鏡的材料、如二甘醇雙碳酸丙烯酯等。
業已發現，介質膜的折射率越高，則本發明的法布裡-珀羅裝置的性能也越好。為此，介質膜的折射率最好高於2.0。實際上，這些物質可以根據法布裡-珀羅裝置的工作範圍求得。它們通常在上述四分之一波長組件中構成高折射率層。從這一點看，介質膜最好含有ZrO2、TiO2、ZnS、ZnSe或者它們的混合物。
應該看到，一般說來，對兩個反射鏡的表面塗上同樣的介質膜是方便的，但是，它們也可塗布上的不同的塗層。
在上述條件下，反射鏡上帶有一層介質膜就足以提高峰值透過率。對於各種應用，一般不需要進一步提高透過率，有時甚至不希望進一步提高。然而，如果希望在保持條紋間隔和寬度比的條件下，使峰值透過率最佳地增大時，便要求反射鏡的厚度適應於形成一種使間隔內部的反射率保持不變的介質膜。概括地說，在特定的情況下，是不能預知能否通過增加或降低厚度來獲得所需的這種適應性的，但是，熟悉本項技術的人可以用M.Born和E.Wolf在「光學原理」(PergamonPress，Oxford，第4版，1970)第51頁和第611頁中所描述的Abelès理論進行計算。
本發明的法布裡-珀羅裝置的另一類結構屬常規結構。故其間隙物質可以是空氣、玻璃、石英或任何其它適用的物質，例如透明的有機聚合物。如果法布裡-珀羅裝置是用作光學互連用的透射調製器，則間隙物質可以是非線性(NLO)物質，最好是NLO聚合物。在本項技術中，NLO物質是人所共知的，在這裡不需作進一步說明。適用的NLO聚合物例如有EP350112、EP350113、EP358476、EP445864、EP378185和EP359648等歐洲專利中所提到的那些。
反射鏡可採用任何合適的反射物質，而且這類反射物質本身是眾所周知的。這種物質一般有金屬，更具體地說，有金、銀或鋁等。
下面參考所舉各例詳述本發明。所列例子只是供說明用，並無限制本發明之意。
比較例供比較用的法布裡-珀羅裝置是一種用于波長約為514.5nm的標準裝置，它含有兩個平面平行的銀反射鏡，鏡子間隙為1mm，間隙中有折射率為1.55的玻璃。反射鏡厚度為50nm，無介質膜。
對於接近514.5nm的波長，該法布裡-珀羅標準裝置在條紋間隔與寬度比為20時的峰值透過率為3.7%例1本實施例的法布裡-珀羅裝置是一種如上所述的標準裝置，反射鏡的外表面(即與間隙相背的表面)上塗有ZnS介質膜。介質膜的厚度為55.9nm，折射率為2.3，也就是說，本發明的法布裡-珀羅標準裝置含有 1/4 λ/n的介質膜。
對於接近514.5nm的波長，本實施例的法布裡-珀羅標準裝置在條紋間隔與寬度比為21時的峰值透過率為9.7%。
例2本實施例的法布裡-珀羅裝置是一種與例1相似的標準裝置，反射鏡的厚度調整到47.8nm，以便使其內反射率與比較例中不帶塗層的法布裡-珀羅標準裝置相同。
對於接近514.5nm的波長，本實施例的法布裡-珀羅標準裝置在條紋間隔與寬度比為20時的峰值透過率為12.5%
權利要求
1.一種法布裡-珀羅裝置，它含有兩個帶有金屬之類反射物質的反射鏡，這兩個反射鏡彼此分開而形成一個間隙，間隙的寬度是任意固定的，其特徵在於，上述兩反射鏡中的每一個都在其背離間隙的一側表面上塗有介質膜。
2.如權利要求1所述的適用於單波長或平均波長為λ之光的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述介質膜的折射率為n，厚度為約0.1λ/n～約0.5λ/n。
3.如權利要求2所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述介質膜的厚度為 1/4 λ/n。
4.如上述權利要求中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述反射鏡的厚度調整到使其內側的反射率保持在與不帶塗層的法布裡-珀羅裝置相同的水平上。
5.如上述權利要求中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述介質膜料包括有機聚合物，例如二甘醇雙碳酸丙烯酯。
6.如權利要求1～4中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述介質膜料包括冰晶石、氟化鎂、氟化鈰或它們的混合物。
7.如權利要求1～4中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述介質膜料的折射率高於2.0。
8.如權利要求7所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，上述介質膜料包括ZrO2、TiO2、Zns、ZnSe或它們的混合物。
9.如上述權利要求中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，前述間隙中含有非線性光學聚合物。
10.如上述權利要求中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，它可用作幹涉儀。
11.如上述權利要求中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，它可用作雷射諧振腔。
12.如上述權利要求中任一項所述的法布裡-珀羅裝置，其特徵在於，它可用作反射調製器或透射調製器。
全文摘要
一種法布裡-珀羅標準裝置或幹涉儀，它的兩個金屬反射鏡在背離間隙的一側表面上都塗有介質膜。這種類似於通常塗布在光學儀器零件上供增透用的介質膜可提高峰值透過率而不降低條紋間隔和寬度比。上述介質膜層可透過所用波長(λ)的光，且其厚度最好為λ/n，n為介質膜層物質的折射率。塗層最好用具有高折射率的物質，例如包括ZrO
文檔編號G01B9/02GK1079820SQ93106209
公開日1993年12月22日 申請日期1993年5月19日 優先權日1992年5月19日
發明者羅伯特·簡·萬·維克 申請人:阿克佐公司