Neue Interferenzmonochromatfilter

Colloquium

Spectroecopicunl

Intemotiondc

VI (Amaterdnm,

1956).

Pergamon

SECTION

Press

Ltd.,

London

VI

INSTRUMENTATION

(EMISSION)

Neue Interferellllmonochromat~~r R. Jenaer

Glaswerk,

SCHLXFER

Schott

und

Abstract-There nro now monochromatic interference their different values of spectral purity, background for many new examinations. It is evident, too, that background also yields considerable improvement in existing. The double layer filters are successfully used The Cd-lines 468 and 480 mp, are to be separated. presents advantages in calorimetry, flame photometry Generally, interference filters are used for examinations small amounts of light are available.

Gen.,

Maim

filters available which on account of and high energy transmission can be used the use of the new filters with reduced quite 8 number of applications hitherto where adjacent spectral lines, such 8s the use of the band and double band filters and in the elimination of unwanted orders. in monochromatic light, when only

SEIT der ersten Verijffentlichung iiber Interferenzmonochromatfilter [l] sind zahlreiche Arbeiten, vornehmlich von Deutschen, Amerikanern, Franzosen und Skandinaviern erschienen, in denen Mijglichkeiten aufgezeigt und diskutiert wurden, mit speziellem Schichtenaufbau die Transmission bzw. die Selektivitgt gegeniiber denen des einfachsten und zuerst ausfiihrlich beschriebenen Typs [3] zu verbessern. Allgemein bestehen die Filter in Bezug auf ihren Schichtenaufbau aus zwei oder mehreren Spiegelschichten und dazwischenliegenden Distanzschichten. Betrachtet man die verschiedenen in der Literatur beschriebenen Ausfiihrungsformen, so heben sich zwei besonders charakteristische Typen heraus. Das Metallinterferenzjilter ist aus zwei teildurchlSissigen Metallschichten und einem zwischen Es stellt gewissermassen ein Fabryz diesen liegenden Dielektrikum aufgebaut. Perot-Etalon niedriger Ordnung dar und 18Bt sich relativ einfach herstellen. Durch die Absorption des Lichtes in den Metallschichten wird eine maximale Transmission von hijchstens 45 o/0 erreicht. Das Hochleistungsfdter unterscheidet sich vom Metallinterferenzfilter dadurch, dass die Spiegelschichten aus je einer Folge abwechselnd hoch- und niedrigbrechender nicht absorbierender Schichten bestehen. Das Filter erreicht maximale Durchlassgrade von 80 bis 90%, benijtigt zur Herstellung jedoch einen grijsseren Aufwand [2, 4-j. Die Vorteile beider Typen werden bis zu einen gewissen Grade vereinigt, wenn bei den Metallinterferenzfiltern die Spiegelschichten aus einem System von Metallschichten und ‘Mehrfachschichten bestehen. Weitere mijgliche Typen ergeben sich durch Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr identischen Filtern (Doppelfilter) oder durch Kopplung zweier oder mehrerer Spiegel-Distanz-Spiegel-Systeme (Bantiter) [ 1, 51. Letztere Filter bestehen aus mehr als zwei Spiegelschichten. Bezeichnend fiir jede Filterart ist deren charakteristische Kurvenform. Wghrend die Dicke der Distanzschicht die Lage des Filterschwerpunktes bestimmt, kann 361

R.

SCELHFER

durch Wahl der Reflexion der Spiegelschichten die Grosse der maximalen Transmission und der Halbwertsbreite variiert werden; und zwar lassen sich bei Transmissionswerten von mindestens 20% im sichtbaren Spektralgebiet Halbwertsbreiten von 3 bis 20 m,u und dariiber einstellen. Es ist verstandlich, dass aus diesen unendlich vielen Variationen’nur eine kleine Auswahl fur eine Filterproduk-

0’01J 500

Abb.

600

700

0.001 !I-OOOl-

mp

1. LinienM.er.

/

’ ;

/

\l

/

500

Abb.

600

/

:\ 7oo’rr;:

2. DoppellinieniYter.

Bei dieser Auswahl der zweckmassigsten Filterarten tion getroffen werden kann. wurden van uns der Herstellungsaufwand und die Schwerpunkte der Anwendung Die Technik der Herstellungsmethode wurde in den letzten beriicksichtigt. Jahren derart verfeinert und abgerundet, dass wir jetzt in der Lage sind, mit guter Reproduzierbarkeit vier im folgenden beschriebene Filterarten herzustellen, die eine Verwendung fiir die verschiedensten Anwendungen gestatten. Schematische Linienfilter MM M-

DoppeZE&ienJilter M- --M-M

Angabe

des Schichtenaufbaues Ran~filter M ------M ---M M-M

DoppeEbund.filter -M---M-M-M

M sei das Zeichen ftir die teildurchlassige Spiegelschicht, die Distanzschicht ist durch die ausgezogene Linie angedeutet, w&rend die gestrichelte Linie die Verkittung zweier kompletter identischer Einzelfllter bedeuten soll. Die Spiegelschichten sind bei allen vier Filterarten Systeme von Metall- und Mehrfachschichten, wodurch z.B. erreicht wird, dass beim Linienfilter, dem sogenannten Fabry-Perot-Filter, die maximale Transmission bis zu 75% und zwar bei Halbwertsbreiten von ca. 10 m,u betra.gen kann. Die Durchlasskurve der Linienfilter besitzt die charakteristische Glockenform. Doppelbandfilter stellen fast das Ideal eines Filters mit rechteckiger Kurvenform dar. In den Abb. 1 bis 4 sind die Transmissionswerte in einem geeigneten Ordin&enmassstab in Abhangigkeit von der Wellenliinge fiir je ein Linien-, Doppellitiien-, Band- und Doppelbandillter aufgezeichnet. Die Lage der Durchlassgebiete ist willkiirlich 362

Neue

Interferenzmonochromat~~r

gewahlt. Die Filter werden vorlaufig im Bereich von 380 bis 1200 rnp hergestellt. Urn bei hohen Transmissionswerten geringe Halbwertsbreiten zu erhalten, wird meistens die zweite oder dritte Interferenzordnung ver’wendet. Die Durchlassbereiche nicht gewiinschter Ordnungen werden durch geeignete Vorsatzfllter Die optischen Werte der in den Abbildungen absorbiert (gestrichelte Kurve).

o-001 0'0001

Abb.

500

3. Bandfilter.

Abb.

600

700

mp

4. Doppelbandfilter.

beriicksichtigten Filter ohne Vorsatztiter sind in folgender Tabelle zusammengestellt. Bezeichnet man mit gewisser Willkiir das ausserhalb der Zehntelwertsbreite durchgelassene Licht als filterfremdes Licht, so gibt sich der “Untergrund” als Anteil des filterfremden am gesamt durchgelassenen Licht. Mit der Einfiihrung Tabelle

Filterart

--_. Linienfilter Doppellinienfilter Bandfilter Doppelbandfilter

T,,

= maxim&r

, Tmax I ’

i

1

HIV

in %

X8

i ::

Transmissionsgrad;

in mp

Untergrund in “/;,

Yo

16 Y

ii / t HW

= Halbwertsbreite.

der neuen Filtersrten werden Filter geringen Untergrundes geschaffen. Doppellinienfilter besitzen schmale Durchlassbanden. Band- und Doppelbandfilter zeichnen sich durch grosse Helligkeit aus, d.h. die pro Flacheneinheit durchgelassene Lichtenergie ist Busserst hoch. Durch Wahl geeigneten Schichtenmaterials gelang eine starke Reduzierung der Abhgngigkeit der Filterwerte vom Winkel des einfallenden Lichtes gegeniiber den friiher meist verwendeten Filtern mit dem Schichtenaufbau Silber-Magnesiumfluorid-Silber. Die neuen Filter gestatten nunmehr au& die Verwendung in betriichtlich konvergentem Strahlengang. 363

R.

&XILiiBER

Sehr nutzbare Anwendungen ergeben sich bei Verwendung der kontinuierlichen bzw. Verlauffilter, d.h. Monochromatfiltern mit keiliger Distanzschicht. Man kann mit Vorteil die Dispersion linear wahlen, ebenso kiinnen die maximale Transmission und die Halbwertsbreite und damit die pro Flacheneinheit durchgelassene Energie Bei Benutzung der Filter im parallelen Strahlengang konstant gehalten werden. kann durch geeignete Schablonen die spektrale Abhangigkeit der Lichtquellenstrahlung sowie die Photozellenempfindlichkeit ausgeglichen werden. Linien- und

Abb.

5.

Verlaufbandf%lter

Durchlassstelle

bei

710

mp.

Bandfilter werden als Verlauililter hergestellt. Die VerlauJlinienJlter besitzen Durchlassstellen 2. Interferenzordnung und benotigen zur Vorschaltung geeignete Vorsatzfilter. Ihre maximale Transmission ist jeweils ca. 400/, ihre Halbwertsbreite jeweils ca. 10 rnb. Die Verla~fbtsn&ter konnen auf Grund eines geeigneten Schichtenaufbaues in 1. Ordnung hergestellt werden. Sie benijtigen keine Vorsatzfilter. Demnach zeichnen sie sich fiir viele Anwendungen durch vorteilhafte Symmetrie der Durchlasskurve und das Fehlen von Diskontinuitaten aus. In Abb. 5 sind fiir eine willkiirlich herausgegriffene Stelle des %ilters die Transmissionswerte in Abhangigkeit von der Wellenlange aufgetragen. Bemerkenswert ist die grosse Steilheit der Kurvenflanken und damit der geringe Untergrund. Der Durchlassgrad im Maximum der Durchlasskurve betragt jeweils ca. 40’7&, die Halbmertsbreite liegt jeweils bei 25 mp. Die pro Flacheneinheit durchgelassene Lichtenergie ist ent,sprechend ausserordentlich hoch. Bei der Anwendung wird das Verlauffilter im Strahlengang vor einem Spalt verschoben und auf die gewiinschte Farbe eingestellt, wobei verstandlicherwese die Lichtenergie mit zunehmender Spaltbreite grosser wird. Tabelle 2 demonstriert die iinderung des Auflosungsvermogens von der Spaltbreite fiir 200 mm lange Verlauflinien- und Verlaufbandfllter. Es ist von grosser Bedeutung fiir die Anwendung, dass auf Grund der geringen Abhiingigkeit des Auflosungsvermogens von der Spaltbreite besonders bei Verlaufbandfiltern grijssere Spaltbreiten eingestellt werden konnen. Verlaufilter sind 364

’

Neue

ala

demzufolge verwendbar. Tabelle

lichtstarke

Interferenzmonochromatfilter

einfacher

Handhabung

8 2. Effektive

1. Ver.?aujlinien$lter,

Halbwertsbreite bei Spaltbreiten Liinge

Spaltbreite

und effektiver von 0 und

Ver.h..andjilter,

in mm

Lange Spaltbreite

maximaler 6 mm

Durchlassgrad

200 mm HW

in my 10 14

T nt(Lz in % 40 36

HW

in m,u 25 26

T n,m in % 40 38,5

0 6 2.

bei

Monochromatoren

200 mm in mm

0 6

Verlouffilters

mp

Abb.

Abb.

6. Bandenglaa

7. Griinglas

VG

VG

650

3.

9.

Urn iiber das Auflosungsvermogen der VerlaufXlter selbst eine Anschauung zu gewinnen, haben wir die Transmissionskurven eines Farbglases, dessen Durchlasskurve Bandenstruktur besitzt und eines normalen Griinglases mit Hilfe’ eines Filtermonochromators aufgenommen. Dieser war mit einem VerlaufZnienfllter ausgeriistet. Die verwendete Anordnung zeigt Abb. 8. Die Wendel einer Ghihlampe wird im VerlauiiYter abgebildet. Wird die Abbildung entsprechend klein gewiihlt, kann auf Blenden verzichtet werden. Die Lichtenergie wurde mit einer Selenzelle gemessen. Die Abb. 6 und 7 zeigen die aufgenommenen Transmissionskurven. Die gestrichelten

R. SC-R Kurven betreffen die Messungen mit dem Filtermonoohromator, die ausgezogenen Kurven Die Halbwertzbreite des Verlauflllters Vergleichsmessungen mit einem Prismenmonochromator. Abb. 6 zeigt die Durchlasskurve ist im gleichen Wellenl8ngenmaJ3stab mit eingezeichnet. bei ca. 540 mp eines 1 mm dicken Uranglsses des Schott-Typs VG 3. Die Absorptionsbande des Verlauf%llters in der Grdssenordnung ist ~8. 20 m,u breit. Obwohl damit die Halbwertsbreite der Bandbreite liegt, wird die Bandenstrixktur noch reletiv gut aufgezeichnet. Die beiden Durchlasskurven der Abb. 7, aufgenommen an einem 2 mm dicken Gri.inglas des Schott-Typs VG 9, weisen nur nooh unwesentliche Unterschiede auf. An Hand der verwendeten einf8chen Filtermonochromatoren konnte gezeigt werden, dctss weder durch Vergroseerung der Abbildungsgrosse bis zu einer Breite von 3 lll~~l noch durch Vergrosserung der Konvergenz der Stmhlen bis zu einem &umgswinkel u = 30” das Messergebnis merkbar beeinflusst. wurde.

t

MF

VF

LO

4bb. S. Anordnung LQ VF MF SPE

= = = =

SPE

eines Filtermonochromator. Lichtquelle Verlauffilter Messfilter Selenphotoelement

Zusammenfassu.ng Fiir fiigung,

die Anwendung die durch ihre

stehen nunmehr Interferenzmonochromatfilter zur Ververschiedenen JVerte von SelektivitHt, Untergrund und

Helligkeit fur viele neue Untersuchungen eingesetzt werden konnen. Schon jetzt steht fest, dass such fiir einen grossen Teil der bisherigen Anwendungen der Einsatz der neuen Filter mit geringem Untergrund wesentliche Verbesserungen ergibt. In den Fallen? wo es sich darum handelt, benachbarte Spektrallinien zu trennen, wie z.B. die Cd-Linien 468 und 480 m,u, werden die Doppellinienfilter mit und Erfolg eingesetzt. In der Kolorimetrie, Polarimetrie, Flammenphotometrie bei der spektralen Vorzerlegung ist die Anwendung der hellen Band-bzw. Doppelbandfilter von Vorteil. Im allgemeinen werden Interferenzfilter vor allem dann zu Untersuchungen im monochromatischen Licht verwendet, wenn geringe Lichtmengen zur Verfiigung stehen.

Bemerkung Im Rahmen des Vortrages wurden Demonstrationen gezeigt, speziell mit VerlaufXltern. Ausserdem konnte Purkyne-Effekt vorgeftihrt werden.

mit Interferenzmonochromtfiltern mit Hilfe von Interferenzfiltern

der

Diskussioa (Au-s

Mango1

an Zeit

im

kleineren

Kretie

durchgefiihrt)

Dr. SEIBERT(BASF

Ludwigsh8fen): Welche Gr&e in der Lage der Durchlal3stellen im UV und IR bestehen heute fiir kommerzielle Filter? , Antwort: Gefertigt werden von uns zur Zeit Mohochromstfllter in einem Wellenliingenbereich von 380 bis 1200 mp. Im L8ufe der niichsten Monate wird dieses Gebiet bis 313 mu herunter ausgedehnt werden. Dr. MOSER (I. Physikalisches Institut der Universit% Miinchen.): Machen Sie bitte Ang8ben iiber die Winkelabhlingigkeit der neuen Filter! 366

Neue Antwort: material s&n ‘ ‘Ag-MgF,-Ag”

Iuterfereuzmonochrom8tfdter

Diese Frage wurde von einige Resultate sngegeben (3) gegeniibergesteht.

uns und

eingehend den Werten

Anderung des Filterschwerpunktes Neigung des Filters im parallelen den Winkel a. Schwerpunktsl8ge 450 mp. Winkel

a

alter

Typ

untersucht. von Filtern I

Aus des

dem ErfahrungsSchichtensufbeues

(A in rnp) bei Strahlengrtng um der Filter jeweils

neue

Filterarten

5” 10” 15” 20” 25” 30”

033 1 3 5 7 10

0,7

w3 6,3 11 17 23

Bei Drehung des Filters im parallelen Strahlengang tritt gleichzeitig eine Aufspahung in zwei senkrechte zueinrtnder polarisierte Durchlassb8nden 8Uf. Die hierdurch bedingte Anderung der Kurvenform wird erst bei grosseren a-Werten merkbar. Bei Benutzung der Filter im konvergenten Strehleng8ng gelten fiir die einzelnen StrahlrichDie fiir das Stmhlenbiindel insges8mt effektive tungen verschiedene Filterschwerpunkte. erh8ltenen Werte fiir den Filterschwerpunkt, die maximale TransmiDsion und die Halbwertsbreite sind gegeniiber den Werten fiir em senkrecht einfahendes paralleles Biindel merklich verlindert. Die folgende Tabelle mecht Angaben fti Filter einer Schwerpunktslege von jeweils 450 rnp.

I

alter

Typ

Limetiter

I _____

u=

Bandfilter

&pwz a ma= inmp

T nL(2.z in %

450 448 444 438

30 20 23 15

0” 20” 40” 60” u =

0ffnuugswinkel

(Das in schwerpunktes Handfilter konvergenten

der

HW inmp

L,z inmp

10 11 16 26 a moz = Lage

Tm,, in %

450 449 447 445

40 39 35 29

HW inmp

10 11 13 17

GEFFEEN GEFFCREN GEFFC~EN GEFFIXEN GEFFCKEN

Tmzz , in o/o

HW in m/i

450 449 447 445

60 60 59 54

20 20 20 21

der DurchlaIjstelle

Tabehe wiedergegebene Verhalten ist von der Wehenltige ebhlingig. Die Winkel8bhiingigkeit ist im kurzwelligen Bereich zeichnen sich durch eine sehr geringe Winkelabhiingigkeit 8~s. Licht bis nahezu 60” verwendet werden.

Literatur [l] [2] [3] [4] [5]

4noz in rnp

W. W. W. W. W.

DRP 716 153 (einger. DRP 913 005 (sngem. 2. angew. C&rn. 1948 Qlastechniache Berichte 2. angew. Phys. 1954

1939) 1944)

Jenaer Schott

A60 1. 1951 24 143. 6 249. 367

Glaswerk. & Gen.

des Durchl& etwas grosser.) Sie k&men im