Interferenzfilter

Ein Interferenzfilter ist ein optischer Filter aus meist mehreren meist dielektrischen, dünnen Schichten auf einem Träger. Ein solcher Filter lässt optische, elektromagnetische Wellen bestimmter Wellenlängen durch, aber reflektiert dicht benachbarte Wellenlängen. Diese Selektivität beruht auf Interferenz zwischen direktem und mehrfach reflektiertem Licht. Weiter entferntere, unerwünschte Wellenlängen werden durch zusätzliche Filterung im Material des Trägers unterdrückt.

Interferenzfilter mit breiten Durchlassbereichen

Nur wenige Schichten sind erforderlich für die Funktion eines relativ breiten Bandpasses oder ein Spektrum mit mehreren schmalbandigen Durchlassbereichen nach Art des verwandten Fabry-Pérot-Interferometers. Mit einer größeren Zahl von Schichten sind steilflankige, breite Durchlassbereiche und auch Notch-Filter realisierbar. Solche Interferenzfilter, insbesondere wenn als dichroitischer Spiegel eingesetzt, werden auch als dichroitische Filter bezeichnet.

Aufbau

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

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

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

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

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 Δ auf.

Δ = 2nl + Δr

wobei l die Schichtdicke, n die Brechzahl der dünnen Schicht und Δr 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 θ 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.
• Antireflexbeschichtung: (auch Vergütungsschicht oder reflexmindernde Schicht genannt) – destruktive Interferenz der reflektierten Strahlen auf optischen Bauteilen. Verbesserte Transmission durch konstruktive Interferenz bestimmter Wellenlängen.
• Lummer-Gehrcke-Platte
• Fensterscheibe: auch eine Fensterscheibe ist ein Interferenzfilter, wenngleich der Effekt wegen der geringen Zahl der Schichten nur schwach ist.

Vor- und Nachteile von Interferenzfiltern

• 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 höhere Reflektivitäten 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.