DE69907693T2

DE69907693T2 - Dispersive mehrschichtige spiegel und entwurfsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69907693T2
Application number: DE69907693T
Authority: DE
Inventors: Russel R. Austin; Ian R. EDMOND
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: US6154318A; DE69907693D1; JP2002523797A; EP1105753B1; EP1105753A1; WO2000011501A1; US6222673B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mehrschichtige Spiegel mit kontrollierter Phasendispersion.
Ultraschnelle Laser erzeugen eine Reihe kurzer optischer Impulse. Die zeitliche Trennung der Impulse ist durch die Umlaufzeit des Lichts, das in dem Resonanzhohlraum des Lasers zirkuliert, bestimmt. Wenn eine hohe Energie pro Impuls oder eine hohe Pulstrennzeit gefordert ist, ist es wünschenswert, den Laser mit einem längstmöglichen Resonanzhohlraum zu betreiben.
Leider ist bei vielen Anwendungen ultraschneller Laser wie etwa der Integration des Lasers in einem kleinen Instrument ein Laser mit einer Hohlraumlänge von etwa 2 m oder mehr einfach nicht praktikabel. Eine praktische Länge beträgt etwa dreißig Zentimeter (cm) oder weniger. Bei bestimmten Anwendungen kann eine Länge von 10 cm wünschenswert sein. Um einen 2 m langen Hohlraum unter Nutzung mehrfacher Reflexionen zu "falten", wären, um eine längste physikalische Abmessung von 10 cm zu erhalten, mehr als 20 Reflexionen notwendig; dementsprechend ist die Minimierung von Reflexionsdämpfungen wichtig.
Bei den meisten ultraschnellen Lasern würde eine Hohlraumdämpfung von mehr als 1,0% zu einem deutlichen Verlust an Ausgangsleistung führen. Beispielshalber kommt bei einem ultraschnellen Laser mit 10% Auskopplung eine Hohlraumdämpfung von 1% (pro Umlauf) einem Verlust von etwa 10% der Ausgangsleistung gleich. Daher würden, selbst wenn man 99,9%-ig reflektierende Faltungsspiegel verwenden würde, mehr als etwa 10 Reflexionen in dem Hohlraum an diesen pro Umlauf eine deutliche Reduzierung der Ausgangsleistung ergeben.
Ferner muss der Laser, um die Charakteristik mit ultrakurzer Impulslängen eines ultraschnellen Lasers zu unterstützen, eine insgesamt negative Gruppenlaufzeitdispersion (negative GDD, oder NGDD) besitzen, d. h. die Summe der GDD des Laserverstärkungsmediums und aller Hohlraumkomponenten muss negativ sein. Bei einer einfachen Anordnung eines Laserhohlraums und des dielektrischen Materials in diesem, beispielsweise eines Verstärkungsmediums und einer Modenrasteinrichtung, wäre die Gesamt-GDD des Hohlraums positiv, d. h. Licht mit kürzerer Wellenlänge erfährt eine höhere Brechzahl und eine geringere Gruppengeschwindigkeit und bleibt hinter Licht mit längerer Wellenlänge zurück. Dies bewirkt die Verlängerung eines Laserimpulses bei jedem Umlauf und verhindert einen stabilen Kurzpulsbetrieb.
Ein Mittel, dies zu vermeiden, besteht darin, ein oder mehrere NGDD-Bauteile zu integrieren, die zusammengenommen eine negative GDD aufweisen, die zumindest gleich und vorzugsweise größer als diese positive GDD ist. Wenn der Laser ferner über einen Bereich von Wellenlängen abstimmbar sein soll, müssen die NGDD-Bauteile über diesen Bereich von Wellenlängen wirksam sein.
Reflektierende NGDD-Bauteile, die bei ultraschnellen Lasern nach dem Stand der Technik verwendet werden, enthalten GTI(Gires-Tournois-Interferometer)-Spiegel. Ein GTI-Spiegel ist ein mehrschichtiger NGDD-Spiegel, der einen Reflektor enthält, welcher einen Stapel dielektrischer Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl umfasst, wobei jede Schicht im Allgemeinen eine optische Dicke von einer viertel Wellenlänge (eine QWOT – Quarter Wavelength Optical Thickness) bei der nominellen Betriebswellenlänge des Lasers aufweist, sowie eine einzelne, dicke Fabry-Perot-artige "Abstandshalter"-Schicht (typischerweise viele Wellenlängen dick) aus dielektrischem Material, die auf dem Reflektor abgeschieden ist. Auf der Abstandshalterschicht kann (optional) ein partiell reflektierender mehrschichtiger Stapel abgeschieden sein. Ein GTI-Spiegel ergibt typischerweise eine konstante negative GDD nur über einen relativ schmalen Wellenlängenbereich, beispielsweise etwa 50 Nanometer (nm). Bei einem GTI-Spiegel wird die NGDD durch selektiven resonanten Einfang bestimmter Wellenlängen in der Abstandshalterschicht erzielt. Ein solches Bauteil ist ausführlich in der Veröffentlichung "Compression of Femto Second Optical Pulses with Dielectric Multilayer Interferometers", Kuhl et al., IEEE Transactions in Quantum Electronics, QE-22, 1, S. 182–185, Januar 1996, beschrieben.
In US-Patent 5,734,503 (Szipocs et al.) sind mehrschichtige NGDD-Spiegel offenbart, die als "Chirp-Spiegel" beschrieben sind. Ein offenbartes Beispiel eines solchen Spiegels enthält ein Substrat mit einer Struktur aus mehr als 40 Schichten, die auf diesem abgeschieden ist. In dieser Struktur weisen im Wesentlichen keine zwei benachbarten Schichten die gleiche optische Dicke auf. Für benachbarte Schichten werden zwei Materialien verwendet, wovon eines eine relativ hohe Brechzahl aufweist und das andere eine relativ niedrige Brechzahl aufweist. In der gesamten Struktur ist der Unterschied der optischen Dicke zwischen benachbarten Schichten deutlich, wobei Verhältnisse der optischen Dicke von bis zu etwa 2 : 1 nicht ungewöhnlich sind. Die Dicke der einzelnen Schichten wird, ausgehend von einem anfänglichen Schichtsystem, das als "intuitiv" beschrieben ist, rechnergestützt generiert (optimiert). Die Erhöhung der Dicke der einzelnen Schichten von der Vorderseite zur Rückseite des Schichtsystems, d. h. von der äußersten Schicht zu dem Substrat hin, oder ein Fouriertransformations-Entwurf werden als ein anfängliches Schichtsystem vorgeschlagen, obgleich keine Details eines solchen anfänglichen Schichtsystems offenbart sind. In US 5 734 503 wird gesagt, dass "das wichtigste Ergebnis im Hinblick auf die praktische Realisierung des erfundenen dispersiven dielektrischen Spiegels darin besteht, dass die unerwünschten Resonanzmerkmale fast vollständig durch leichte Anpassungen der Schichtdicken eliminiert werden können". Die "unerwünschten Resonanzmerkmale", auf welche sich diese Aussage bezieht, sind "Fabry-Perot-artige Resonanzen".
US 5 734 503 lehrt, dass nach der Optimierung, abgesehen von einer Tendenz der Zunahme der optischen Dicke einer "reflektierenden Periode" von der Vorderseite zur Rückseite des Schichtsystems hin, das Schichtsystem keine irgendwie geordnete Struktur aufweist und dass eine nahezu konstante NGDD ohne die Nutzung resonanter Einfangmechanismen in der Struktur erzielt wird und einfach aus den unterschiedlichen Eindringtiefen unterschiedlicher Wellenlängen in der Struktur resultiert. Der in US 5 734 503 beschriebene Spiegel war dafür vorgesehen, eine nahezu konstante NGDD von –45 fs² über einen Wellenlängenbereich von 720–890 nm zu liefern.
Obgleich der NGDD-Spiegel aus US 5 734 503 einen gewünschten Wert einer nahezu konstanten NGDD über eine Bandbreite zu erreichen scheint, die größer ist als jene, die in Bauteilen des GTI-Typs erzielt wird, welche auf einem breiten Resonanzhohlraum beruhen, um die NGDD bereitzustellen, ergibt sich aus der Betrachtung der optischen Mehrschichttheorie, dass die Spiegelstruktur weit davon entfernt ist, den höchstmöglichen Reflexionsgrad über die breiteste Bandbreite mit der gleichen Anzahl von Schichten aus dem gleichen Material zu ergeben. Es ist unter Entwerfern von mehrschichtigen optischen Bauteilen allgemein bekannt, dass der höchste Reflexionsgrad, der mit einer Gruppe von Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl erzielt werden kann, erhalten wird, wenn alle Schichten in der Gruppe im Wesentlichen die gleiche optische Dicke aufweisen (ein optisches Dickenverhältnis von 1 : 1). 'Im Wesentlichen' meint hier in dem Ausmaß, das unter Berücksichtigung der Brechzahldispersion in den Materialien erzielbar ist. Abweichungen von dem Verhältnis 1 : 1 werden zu einem niedrigeren Reflexionsgrad über eine schmalere Bandbreite führen. Je größer die Abweichung ist, desto niedriger ist der Reflexionsgrad.
Es wäre vorteilhaft, mehrschichtige Strukturen bereitzustellen, die eine mit den Strukturen aus US 5 734 503 vergleichbare NGDD über die gleiche breitere Bandbreite erzielen, während eine ausreichende Ordnung in den Strukturen bewahrt wird, sodass die Größe und Bandbreite des Reflexionsgrades nicht durch irgendwelche strukturellen Mechanismen oder Merkmale, die zur Bereitstellung dieser NGDD notwendig sind, unangemessen verschlechtert wird.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend durch die Ansprüche 1 und 9 definiert, auf welche nun Bezug genommen wird.
Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, eine mehrschichtige Spiegelstruktur zur Verfügung zu stellen, um einen größeren als einen ausgewählten hohen Reflexionsgradwert und eine im Wesentlichen konstante oder nahezu konstante negative Gruppenlaufzeitdispersion über ein ausgewähltes Band von Wellenlängen bereitzustellen. Dies wird erreicht, indem nicht versucht wird, einen Resonanzeinfang in der Struktur zu vermeiden, sondern eine Anordnung von. Schichten an der Vorderseite der Struktur bereitgestellt wird, die absichtlich bewirkt, dass ein selektiver Resonanzeinfang bestimmter Wellenlängen in dem ausgewählten Band von Wellenlängen auftritt. Dieser selektive Resonanzeinfang tritt in zwei oder mehr voneinander beabstandeten Teilgruppen von Schichten in dieser Anordnung auf. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf mehrfach resonante Mehrschichtstrukturen, deren Phasendispersion derart vorgesehen ist, dass eine vorbestimmte negative Gruppenlaufzeitdispersion für auf diese einfallende gepulste Strahlung, insbesondere ultraschnelle Laserimpulse, geliefert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat mit einer auf diesem angeordneten Mehrschichtstruktur. Die Mehrschichtstruktur enthält eine erste und eine zweite Mehrzahl von Schichten, wobei die zweite Mehrzahl von Schichten am weitesten von dem Substrat entfernt ist.
Die erste Mehrzahl von Schichten hat hauptsächlich die Funktion, den erforderlichen hohen Reflexionsgradwert bereitzustellen. Die zweite Mehrzahl von Schichten hat hauptsächlich die Funktion, eine hohe Reflexionsphasendispersion für den Spiegel in dem ausgewählten Band von Wellenlängen bereitzustellen und in Zusammenwirkung mit der ersten Mehrzahl von Schichten zu ermöglichen, dass die Reflexionsphasendispersion des Spiegels über das ausgewählte Band von Wellenlängen von in etwa der kürzesten bis etwa der längsten Wellenlänge desselben konstant zunimmt, und zwar in einer Weise, welche eine im Wesentlichen konstante negative Gruppenlaufzeitdispersion über das Band von Wellenlängen liefert.
Die Steuerungsfunktion für die Reflexionsphasendispersion der zweiten Mehrzahl von Schichten wird bewirkt, indem die Schichten derart angeordnet werden, dass ein selektiver Resonanzeinfang bestimmter Wellenlängen in dem ausgewählten Band von Wellenlängen in zumindest zwei in Längsrichtung beabstandeten Hohlraumgruppen aus einer oder mehreren Schichten in der zweiten Mehrzahl von Schichten auftritt. Eine hohe Phasendispersion versteht sich in diesem Zusammenhang als eine Phasenverschiebung oder Reflexionsdifferenz zwischen der kürzesten und der längsten Wellenlänge in dem ausgewählten Band von Wellenlängen von mindestens 180° (π).
Die erste Mehrzahl von Schichten kann im Wesentlichen als ein Viertelwellenstapel abwechselnder Schichten aus zwei unterschiedlich transparenten dielektrischen Materialien vorgesehen sein. Der Begriff 'im Wesentlichen' meint hier, dass beispielsweise eine Abschlussschicht vorhanden sein kann, die eine optische Dicke von weniger als einer viertel Wellenlänge aufweist, oder dass eine geringfügige Abweichung von beispielsweise etwa ± 10% von einem Mittelwert in den Schichten vorhanden sein kann. Beispielshalber kann eine solche Dickenschwankung ein in gewisser Weise stochastisches Erscheinungsbild aufweisen und als Ergebnis von Optimierungsanpassungen des Computers auftreten, die sich entsprechend dem Optimierungsalgorithmus als ineffektiv herausgestellt haben und danach nicht zurückgesetzt wurden. Die Abweichung kann möglicherweise in Schichten, die an die zweite Mehrzahl von Schichten angrenzen, geordneter und progressiver sein. Dies kann gemacht werden, um eine Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Mehrzahl von Schichten auszubilden.
Ein solcher Stapel weist eine Bandbreite auf, die in etwa gleich oder geringfügig schmaler als etwa eine entsprechende "normale" Reflexionsbandbreite ist. Eine "normale" Bandbreite ist hier als die Bandbreite eines allgemein bekannten Viertelwellenstapels aus zwei unterschiedlich transparenten dielektrischen Materialien definiert, wobei jede der Schichten bei einer so genannten Mittenwellenlänge eine optische Dicke von einer viertel Wellenlänge (eine QWOT von Eins) aufweist. Da ein Viertelwellenstapel ein frequenzsymmetrisches Spektralverhalten liefert, liegt die so genannte Mittenwellenlänge nicht eigentlich mittig in dem Reflexionsband, was die Wellenlänge betrifft, sondern stellt jene Wellenlänge dar, die am Frequenzmittelpunkt des Reflexionsbandes liegt.
Die erste Mehrzahl von Schichten kann auch als ein Breitbandspiegel angeordnet sein, was vorliegend einen Spiegel mit einer Reflexionsbandbreite bezeichnet, die breiter als die zuvor diskutierte entsprechende "normale" Bandbreite ist. Eine wesentliche Eigenschaft des Breitbandspiegels besteht darin, dass er eine minimale Reflexionsphasendispersion über die ausgewählte Bandbreite von vorzugsweise weniger als etwa 90° (π/2) und bevorzugter etwa 60° (π/3) oder noch weniger aufweist. Dies bezieht sich natürlich auf die Phasendispersion auf alleinstehender Basis, d. h. ohne die zweite Mehrzahl von Schichten und in der beabsichtigten Verwendungsrichtung des vollständigen erfindungsgemäßen NGDD-Spiegels betrachtet. Eine Phasendispersion von exakt Null ist nicht notwendig und ist in dem Zusammenhang der vorliegenden Erfindung möglicherweise gar nicht praktikabel oder möglich. Die Form, in der die Reflexionsphasendispersion vorliegt, sollte glatt und monoton variierend sein, was bedeutet, dass sie innerhalb des ausgewählten Wellenlängenbandes frei von Wellen, abrupten Änderungen des Anstiegs, Änderungen des Vorzeichens des Anstiegs, Unstetigkeiten, Singularitäten oder dergleichen sein sollte.
Die erste Mehrzahl von Schichten bestimmt die Breite, über welche ein hohes Reflexionsvermögen in den erfindungsgemäßen NGDD-Spiegeln erzielt werden kann. Da die mehrfach resonante zweite Mehrzahl von Schichten mit hoher Phasendispersion nur bei kürzeren Wellenlängen in dem ausgewählten Band von Wellenlängen ein hohes Reflexionsvermögen liefert und ferner ein höchstes Reflexionsvermögen aufweist, das eine Größenordnung oder mehr niedriger als dasjenige des höchsten Reflexionsgradwertes der ersten Mehrzahl von Schichten sein kann, ergänzt sie lediglich das Reflexionsvermögen in diesem Band. Die erste Mehrzahl von Schichten, die wie zuvor diskutiert angeordnet ist, bestimmt die maximal mögliche Bandbreite, über welche ein bestimmter Wert einer nahezu konstanten NGDD bereitgestellt werden kann, und zwar durch die auf dieser angeordnete, mehrfach resonante zweite Mehrzahl von Schichten. Grenzen für kurze und lange Wellenlänge werden durch abrupte Änderungen in der Phasendispersion bewirkt, die der zuvor beschriebenen stetigen Änderung der Phasendispersion auf relativ niedrigem Niveau vorausgehen (bei dem Grenzwert der kurzen Wellenlänge) und folgen (bei dem Grenzwert der langen Wellenlänge). Typischerweise nimmt die Reflexionsphasendispersion (der Anstieg) allmählich von dem Grenzwert der kurzen Wellenlänge zu einer "effektiven Mittenwellenlänge" hin ab und nimmt dann allmählich von dieser "effektiven Mittenwellenlänge" aus zu. Auf andere Weise betrachtet, muss die Reflexionsphasendispersion der ersten Mehrzahl (von der Verwendungsrichtung aus gesehen, d. h. von der "Vorderseite" des Spiegels oder der beabsichtigten Richtung des Einfalls der Strahlung aus) eine ähnliche Form wie die Reflexionsphasendispersion eines hypothetischen "Viertelwellenstapels" mit der gleichen Reflexionsbandbreite aufweisen. Von der "Rückseite" des Spiegels aus gesehen kann die Reflexionsphasendispersion eine komplexe Form aufweisen, die schnelle Änderungen über einen oder mehrere Zyklen von 360° (2π) beinhaltet.
Die zweite Mehrzahl von Schichten ist mit zumindest zwei beabstandeten Gruppen oder Teilstrukturen aus einer oder mehreren Schichten vorgesehen. Jede Gruppe bietet um diese Schichten herum die Wirkung eines Resonanzhohlraums für bestimmte Wellenlängen in dem ausgewählten Band von Wellenlängen. Die Resonanzhohlräume können beispielsweise durch einen Effekt ausgebildet werden, der ähnlich dem so genannten brechzahlkonjugierten oder phasenkonjugierten Effekt um einen Übergang zwischen (eine Nebeneinanderlage von) einer Schicht mit hoher Brechzahl und einer Schicht mit niedriger Brechzahl ist, wobei diese jeweils eine ähnliche Dicke aufweisen, die wesentlich geringer als eine viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge in dem ausgewählten Band von Wellenlängen ist. Obgleich eine solche Teilstruktur keine Schicht mit einer optischen Dicke von einer halben Wellenlänge oder mehr bei einer vergleichbaren Wellenlänge aufweist, die als einen Resonanzhohlraum vom "Fabry-Perot-Typ" bildend definiert werden könnte, sind der Resonanzeffekt und die begleitende Verstärkung der Intensität des elektrischen Feldes im Wesentlichen die gleiche. Dieser Resonanzeffekt ist notwendig, um die NGDD-Spezifikation der erfindungsgemäßen GDD-Spiegel in den von der ersten Mehrzahl von Schichten, auf welcher diese angeordnet ist, bewirkten Grenzwerten zu erzielen.
Die brechzahlkonjugierte und andere Resonanz ausbildende Teilstrukturen mit einer optischen Dicke von weniger als einer viertel Wellenlänge (Sub-QWOT) aus einer oder mehreren Schichten werden nachfolgend detaillierter diskutiert. Eine oder mehrere der resonanten Teilstrukturen kann sogar eine Struktur vom Fabry-Perot-Typ sein, die um eine Schicht mit einer optischen Dicke von etwa einer halben Wellenlänge in der interessierenden Reflexionsbandbreite herum zentriert ist. Welche Form die resonanten Teilstrukturen auch immer aufweisen, ihre effektive Qualität als Resonatoren oder "Q" wird durch die Anzahl der Schichten zwischen den Strukturen und das Brechzahlverhältnis der Schichten bestimmt.
Es sei hier betont, dass, während resonante Teilstrukturen, die um Schichten mit einer optischen Dicke von weniger als einer viertel Wellenlänge herum angeordnet sind, gegenüber den Strukturen mit halber Wellenlänge oder Fabry-Perot-Strukturen in NGDD-Spiegeln entsprechend der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, dies der Fall ist, weil angenommen wird, dass die komplexere Struktur mit dünneren Schichten und mehrfachen optischen Grenzen eine flexiblere und stetigere Phasensteuerung ermöglicht. Es ist definitiv nicht auf Grund irgendeines Wunsches der Fall, Resonanzen vom Fabry-Perot-Typ auszuschließen oder zu vermeiden, wie es nach dem Stand der Technik als notwendig gelehrt wird. Wie zuvor angemerkt, ist, obgleich sich die auf Sub-QWOT-Schichten basierenden Resonanzstrukturen physikalisch von Strukturen des Fabry-Perot-Typs unterscheiden, der Resonanzeffekt ähnlich der Fabry-Perot-Resonanz und ist bei den NGDD-Spiegelstrukturen entsprechend der vorliegenden Erfindung notwendig. Eine geeignete Anordnung der Anzahl und des Abstands dieser resonanten Teilstrukturen in der zweiten Mehrzahl von Schichten bestimmt die Größe der nahezu konstanten NGDD und legt außerdem innerhalb der durch die Form der ersten Mehrzahl von Schichten implizierten Grenzwerte die Bandbreite fest, über welche die nahezu konstante NGDD erzielt wird.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Berechnung eines mehrschichtigen Spiegelstrukturentwurfs entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst: das Eingeben einer Anfangsstruktur in einen geeignet programmierten Computer, wobei ein erster Teil derselben an das Substrat angrenzt und dazu vorgesehen ist, den hohen Reflexionsgrad über zumindest einen Teil des ausgewählten Bandes von Wellenlängen bereitzustellen, und ein zweiter Teil derselben über dem ersten Teil derselben angeordnet ist und zumindest zwei beabstandete Teilstrukturen zum Bereitstellen eines selektiven resonanten Einfangs von Wellenlängen in dem ausgewählten Band von Wellenlängen aufweist; und danach das automatische Optimieren über das Computerprogramm von zumindest der Dicke der Schichten der Anfangsstruktur und dadurch Bereitstellen des mehrschichtigen Spiegelstrukturentwurfs. Einige bevorzugte Beispiele von Anfangsstrukturen sind nachstehend detailliert diskutiert.
Die Erfindung wird nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Balkendiagramm ist, das schematisch eine Schichtstruktur eines Chirp-Spiegels nach dem Stand der Technik zum Bereitstellen einer konstanten GDD von etwa –45 fs² über eine Bandbreite zwischen etwa 730 nm und 830 nm darstellt;
2 ein Graph ist, der schematisch den berechneten Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für die Struktur aus 1 darstellt;
3 ein Graph ist, der schematisch die berechnete Reflexions-GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die Struktur aus 1 darstellt;
4 ein Balkendiagramm ist, das schematisch ein Beispiel einer NGDD-Spiegelschichtstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen einer im Wesentlichen konstanten NGDD von etwa –45 fs² und eines Reflexionsgrades von mehr als 99,99% über eine Bandbreite zwischen zumindest etwa 730 nm und 870 nm darstellt;
5 ein Graph ist, der schematisch den berechneten Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 4 darstellt;
6 ein Graph ist, der schematisch die berechnete Reflexions-GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 4 darstellt;
7 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die 41-schichtige NGDD-Spiegelstruktur aus 4 darstellt;
8 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die hinteren Schichten 1 bis 25 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 allein darstellt;
9. eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die vorderen Schichten 26 bis 41 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 allein darstellt;
10 eine graphische Darstellung ist, die schematisch die Verteilung, des elektrischen Feldes für Strahlung bei 730, 790 und 870 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 20 bis 40 eines 40-schichtigen, durchweg dielektrischen Spiegels mit überall QWOT nach dem Stand der Technik darstellt, der für ein Spitzenreflexionsvermögen bei 790 nm vorgesehen ist; die
11A–C Graphen sind, die schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes für Strahlung bei 730, 790 bzw. 870 nm Wellenlängen in den vorderen Schichten 20 bis 41 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 darstellen;
12 ein Balkendiagramm ist, das schematisch ein zweites Beispiel einer NGDD-Spiegel-Schichtstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen einer im Wesentlichen konstanten NGDD von etwa –80 fs² und eines Reflexionsgrades von mehr als 99,99% über eine Bandbreite zwischen zumindest etwa 740 nm und 840 nm darstellt;
13 ein Graph ist, der schematisch die berechnete Reflexions-GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 9 darstellt;
14 ein Balkendiagramm ist, das schematisch ein drittes Beispiel einer NGDD-Spiegel-Schichtstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen einer im Wesentlichen konstanten NGDD von etwa –80 fs² und eines Reflexionsgrades von mehr als 99,99% über eine Bandbreite zwischen zumindest etwa 740 nm und 840 nm darstellt; die
15A–C Graphen sind, die schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes für Strahlung bei etwa 772, 825 bzw. 845 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 24 bis 41 einer NGDD-Spiegelstruktur aus 14 darstellen;
16 ein Balkendiagramm ist, das schematisch ein viertes Beispiel einer NGDD-Spiegelschichtstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine Silberschicht enthält, über welcher 23 dielektrische Schichten angeordnet sind, wobei eine im Wesentlichen konstante NGDD von etwa –45 fs² und ein Reflexionsgrad von mehr als 99,9% über eine Bandbreite zwischen zumindest etwa 730 nm und 870 nm bereitgestellt wird;
17 ein Graph ist, der schematisch den Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für die Struktur aus 16 darstellt;
18 ein Balkendiagramm ist, das schematisch eine einfache, geordnete, symmetrische Resonanzstruktur aus elf Schichten darstellt, wobei keine Schicht bei der Resonanzwellenlänge dicker als eine viertel Wellenlänge ist;
19 schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes bei der Resonanzwellenlänge in der Struktur aus 18 darstellt;
20 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für eine 11-schichtige Struktur (HL)² fH (LH)² darstellt, und zwar mit QWOT bei 790 nm Wellenlänge für f-Werte von 0,5; 0,4; 0,3; 0,2 und 0,1;
21 ein Balkendiagramm ist, das schematisch ein sechstes Beispiel einer NGDD-Spiegel-Schichtstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen einer im Wesentlichen konstanten NGDD von etwa –50 fs² und eines Reflexionsgrades von mehr als 99,90% über eine Bandbreite zwischen zumindest etwa 770 nm und 1000 nm darstellt;
22 ein Graph ist, der schematisch den berechneten Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 21 darstellt;
23 ein Graph ist, der schematisch die berechnete Reflexions-GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 21 darstellt;
24 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für einen Viertelwellenspiegel mit 27 Schichten nach dem Stand der Technik darstellt; die
25A und 25B Graphen sind, welche die Verteilung des elektrischen Feldes für Strahlung bei etwa 950 nm bzw. 1000 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 26 bis 48 der NGDD-Spiegelstruktur aus 21 darstellen;
26 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 21 darstellt;
27 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die vorderen Schichten 28 bis 48 der NGDD-Spiegelstruktur aus 21 allein darstellt;
28 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad und die Phasenverschiebung bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die hinteren Schichten 1 bis 27 der NGDD-Spiegelstruktur aus 21 allein darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wenden wir uns nun den Zeichnungen zu, so stellt 1 in Form eines Balkendiagramms eine NGDD-Spiegelstruktur entsprechend des zuvor diskutierten Offenbarungsgehalts von Szipocs et al. dar. Jede Schicht ist als ein vertikaler Balken mit einer Höhe proportional ihrer optischen Dicke gezeigt. Ein Wert von 1,0 stellt eine optische Dicke von einer viertel Wellenlänge, oder QWOT, (bei einer Wellenlänge von 790 nm in den nachfolgend diskutierten Berechnungen und Ergebnissen) dar. Diese optischen Dicken sind aus Tabelle 4 des Patents von Szipocs et al. entnommen, wobei sie ein Beispiel des offenbarten "Chirp-Spiegels" darstellen. Es wird angenommen, dass die Schichten hohe und niedrige Brechzahlen von 2,31 bzw. 1,45 aufweisen. Es sind 42 Schichten vorhanden, wobei das Substrat im Ursprung des Diagramms aus 1 liegt, die erste Schicht (auf dem Substrat) eine Schicht mit niedriger Brechzahl ist und danach Schichten mit hoher und niedriger Brechzahl abwechseln. Wir haben beschlossen, diese Struktur nach dem Stand der Technik als eine Vergleichsstruktur für einen Anfangstest einer NGDD-Spiegelstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie sie folgt, zu verwenden. Der Zweck dieses Tests bestand darin, die wichtige und vorteilhafte Funktion von Resonanzmechanismen in einer NGDD-Schichtstruktur zu demonstrieren.
Zuerst wurde unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Software, TFCalc^TM von Software Spectra^TM Inc., Portland, Oregon, der Reflexionsphasenwinkel (Phasenverschiebung bei Reflexion) als eine Funktion der Wellenlänge für die Struktur aus 1 berechnet. Der Reflexionsgrad und die Reflexions-GDD der Struktur als Funktionen der Wellenlänge wurden unter Verwendung der Software MACLEOD^TM, die bei The Thin Film Center, Tucson Arizona erhältlich ist, berechnet. Die Resultate sind in 2 bzw. 3 dargestellt. Fachleuten auf dem Gebiet wird klar sein, dass die NGDD die zweite Ableitung des Reflexionsphasenwinkels nach der Frequenz ist.
Als nächstes wurde eine Anfangsstruktur, die nachfolgend als Struktur (1) bezeichnet wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung in die Software geladen. Die Struktur (1) wies die folgende Formel (1) auf: Substrat(H/2 L H/2)¹⁵(L/2 H L/2)²(H/2 L H/2)² (1), wobei H und L eine optische Dicke von einer viertel Wellenlänge, oder QWOT, von Material mit hoher bzw. niedriger Brechzahl repräsentieren, durch welche Konvention H/2 und L/2 optische Dicken von einer Achtel Wellenlänge darstellen. Die optischen Dicken in den Klammern bezeichnen eine Gruppe und die hochgestellte Zahl außerhalb der Klammern bezeichnet eine Wiederholungsanzahl der Gruppe. Diese Konvention und geringfügige Abweichungen von dieser (beispielsweise sprachliche oder dezimale) sind Fachleuten auf dem Gebiet allgemein bekannt. Die vorstehende kurze Beschreibung wird als Leitfaden für die folgenden Strukturbeispiele der vorliegenden Erfindung angeboten, die nachfolgend vorgestellt werden.
Struktur (1) ist eine 41-schichtige Struktur, bei der aneinandergrenzende optische Dicken von einer achtel Wellenlänge mit der gleichen Brechzahl vereinigt sind, sodass sie eine QWOT-Schicht bilden. Es sei angenommen, dass H und L die gleichen Brechzahlwerte (2,31 und 1,45) wie bei der Struktur nach dem Stand der Technik aus 1 haben.
Die aneinandergrenzenden Schichten (Paare) 31 und 32 sowie 36 und 37 (von dem Substrat aus nummeriert) sind Schichten mit einer optischen Dicke von einer achtel Wellenlänge mit einer unterschiedlichen Brechzahl. Die Struktur bewirkt eine Resonanz (selektiver Resonanzeinfang) für bestimmte Wellenlängen in den Bereichen dieser Achtelwellen-Schichtpaare. Der Resonanzmechanismus basiert darauf, was verschiedentlich als phasenkonjugierter oder brechzahlkonjugierter Mechanismus bekannt ist, wobei der letztere Begriff eine genauere Beschreibung darstellt. Er ist detailliert in US-Patent 3,528,726 beschrieben, wo seine Verwendung zur Herstellung von Filtern mit schmalem Durchlassbereich offenbart ist. Kurz gesagt, stellt eine Struktur (2), die durch die Formel (2) (L/2 H L/2)n(H/2 L H/2)n (2) definiert ist, als eine 2 × 2-Matrix dargestellt, für eine bestimmte längere Wellenlänge als die QWOT-(Mitten-)Wellenlänge der Schichten eine Einheitsmatrix dar. Jede Gruppe weist eine dispersive, vollständig imaginäre, wirksame Brechzahl (effektive Brechzahl) innerhalb einer gewissen Bandbreite auf, die durch die hohen und niedrigen Brechzahlwerte H und L definiert ist. Die effektiven Brechzahlen jeder Gruppe erstrecken sich über den gleichen Größenbereich, weisen aber ein entgegengesetztes Vorzeichen und einen entgegengesetzten Anstieg auf. Eine Einheitsmatrix wird bei einer Wellenlänge abgeleitet, bei der die effektiven Brechzahlen Konjugierte sind. Die Resonanz ist bei dieser konjugierten Wellenlänge maximal. Ein Fabry-Perot-Resonanzhohlraum wird durch eine Einheitsmatrix bei einer Wellenlänge dargestellt, bei welcher sie ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge Dicke (das doppelte eines Vielfachen von QWOT) ist. Wir können die Struktur (2) beschreiben als einen virtuellen Hohlraum, einen effektiven Hohlraum oder "konjugierten Hohlraum" bildend, um sie von dem "realen" (strukturell offensichtlichen) Hohlraum eines Fabry-Perot-Musters oder GTI zu unterscheiden. Es sollte hier angemerkt werden, dass die Struktur (2) ein spezieller Fall einer allgemeineren Struktur (aH bL aH)ⁿ(aL bH aL)ⁿ ist, wobei 2a + b = 2 ist, welche ebenfalls eine Resonanz entsprechend dem gleichen Prinzip liefert.
Fahren wir nun mit der Erörterung der Anfangsstruktur (1) fort, so wurde diese Anfangsstruktur mittels Computer derart optimiert, dass die Reflexionsphasenverschiebung als eine Funktion der Wellenlänge derjenigen gleichkam, die für die Struktur von Szipocs et al. aus 1 berechnet wurde. Die Optimierungszielwerte wurden in dem Bereich zwischen 730 nm und 870 nm festgelegt. Es wurde angenommen, dass, wenn man diese Phasenfunktion reproduzieren würde, man ebenfalls die NGDD als eine Funktion der Wellenlänge in zumindest diesem Wellenlängenbereich reproduzieren würde. Das Optimierungsverfahren war das Verfahren mit "variabler Metrik". Es sei insbesondere angemerkt, dass bei der Optimierung alle Schichten variabel gelassen wurden und die Optimierung eine Optimierung mit einem einzigen Parameter, nämlich nur der Phase war (die Reflexion wurde nicht optimiert).
Die optimierte Struktur ist graphisch in 4 in der gleichen Weise und mit den gleichen Einheiten wie die Struktur aus 1 dargestellt. Schichten mit ungeradzahliger Nummerierung sind hier Schichten mit hoher Brechzahl. Es ist zu sehen, dass die Schichten 1–15 im Wesentlichen unverändert zu deren Anfangsdicke sind und dass die Schichten 16–27 nur um einige Prozent (weniger als zehn) verändert sind. Die Struktur des "konjugierten Hohlraums", wie sie durch die Schichten 31 und 32 sowie 36 und 37 offensichtlich ist, ist immer noch klar erkennbar, selbst bei den Schichtdickenänderungen in den Schichten 28– 41, die aus der Optimierung resultieren.
Nach der Optimierung der Struktur (1) auf die Reflexionsphasenverschiebung der Struktur aus 1 wurden der Reflexionsgrad und die Reflexions-GDD als Funktionen der Wellenlänge für die optimierte Struktur unter Verwendung der Software MCLEOD^TM berechnet. Die Ergebnisse sind in 5 bzw. 6 dargestellt.
Vergleicht man die Kurve aus 3 mit 6, so ist erwartungsgemäß zu sehen, dass die GDD-Werte im Bereich der Phasenoptimierung im Wesentlichen identisch sind. Man beachte, dass außerhalb dieses Bereichs die Struktur nach dem Stand der Technik eine extreme Störung der GDD im Bereich von 720 nm zeigt. Bei der GDD-Kurve der erfindungsgemäßen Struktur ist jedoch keine solche Störung vorhanden.
Vergleichen wir nun die Kurven der 2 und 5, so ist zu sehen, dass die geordnete Beschaffenheit der erfindungsgemäßen Struktur ermöglicht, dass für im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Schichten (tatsächlich eine weniger) mit den gleichen Brechzahlwerten die erfindungsgemäße Struktur einen viel höheren Reflexionsgrad über eine breitere Bandbreite liefert, als es die ungeordnete Struktur nach dem Stand der Technik mit breit variierender Schichtdicke tut. Beispielsweise erreicht die Struktur nach dem Stand der Technik einen Reflexionsgrad von 99,99% nur bei etwa 790 nm, welcher auf etwa 99,8% bzw. 99,95% bei etwa 730 nm bzw. 870 nm abfällt. Die GDD-Störung bei 720 nm bei der Struktur nach dem Stand der Technik ist mit einem starken Einschnitt des Reflexionsvermögens in diesem Bereich verknüpft. Die erfindungsgemäße Struktur weist jedoch über diesen gesamten Bereich einen Reflexionsgrad von mehr als 99,99% und einen Spitzenwert von mehr als 99,999% auf.
Die Struktur aus 4 kann beschrieben werden als einen rückwärtigen (Spiegel- oder Reflektor-) Teil aufweisend, beispielsweise die Schichten 1–23, der hauptsächlich ein gewünschtes Reflexionsvermögen über eine gewünschte Bandbreite liefert, sowie einen vorderen (Phasenverzögerungs-) Teil, beispielsweise die Schichten 24– 41, welcher hauptsächlich die Phasenverzögerung liefert, und zwar eine Form dieser Phasenverzögerung, die notwendig ist, damit sich eine nahezu konstante negative GDD ergibt. Mit dem Begriff 'hauptsächlich' wird hier berücksichtigt, dass sich die Funktionen der Teile nicht absolut ausschließen. Es ist klar, dass ein Teil den anderen ergänzen muss. Beispielsweise kommt das, was auch immer an Phasenverzögerungsdispersion in dem Spiegelteil vorhanden ist (in der gezeigten Struktur wäre diese relativ flach) zu dem des vorderen Teils hinzu. Es ist weiterhin klar, dass die Phasenverzögerungsschichten eine gewisse Auswirkung auf den Reflexionsgrad der gesamten Struktur haben, da die wellenlängenselektive Reflexion einen wesentlichen Teil der Phasenverzögerungsfunktion darstellt. Im Hinblick darauf wird ein Fachmann erkennen, dass die Unterteilung der Struktur in einen Spiegel- und einen Phasenverzögerungsteil etwas willkürlich ist. Bestimmte Schichten, beispielsweise die Schichten 24–27, können als Grenzflächenschichten oder Grenzflächenteil zwischen dem Spiegel- und dem Phasenverzögerungsteil angesehen werden.
Dieses strukturelle und funktionale Konzept wird unter Bezugnahme auf 7, 8 und 9 dargestellt. 7 ist eine graphische Darstellung, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad (Kurve 7A) und die Phasenverschiebung (Kurven 7B) bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die 41-schichtige NGDD-Spiegelstruktur aus 4 zeigt. Es sei hier angemerkt, dass die Phasenkurven eine allgemeine, kontinuierliche Zunahme des Anstiegs zeigen. Dies ist erforderlich, um eine negative GDD zu liefern. Außerdem erwähnenswert sind zwei scharfe, schmale Einschnitte 7C und 7D des Reflexionsgrades in dem Wellenlängenbereich von 650 bis 700 nm und entsprechende Phasenunstetigkeiten 7E und 7F in Kurve 7B.
8 ist eine graphische Darstellung, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad (Kurve 8A) und die Phasenverschiebung bei Reflexion (Kurven 8B) als eine Funktion der Wellenlänge für die rückwärtigen Schichten 1– 25 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 allein darstellt. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Reflexionscharakteristik im Wesentlichen eine solche wie bei einer dielektrischen Spiegelstruktur mit "Viertelwellenstapel" mit einer Mittenwellenlänge bei etwa 790 nm ist, welches die QWOT-Wellenlänge für Schichten der Struktur aus 4 ist. Hier sei angemerkt, dass ausgehend von einer abrupten Änderung des Anstiegs an dem Bandrand 8S der kurzen Wellenlängen bei etwa 700 nm der Anstieg der Phasenverschiebung zuerst leicht bis zu etwa 0°/360° bei 790 nm abnimmt und dann bis zu einer weiteren abrupten Änderung 8L des Anstiegs jenseits von 900 nm hin leicht zunimmt. Innerhalb des Bereiches zwischen etwa 700 und 900 nm beträgt die Phasenänderung nur etwa 60° (π/3). Die sich schnell ändernde Phasenverschiebung und der sich schnell ändernde Reflexionsgrad in dem Wellenlängenbereich von 650 bis 700 nm sind es, welche die Schwankungen des Reflexionsgrades und die Phasenunstetigkeiten 7E und 7F in Kurve 7B verursachen.
9 ist eine graphische Darstellung, die schematisch den berechneten Reflexionsgrad (Kurve 9A) und die Phasenverschiebung (Kurve 9B) bei Reflexion als eine Funktion der Wellenlänge für die vorderen Schichten 26–41 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 allein darstellt. Hier sei angemerkt, dass der Reflexionsgrad im Allgemeinen niedrig im Vergleich zu dem Reflexionsgrad des Reflektorteils ist und sich langsam und stetig ändert, wobei zunehmend kürzere Wellenlängen bevorzugt vor längeren Wellenlängen, wie erwartet werden könnte, reflektiert werden. Die Änderung der Phasenverschiebung über den Wellenlängenbereich von etwa 700 bis etwa 900 nm beträgt beinahe 360° (beinahe einen vollständigen Zyklus von 2π). Der Anstieg der Änderung der Phasenverschiebung beginnt bei längeren Wellenlängen als etwa °790 nm abzunehmen. Dies wird kompensiert durch (oder kompensiert vielmehr) den steigenden Anstieg der Phasenverschiebung des rückwärtigen (Spiegel-) Teils, sodass die zusammengesetzte Phasenverschiebung der gesamten NGDD-Spiegelstruktur geliefert wird.
Die Wichtigkeit des Resonanzmechanismus (resonanter Einfangmechanismus) bei NGDD-Spiegelstrukturen entsprechend der vorliegenden Erfindung wird als nächstes im Vergleich zu dem Stand der Technik diskutiert, bei dem der Resonanzmechanismus nicht zur Anwendung kommt. 10 zeigt die Verteilung der Intensität des elektrischen Feldes (E²) für Strahlung bei 730, 790 und 870 nm Wellenlänge (Kurven 10A–C) in den vorderen Schichten 20 bis 40 eines 40- schichtigen, vollständig dielektrischen Spiegels mit überall QWOT nach dem Stand der Technik, der für ein Spitzenreflexionsvermögen bei einer Wellenlänge von 790 nm vorgesehen ist.
Die allgemein bekannte charakteristische Verstärkung des elektrischen Feldes in dem Eingangsmedium M an der Vorderseite des Spiegels ist dargestellt. Da in der Schichtstruktur kein Resonanzmechanismus (keine Teilstruktur) für diese Wellenlängen vorhanden ist, wird E² in der Struktur bei allen Wellenlängen mit der Tiefe der Struktur zunehmend gedämpft. In dem sich periodisch ändernden Feld weist jeder Peak eine wesentlich geringere Amplitude als der vorhergehende Peak (geringer als die Hälfte) auf, wobei diese Peaks tiefer als die Schicht Nummer 30 kaum sichtbar sind.
Nehmen wir nun Bezug auf die 11A–C, so ist in 11A die Verteilung von E² für Strahlung bei 730 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 20 bis 41 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 schematisch als Kurve dargestellt. Die Breiten der Schichten, die in den 11A–C und in vorliegenden analogen Kurven hier dargestellt sind, sind im Allgemeinen proportional zu ihren physikalischen Dicken. Es ist zu sehen, dass die E²-Peaks in der Struktur viel höher sind, als es für den Viertelwellenspiegel aus 10 dargestellt ist, und dass dies auf die Resonanzverstärkung von E² in dem "konjugierten Hohlraum", der um den Übergang der Schichten 36 und 37 herum gebildet ist, zurückzuführen ist. Man beachte, dass der zweite E²-Peak 72 (an diesem Übergang) höher als der erste E²-Peak 71 ist und die höchste Intensität bei dieser Wellenlänge in der Struktur darstellt. Für tiefer als dieser Übergang gelegene Schichten ist der E²-Peak zunehmend abgeschwächt, wobei kein merklicher Resonanzeffekt (bei dieser Wellenlänge) durch den um den Übergang der Schichten 31 und 32 herum zentrierten konjugierten Hohlraum beobachtbar ist. Bei der Schicht Nummer 22 dieser Struktur ist E² etwa gleich derjenigen bei der Schicht Nummer 30 des Viertelwellenspiegels aus 10. Das tiefere Eindringen des elektrischen Feldes in die Struktur aus 4 wird offensichtlich durch den Resonanzmechanismus des konjugierten Hohlraums bewirkt.
Kommen wir nun zu 11B, so ist in dieser die E²-Verteilung für Strahlung bei 790 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 20 bis 41 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 schematisch als Kurve dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Resonanz um den Übergang der Schichten 36 und 37 herum viel stärker als bei der Wellenlänge von 730 nm ist, wie durch den E²-Peak 82 angezeigt wird. Es ist außerdem zu sehen, dass die Schwächung der nachfolgenden Peaks durch das Anschlagen einer Resonanz in dem um den Übergang der Schichten 31 und 32 herum gebildeten konjugierten Hohlraum unterbrochen wird. Dies wird durch die nahezu gleiche Peak-Intensität der E²-Peaks 83 und 84 offensichtlich.
Kommen wir nun zu 11C, so ist in dieser die E²-Verteilung für Strahlung bei 870 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 20 bis 41 der NGDD-Spiegelstruktur aus 4 schematisch als Kurve dargestellt. Hier ist zu sehen, dass die Resonanz an dem um den Übergang der Schichten 31 und 32 herum ausgebildeten konjugierten Hohlraum stärker als bei 790 nm wird, wie durch den Peak 92 offensichtlich ist. An dem Übergang der Schichten 36 und 37 ist immer noch eine gewisse Spur von Resonanz vorhanden, obgleich nicht klar ist, welchem konjugierten Hohlraum diese zugeordnet werden kann.
In der vorstehenden Erörterung wurde eine NGDD-Spiegelstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung als eine einzigartige, doppelt resonante Schichtstruktur beschrieben, welche das NGDD-Verhalten des besten NGDD-Spiegels nach dem Stand der Technik von Szipocs et al. reproduziert, und zwar ohne irgendwelche nachteiligen Effekte, die sich aus der absichtlichen Integration von Resonanzmechanismen in der Struktur ergeben, welche Mechanismen entsprechend den Lehren von Szipocs et al. ausgeschlossen oder vermieden werden sollten. Ferner übertrifft die erfindungsgemäße NGDD-Struktur weit die Leistungsfähigkeit hinsichtlich des Reflexionsgrades, welche in der Struktur nach dem Stand der Technik erzielt wird. Nachstehend ist unter Bezugnahme auf 12 und 13 beschrieben, wie geordnete, mehrfach resonante NGDD-Spiegeistrukturen entsprechen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um eine viel größere nahezu konstante NGDD zu liefern, als sie durch die vorstehend diskutierten Strukturen bereitgestellt wird.
12 stellt in Form eines Balkendiagramms eine erfindungsgemäße NGDD-Struktur dar, die durch computergestützte Optimierung (auf einen NGDD-Sollwert von –80 fs² und einen Reflexionsgrad von 100% unter Verwendung der Software MACLEOD^TM) einer dreifach resonanten Anfangsstruktur (3) folgender Form abgeleitet wurde:
(L/2 H L/2)¹⁵(H/2 L H/2)⁴(L/2 H L/2)²(H/2 L H/2)² (3); wobei L und H, wie zuvor für die Struktur (1) beschrieben vorgesehen sind, wobei sich die ganz linke Schicht auf dem Substrat befindet, d. h. die ungeradzahlig nummerierten Schichten Schichten mit niedriger Brechzahl sind. Die berechnete GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die Struktur aus 12 ist schematisch in 13 dargestellt. Die GDD schwankt zwischen etwa 740 und 840 nm um weniger als ±10% um einen nominellen Wert von etwa –78 fs². Der Reflexionsgrad über diesen Bereich ist größer als etwa 99,99%.
Fachleute auf dem Gebiet werden aus 12 erkennen, dass als ein Ergebnis der Optimierung die anfängliche Schichtgruppe (L/2 H L/2)² der Anfangsstruktur (3) in ihrer Form im Endeffekt derart geändert worden ist, dass eine L/2-äquivalente Schicht der Gruppe "fehlt". Der ursprüngliche Übergang des Hohlraums scheint nun durch nur eine Achtelwellenschicht 40 (mit hoher Brechzahl) bestimmt zu sein. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass dies immer noch ausreicht, um die Mitte eines virtuellen Hohlraums oder konjugierten Hohlraums zu bilden. Eine empirische Beschreibung eines Mechanismus dafür ist später im Einzelnen beschrieben.
In 14 ist schematisch in Form eines Balkendiagramms eine Struktur dargestellt, die mittels Computer optimiert wurde, und zwar unter Verwendung der berechneten Reflexionsphasenverschiebung als einer Funktion der Wellenlänge aus der Struktur von 12 als Sollwert und unter Verwendung einer Anfangsstruktur (4) aus 48 Schichten, die definiert ist durch:
(L/2 H L/2)¹⁴(H/2 L H/2)⁴ (L/2 H L/2)²(H/2 L H/2)² (4), wobei H und L wie zuvor für die Struktur aus 4 spezifiziert vorgesehen sind und ungeradzahlig nummerierte Schichten Schichten mit niedriger Brechzahl sind. Das Optimierungsverfahren mit variabler Metrik TFCalc^TM wurde für die Optimierung verwendet, wobei die Phasenverschiebung der einzige Optimierungs-Zielwert war.
Es ist zu sehen, dass nach dieser Optimierung die allgemeine Form der Anfangsstruktur immer noch klar erkennbar ist. Die berechnete GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die Struktur aus 14 ist im Wesentlichen exakt jene; wie sie schematisch in 13 dargestellt ist, wie man erwarten könnte. Aus der zuvor gegebenen Beschreibung und bei Berücksichtigung der Struktur aus 14 wären Resonanz-Peaks für E² in der Nähe des Übergangs der Schichten 43 und 44, 38 und 39 sowie 29 und 30 zu erwarten.
Diese Erwartung wird durch die 15A–C bestätigt, welche schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes für Strahlung bei etwa 772, 825 bzw. 845 nm Wellenlänge in den vorderen Schichten 24 bis 48 der NGDD-Spiegelstruktur aus 14 darstellen. In 15A treten Resonanz-Peaks 122 und 124 um den Übergang der Schichten 43 und 44 bzw. 38 und 39 herum auf. In 15B treten Resonanz-Peaks 126 und 127 um den Übergang der Schichten 38 und 39 bzw. 29 und 30 herum auf. In 15C treten Resonanz-Peaks 129 und 130 um den Übergang der Schichten 43 und 44 bzw. 29 und 30 herum auf.
Es sei hier angemerkt, dass die Abtastwellenlängen für das elektrische Feld der 15A–C gewählt wurden, um zu demonstrieren, dass Resonanz tatsächlich auftritt, wo sie erwartet werden könnte. Fachleute auf dem Gebiet, die eine ähnliche Struktur bei irgendeiner anderen Wellenlänge innerhalb der Bandbreite mit effektiv konstanter GDD zur Untersuchung auswählen, werden feststellen, dass immer eine Resonanz um zumindest einen der drei Übergänge und ausschließlich um einen oder mehrere dieser drei Übergänge herum auftritt. Hierbei sollte nicht vergessen werden, dass eine Eigenschaft des konjugierten Hohlraums darin besteht, dass der Resonanz-Peak an der einen oder anderen Seite der tatsächlichen Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen Achtelwellenschichten (nahezu Achtelwellen nach der Optimierung) auftritt.
Ein bemerkenswertes Merkmal der in den 4, 12 und 14 dargestellten erfindungsgemäßen Schichtstrukturen besteht, berücksichtigt man die Lehren des gegensätzlichen Standes der Technik, darin, dass die meisten Schichten eine optische Dicke nahe einer QWOT bei der nominellen (Frequenz-) Mitte des dadurch erzeugten Frequenzbandes aufweisen. In 4 beispielsweise liegen 34 von 41 Schichten (mehr als 80%) innerhalb von ±10% einer QWOT bei 790 nm und in 14 liegen 40 von 48 Schichten innerhalb von ±10% einer 790 nm-QWOT. In dem, was als die Spiegelabschnitte dieser Strukturen definiert werden kann, liegen alle Schichten außer der ersten innerhalb von ±10% einer QWOT. In der Praxis kann diese erste Schicht ohne irgendeine wesentliche Auswirkung auf das NGDD-Verhalten weggelassen werden.
Ferner wird man aus den 4, 12 und 14 und den entsprechenden Eindringdaten des elektrischen Feldes der
15A–C und dergleichen erkennen, dass viele Schichten auf der Substratseite einer Struktur (dem Spiegelteil) nicht benötigt werden, um den gewünschten NGDD-Effekt zu erzeugen, sondern lediglich enthalten sind, um den Reflexionsgrad zu verstärken. Dementsprechend werden Fachleute, die mit den hier offenbarten Strukturen und Prinzipien der vorliegenden Erfindung experimentieren wollen, feststellen, dass innerhalb gewisser Grenzen der vordere, die NGDD bildende Teil einer Struktur eine ganz ähnliche Struktur beibehalten kann, wenn QWOT-Schichten zu dem Spiegelteil hinzugefügt oder von diesem subtrahiert werden, um den Gesamtreflexionsgrad zu erhöhen. Ferner ist es möglich, eine gemeinsame Dicke für diese Schichten mit im Wesentlichen QWOT in der Nähe des Substrates zu wählen, wodurch der Peak eines Reflexionsbandes mit dem Mittelpunkt eines brauchbaren Bereiches der NGDD ausgerichtet wird. Es ist sogar möglich, eine Gruppe von Schichten mit einer QWOT von Eins durch eine Schicht aus einem hochgradig reflektierenden Metall zu ersetzen und immer noch zumindest in etwa das gleiche NGDD-Verhalten und den gleichen Reflexionsgrad wie bei der Struktur nach dem Stand der Technik von Szipocs et al. zu erzielen.
Eine solche Struktur ist in Form eines Balkendiagramms in 16 dargestellt, wobei ungeradzahlig nummerierte Schichten Schichten mit hoher Brechzahl sind. Die Struktur ist als auf einer Silber(Ag)schicht (nicht nummeriert) abgeschieden dargestellt. Diese Struktur wurde abgeleitet, indem die Schichten 2–19 der bereits optimierten Struktur aus 4 weggelassen wurden, wobei die verbleibenden Schichten auf eine lichtundurchlässige Schicht aus Silber gesetzt wurden und auf die Reflexionsphasenverschiebung als einer Funktion der Wellenlänge hin für die Struktur aus 4 erneut optimiert wurden, welche natürlich im Wesentlichen das gleiche GDD-Verhalten liefert. In dieser Hinsicht sollte die Ähnlichkeit des Dickenverhältnisses der Schichten 13–23 der Struktur mit den entsprechenden Schichten 31–41 der
4 und den entsprechenden Schichten 38–48 beachtet werden. Der Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge ist für die Struktur aus 16 schematisch in 17 dargestellt und ist vergleichbar mit dem von Szipocs (2) erhaltenen Reflexionsvermögen mit fast doppelt so vielen Schichten aber mit einem im Wesentlichen identischen GDD-Verhalten. Ähnliche Strukturen können für Schichten aus anderen hochgradig reflektierenden Metallen wie etwa Aluminium (Al), Magnesium (Mg) oder Gold (Au) abgeleitet werden. Die Strukturen können auch auf einem polierten Substrat aus hochgradig reflektierendem Metall abgeschieden werden, anstatt auf einer Schicht aus dem hochgradig reflektierenden Metall auf irgendeinem anderen Substrat.
Bei Anfangsentwürfen für NGDD-Spiegel wurde dem Effekt des "konjugierten Hohlraums" der Vorzug gegeben (zuvor in. Verbindung mit der Struktur (2) beschrieben), der sich aus der Anordnung von Achtelwellenschichten übereinander durch Juxtaposition von (L/2 H L/2)ⁿ- und (H/2 L H/2)^m-Gruppen ergibt (wobei n und m gleiche oder unterschiedliche ganze Zahlen sein können), um die Resonanz in den erfindungsgemäßen Strukturen zu erzwingen, welche die NGDD mit einer minimalen Anzahl von Schichten liefert. Wie jedoch in Bezug auf 12 beobachtet wurde, kann eine Resonanz erzeugt werden, wenn eine einzige Schicht mit einer optischen Dicke von etwa einer Achtel Wellenlänge oder weniger zwischen zwei wesentlich dickeren Schichten angeordnet wird. Dies wird nachfolgend mit Bezugnahme auf 18 erklärt. Hier ist eine einfache 11-schichtige Resonanzstruktur gezeigt, die beginnend mit einer Struktur (H L)⁵ H bei 790 nm erzeugt wurde, wobei H und L die gleichen Werte wie in den anderen zuvor diskutierten Strukturen aufweisen. Die Anfangsstruktur wurde auf einen einzigen Sollwert eines Reflexionsgrades von 4,25% bei 790 nm hin optimiert. Die Schichten fünf, sechs und sieben wurden variabel gelassen. Die Schicht Nummer 6 wurde auf eine Variabilität in lediglich einem Dickenbereich von 0,3 bis 1,0 QWOTs eingeschränkt, um eine Optimierung auf einen Fabry-Perot-Hohlraum durch Weglassen dieser Schicht und Zusammenfassen der begrenzenden Schichten zu vermeiden. Die E²-Verteilung in der Struktur bei 790 nm ist in 19 gezeigt.
Die Struktur aus 18 wurde entworfen, um eine Resonanz bei der Mitten-(QWOT-)Wellenlänge (790 nm) der Schichten in der Struktur zu induzieren. Ausgehend von einer einfachen Struktur kann Resonanz durch den einfachen Mechanismus indiziert werden, die Dicke von nur einer der Schichten zu reduzieren. Dieses Konzept ist in 20 dargestellt, welche graphisch (Kurven 20A-E) den Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für eine symmetrische, 11-schichtige Struktur (HL)²HfLH(LH)² veranschaulicht, mit QWOT bei 790 nm Wellenlänge, und zwar für f-Werte von 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 bzw. 0,5. Die Kurve 20F stellt den Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für den "ursprünglichen" 11-schichtigen Spiegel mit durchweg einer optischen Dicke von einer viertel Wellenlänge dar, d. h. bei dem f = 1,0 ist. Die Kurven 20A–E weisen jeweilige Reflexionsminima M1–5 auf, welche innerhalb der Reflexionsbandbreite der Anfangsstruktur liegen. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass, wenn f = 0,0 ist, sich die Struktur auf eine 9-schichtige Fabry-Perot-Struktur (HL)²2H(LH)² reduziert, welche bei 790 nm einen minimalen Reflexionsgrad und eine maximale Durchlässigkeit aufweisen würde. Fachleute auf dem Gebiet sollten außerdem erkennen, dass alle Minima M1–5 das Ergebnis von Resonanzeffekten ähnlich jenen sind, welche in der Struktur des Fabry-Perot-Typs einen minimalen Reflexionsgrad und eine maximale Durchlässigkeit liefern. Fachleute sollten weiterhin erkennen, dass bei asymmetrischen Schichtanordnungen (mit mehr Schichten auf einer Seite eines virtuellen Hohlraums als auf der anderen) Reflexionsminima bei höheren Werten auftreten werden. Da diese Minima durch den Resonanzeffekt erzeugt werden, ist zu sehen, wie die Dicke der Sub-QWOT-Schichten in den erfindungsgemäßen Strukturen bei der Optimierung genutzt wird, um einen ausgewählten Resonanzeinfang bestimmter Wellenlängen als ein Mittel zum Bereitstellen der geforderten negativen GDD "maßzuschneidern".
Es ist festgestellt worden, dass beim Entwurf der vorstehend beschriebenen NGDD-Spiegelstrukturen entsprechend der vorliegenden Erfindung zumindest eine anfängliche Computeroptimierung erfolgen kann, indem zuerst manuell eine Startstruktur bereitgestellt wird, indem ein Stapel mit gleicher optischer Dicke (Viertelwellenstapel) des Typs (H L)ⁿH für einen gewünschten Betriebswellenlängenbereich und Reflexionsgrad eingegeben wird, dann manuell die Dicke von zumindest der ersten und einer oder mehrerer anderer Schichten, beispielsweise der fünften und der elften, verringert wird, um eine Anfangsplatzierung von Resonanzhohlräumen in dem Stapel bereitzustellen. Dadurch wird anfänglich die Phasendispersion zu einer allgemeinen Form hin manipuliert, die erforderlich ist, um eine hohe NGDD bereitzustellen, sie erfordert jedoch eine weitere Verfeinerung; um eine nahezu konstante negative GDD bereitzustellen. Ausgehend von diesem anfänglichen Einfügen von effektiven, virtuellen oder konjugierten Resonanzhohlräumen wird die (automatische) Computeroptimierung sehr viel schneller fortfahren und hauptsächlich die äußersten Schichten nutzen, um so gut wie möglich die gewünschte NGDD (und den gewünschten Reflexionsgrad) zu erzielen. Dadurch verbleiben dann die restlichen Schichten bei nahezu gleicher optischer Dicke, beispielsweise innerhalb von etwa 10% eines nominellen Mittelwertes, um ausgehend von der Anzahl der Schichten und ihrer Brechzahl einen höchstmöglichen Reflexionsgrad bereitzustellen.
Beginnt man die Optimierung auf diese Weise, und in Abhängigkeit von dem Optimierungsalgorithmus und den Sollvorgaben, sollte der resultierende optimierte Stapel ziemlich geordnet sein und einen großen Prozentsatz von benachbarten Schichten von etwa der gleichen optischen Dicke aufweisen. Im Hinblick darauf kann es sich als nützlich erweisen, zumindest anfänglich nur die Optimierung der äußersten 15 bis 20 Schichten zu gestatten. Wenn die optimierte Struktur einer der vorstehend diskutierten geordneten Formen oder einer anderen erkennbaren Resonanzstruktur ähnelt, kann eine solche Struktur als Ausgangspunkt (Startstruktur) für eine zweite Optimierung verwendet werden, welche in den meisten Fällen eine noch geordnetere optimierte Struktur liefern wird. Außerdem ist es, sobald ein befriedigendes GDD-Verhalten erzielt ist, dann möglich, geordnete Strukturen wie vorstehend erwähnt zu erzeugen, indem im Hinblick auf die entsprechende Kurve der Reflexionsphasenverschiebung in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Phasendispersion) anstatt auf die GDD hin optimiert wird. Auf diese Weise können in Abhängigkeit von der Prozessorgeschwindigkeit des jeweilig verwendeten Rechners Strukturen in Minuten anstatt von Stunden oder sogar Tagen an Rechenzeit ausgewertet werden, selbst wenn bis zu 20 oder 30 Ziel-Phasenwerte verwendet werden.
Bis zu diesem Punkt der Beschreibung der erfindungsgemäßen NGDD-Spiegelstrukturen handelt es sich bei den beschriebenen Strukturen um solche, welche eine nahezu konstante GDD bei einem gewünschten Reflexionsgrad über einen Wellenlängenbereich oder eine Bandbreite innerhalb dessen (weniger als dem) bieten, was als die "normale" oder charakteristische Reflexionsbandbreite bezeichnet werden könnte, die den hohen und niedrigen Brechzahlwerten der Schichten der Struktur zuzuordnen ist. Einfach definiert ist diese normale Reflexionsbandbreite die Bandbreite eine s Reflektorstapels mit durchweg einer optischen Dicke von einer viertel Wellenlänge. Das Gradmaß, bei dem die Bandbreite gemessen wird, kann willkürlich definiert werden, beispielsweise bei 99,0% Reflexionsgrad oder mehr, bei 99,9% Reflexionsgrad oder mehr, oder welches Niveau auch immer geeignet ist. Wie zuvor angemerkt, liefert ein Stapel mit durchweg einer optischen Dicke von einer viertel Wellenlänge außerdem das höchste erhältliche Spitzenreflexionsvermögen bei einer gegebenen Anzahl von Schichten mit diesen Brechzahlen.
Es ist klar, dass es Anwendungen geben wird, bei welchen NGDD-Spiegel, die über eine größere Bandbreite als die "normale Spiegelbandbreite" funktionsfähig sind, von Vorteil sein werden. NGDD-Spiegelstrukturen entsprechend der vorliegenden Erfindung können derart entworfen werden, dass sie bei einer solchen erweiterten Bandbreite arbeiten. Ein Beispiel einer solchen Struktur wird nachfolgend beschrieben, und zwar beginnend mit Bezugnahme auf 21, 22 und 23.
21 ist ein Balkendiagramm, das schematisch die optische Dicke von Schichten einer 48-schichtigen Struktur entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt. Ungeradzahlig und geradzahlig nummerierte Schichten weisen die hohe Brechzahl von 2,31 bzw. die niedrige Brechzahl von 1,45 wie bei den zuvor beschriebenen anderen Beispiele auf. Zu 21 sei angemerkt, dass die QWOT-Werte bei 730 nm anstatt 790 nm der anderen zuvor beschriebenen Beispiele gelten.
22 ist ein Graph, der den berechneten Reflexionsgrad als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 21 darstellt. 23 ist ein Graph, der schematisch die berechnete Reflexions-GDD als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus 21 darstellt. Es ist zu sehen, dass der Reflexionsgrad der Struktur aus 21 zwischen etwa 720 nm und 1000 nm größer als 99,9% ist, was eine Bandbreite von 280 nm auf diesem Niveau bedeutet. Aus 23 ist zu ersehen, dass die Reflexions-GDD von etwa 770 nm bis 1000 nm um eine Reflexions-GDD von –50 fs² herum relativ nahezu konstant ist (innerhalb von etwa ±10%), was eine NGDD-Bandbreite von etwa 230 nm bedeutet.
Nehmen wir nun Bezug auf 24, so ist in dieser der berechnete Reflexionsgrad (Kurve 21A) und die Phasenverschiebung bei Reflexion (Kurve 21B) eines Viertelwellenstapels mit 27 Schichten nach dem Stand der Technik ((H L)¹³H bei 850 nm) mit den Brechzahlen 2,31 und 1,45 dargestellt. Vergleicht man diesen mit dem für die Struktur aus 21 in 22 dargestellten Reflexionsgrad, so ist zu sehen, dass, während der Spitzenreflexionsgrad vergleichbar ist, sich die 99,9%-Bandbreite des Viertelwellenstapels nur von etwa 760 nm bis 970 nm hin erstreckt, was eine Bandbreite von 210 nm bedeutet. Vergleicht man den in 2 dargestellten Reflexionsgrad der Struktur von Szipocs, so ist zu sehen, dass sich die 99,9%-Bandbreite der Struktur von Szipocs von 740 nm bis 900 nm erstreckt, was eine Bandbreite von etwa 160 nm bedeutet, oder etwa 40 nm weniger als die bei einem vergleichbaren "normalen" Spiegel. Die Struktur von Szipocs (3) weist für eine NGDD von –45 fs² eine Bandbreite von etwa 140 nm auf. Es ist somit zu sehen, dass die Struktur aus 21 eine Reflexionsbandbreite und eine NGDD-Bandbreite liefert, welche jeweils die vergleichbare Reflexionsbandbreite eines normalen Spiegels übersteigt und welche diejenige der Szipocs-Struktur nach dem Stand der Technik weit übersteigt.
Die Struktur aus 21 kann, wie zuvor für andere Beispiele der erfindungsgemäßen NGDD-Spiegel diskutiert worden ist, analysiert werden, indem man sie betrachtet als einen rückwärtigen Teil aufweisend, der hauptsächlich für die Bereitstellung eines gewünschten Reflexionsvermögens und einer gewünschten Reflexionsbandbreite sorgt, sowie einen vorderen Teil, der hauptsächlich für die Bereitstellung der hohen Phasendispersion (von einem Minimum von n bis zu einem oder mehreren Zyklen von 2π) und der Phasendispersionsformung sorgt, die notwendig sind, um eine gewünschte konstante NGDD über eine gewünschte Bandbreite bereitzustellen. Optional können einige Zwischenschichten als "Grenzflächen"-Schichten angesehen werden. Überraschenderweise haben in dem Spiegelteil der Struktur aus 21 mehr als 80% der Schichten eine optische Dicke von etwa 1,15 QWOT bei 730 nm. Dies ist äquivalent einer optischen Dicke von etwa einer QWOT bei etwa 840 nm, was in dem Betriebswellenlängenbereich nahe der Frequenzmitte desselben liegt. Wie bei allen anderen zuvor beschriebenen Beispielen der erfindungsgemäßen NGDD-Spiegel beruht die Struktur aus 21 auf Resonanzmechanismen oder Teilstrukturen in dem vorderen Teil der Struktur, um die gewünschte NGDD-Eigenschaft bereitzustellen.
Beginnend mit einer Analyse des vorderen Teils der Struktur aus 21 zeigen die 25A und 25B die Verteilung des elektrischen Feldes (E²) in den Schichten 26–48 der Struktur aus 21 bei Wellenlängen von 950 nm bzw. 1000 nm. Erneut auf 21 Bezug nehmend, gibt es eigentlich fünf (konjugierte oder virtuelle) Resonanzhohlräume in dieser Gruppe von Schichten. Drei dieser Hohlräume sind um die Schichten 45, 41 und 37 herum klar offensichtlich. Zwei andere sind um die Schichten 33 und 31 herum etwas weniger offensichtlich. Der Resonanzeffekt der letzteren beiden ist jedoch klar aus der durch selbige verursachten Verstärkung des elektrischen Feldes ersichtlich, wie in den 25A bzw. 25B dargestellt ist.
Nehmen wir nun Bezug auf 26, so ist in dieser der berechnete Reflexionsgrad (Kurve 23A) und die Phasenverschiebung bei Reflexion (Kurven 23B) als eine Funktion der Wellenlänge für die NGDD-Spiegelstruktur aus
21 graphisch dargestellt. Der Effekt der mehreren Resonanzhohlräume des vorderen Teils der Struktur aus 21 ist darin klar ersichtlich, dass die Phasenverschiebung bei Reflexion sich um fast drei Zyklen von 2π (drei Zyklen von 360°) innerhalb der zuvor erwähnten Reflexionsbandbreite ändert, und zwar, erwartungsgemäß, mit ständig zunehmendem Anstieg. Zwei leichte "Dellen" des Reflexionsgrades in der Kurve 23A bei etwa 770 nm und 800 nm seien angemerkt. Der Grund für diese Dellen wird später erörtert.
Beziehen wir uns nun auf 27, so sind in dieser der berechnete Reflexionsgrad (Kurve 24A) und die Phasenverschiebung bei Reflexion (Kurven 24B) als eine Funktion der Wellenlänge für den vorderen Teil (als die Schichten 28–48 gewählt) der NGDD-Spiegelstruktur aus 21 (wie er erscheinen würde, wenn er direkt auf einem Glassubstrat abgeschieden wäre) graphisch dargestellt. Dieser vordere Teil kann als der Phasenverzögerungsteil oder NGDD-Teil bezeichnet werden. Zwei Aspekte der 27 sind beachtenswert. Als erstes weist die Reflexionskurve 24A einen stetigen und langsamen Übergang von einem relativ niedrigen Reflexionswert von weniger als 20% bei etwa 1000 nm ausgehend auf, wobei sie nur bei kürzeren Wellenlängen als etwa 840 nm einen wesentlichen Beitrag (>90%) zu dem Reflexionsvermögen erbringt. Dieser Teil liefert klar die geforderte Phasenverschiebung von fast drei Zyklen von 2π. Es sei jedoch angemerkt, dass der Anstieg der Phasenverschiebung bis zu Wellenlängen von etwa 900 nm hinauf zunimmt und dann beginnt, geringfügig abzunehmen.
Beziehen wir uns als nächstes auf 28, so ist in dieser der berechnete Reflexionsgrad (Kurve 25A) und die Phasenverschiebung bei Reflexion (Kurven 25B) als eine Funktion der Wellenlänge für den hinteren Teil (als Schichten 1–27 gewählt) der NGDD-Spiegelstruktur aus 21 graphisch dargestellt, wie er erscheinen würde, wenn die Schichten 28–48 nicht auf diesem abgeschieden wären. Folgendes sei angemerkt:
Vergleicht man mit 24, so verhält sich die Phasendispersion in der gleichen Weise wie ein "normaler" Viertelwellenstapel, aber über eine deutlich breitere Bandbreite. Von einer abrupten Änderung des Anstiegs am Bandrand der kurzen Wellenlängen aus nimmt der Anstieg der Phasenverschiebung zuerst leicht ab, bis zu etwa 0°/360° bei 850 nm, und nimmt dann bis zu einer weiteren abrupten Änderung des Anstiegs jenseits von 1000 nm hin leicht zu. Es ist im Endeffekt die Kombination der Kurven 24B aus 27 und der Kurven 25B aus 28, welche die Kurven 23B aus 26 liefert. Die Begrenzung der Bandbreite mit konstanter NGDD ergibt sich aus den abrupten Phasenänderungen dieses hinteren Spiegelteils der Struktur aus 21. Bei der Optimierung wird die Phasenform des Spiegelteils bei der Strukturierung des Phasenverzögerungsteils berücksichtigt.
Fahren wir unter Bezugnahme auf 28 fort, so ist der Reflexionsgrad allgemein hoch und liegt über diese Bandbreite hin auf dem erforderlichen Niveau, mit Ausnahme einer Delle des Reflexionsgrades zwischen etwa 750 und 820 nm. Die Delle im Reflexionsvermögen in diesem Bereich wird natürlich weitestgehend durch den kurzwelligen Beitrag der Phasenverzögerungsschichten 28–48 bei kurzen Wellenlängen behoben, obgleich, wie zuvor angemerkt, Spuren noch in der Reflexionskurve 23A aus 26 sichtbar sind.
Diese Delle stellt ein Artefakt des Bandbreitenverbreiterungsmechanismus (und des Phasenverbreiterungsmechanismus) für diesen Spiegel dar, welcher in diesem Fall ein mehrfach resonanter Mechanismus ist, der sich auf die erhöhte Dicke der Schichten 3, 7 und 13 dieses Spiegelteils der Struktur aus 21 zurückführen lässt. Die Schichten 3, 7 und 13 weisen eine optische Dicke zwischen etwa drei Achteln und sieben Achteln der Wellenlänge bei einer Wellenlänge in dem Betriebsreflexionsband der Struktur auf. Dies liefert die zuvor erwähnten Reflexionsminima bei 770 und 800 nm. Würde man die Intensitätsverteilung des elektrischen Feldes um die Schichten 3, 7 und 13 herum untersuchen, so würde man eine Resonanzverstärkung des Feldes finden, obgleich natürlich die tatsächliche Größe der Intensität des verstärkten Feldes etwa drei, vier oder mehr Größenordnungen geringer als in den Resonanzbereichen des Phasenverzögerungsteils der Struktur wäre. Wenn sie aus einer der beabsichtigten Verwendungsrichtung entgegengesetzten Richtung berechnet wird, d. h. wie sie von der Rückseite aus zu sehen wäre, unterläuft die Reflexionsphasenänderung in dem Bereich zwischen etwa 750 bis 820 nm zwei Zyklen von 2π, was für die Resonanzstruktur charakteristisch ist.
Es ist etwas überraschend, jedoch praktisch, dass diese hintere Lage der dicken Schichten die Verwendung eines Resonanzmechanismus zur Verbreiterung der Reflexionsbandbreite ermöglichen kann und gleichzeitig den nahezu flachen Phasenänderungsbereich, von der Verwendungsrichtung aus gesehen, glatt ausdehnen kann, ohne das NGDD-Verhalten des Spiegels nachteilig zu beeinflussen. Bei einem einfachen Test wurde festgestellt, dass eine Reduzierung der Schichten mit erhöhter Dicke auf etwa die gleiche Dicke wie bei den umgebenden Schichten lediglich den Effekt hatte, die GDD- und die Reflexionsbandbreite zu reduzieren, wobei die GDD in der reduzierten Bandbreite im Wesentlichen die gleiche blieb.
Es wird angenommen, dass ein "Verstecken" der bandverbreiternden Teilstruktur (beispielsweise der Schichten 1–14) des Reflektorteils der Struktur aus 21 (oder irgendeiner anderen Breitband-Spiegelstruktur) "hinter" einem Block von Schichten mit etwa gleicher optischer Dicke (beispielsweise der Schichten 15–27 aus 21) oder in einem Block von Schichten, deren optische Dicke von vorn nach hinten oder umgekehrt allmählich abgestuft ist, bei welchen aber zwei beliebige aneinandergrenzende Schichten etwa die gleiche optische Dicke aufweisen (beispielsweise eine Differenz von weniger als 5%), wichtig ist, um sicherzustellen, dass der Spiegel- oder Reflektorteil der erfindungsgemäßen Struktur die zuvor beschriebene gewünschte, sich stetig ändernde und relativ flache Phasenverschiebungscharakteristik aufweist. Allgemein wird man feststellen, dass die dünnste und die dickste Schicht in einem solchen abgestuften Block von Schichten eine optische Dicke aufweisen, die bei der kürzesten bzw. längsten Wellenlänge des ausgewählten Bandes von Wellenlängen für den NGDD-Spiegel größer als bzw. kleiner als etwa eine viertel Wellenlänge ist.
Dieser Block oder diese Teilstruktur des Breitbandspiegels ist natürlich (abgesehen von etwaigen Grenzflächenschichten) jener Block, auf welchem die Phasenverzögerungsstruktur angeordnet ist. In einer alternativen Definition sollte dieser Block oder diese Teilstruktur selbst keine irgendwie resonante Teilstruktur für Wellenlängen innerhalb des Betriebswellenlängenbereiches des Spiegels enthalten. Hinter dieser Teilstruktur können, in Abhängigkeit von der geforderten Verbreiterung, eine oder mehrere beabstandete Schichten mit einer optischen Dicke zwischen etwa drei Achteln und sieben Achteln der Wellenlänge bei einer Wellenlänge innerhalb des Betriebsreflexionsbandes des erfindungsgemäßen NGDD-Spiegels vorhanden sein, wobei eine oder mehrere Schichten zwischen diesen eine optische Dicke aufweisen, die geringer als eine viertel Wellenlänge bei einer Wellenlänge innerhalb des Betriebsreflexionsbandes des erfindungsgemäßen NGDD-Spiegels ist.
Es wird für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass diese und andere zuvor beschriebene Strukturen von NGDD-Spiegeln entsprechend der vorliegenden Erfindung eine beträchtliche Freiheit hinsichtlich der Wahl von Reflexionsgrad-Spezifikationen und NGDD-Spezifikationen bieten, und zwar, obgleich nicht vollständig unabhängig, in nur lose gekoppelter Weise. Sicherlich ist das Wissen darüber, welche wesentlichen Strukturmerkmale am wichtigsten für die Steuerung und Festlegung bestimmter Spiegelspezifikationen sind, von großem Wert, um sicherzustellen, dass die Computeroptimierung eine bestmöglich geordnete Struktur liefert, und zwar im Hinblick auf eine leichte Herstellung. Ein Vorwissen zu den grundlegenden Strukturformen reduziert wesentlich die erforderliche Zeit und den erzielten prozentualen Erfolg bei der Computeroptimierung solcher Strukturen im Vergleich zu Verfahren, die nach dem Stand der Technik gelehrt werden.
In dieser Hinsicht bietet das Vorhandensein von Wissen zu den erforderlichen Eigenschaften des Spiegelteils der Spiegelfunktion die Voraussetzung dafür, dass ein Breitband-NGDD-Spiegel entsprechend der vorliegenden Erfindung in zwei separaten Schritten entworfen werden kann. Ein erster Schritt würde darin bestehen, einen Breitband-Spiegelteil zu entwerfen, indem eine erforderliche Phasencharakteristik als auch eine Reflexionsgradcharakteristik, ausgehend von einer ersten Anfangsstruktur, spezifiziert wird. Ein zweiter Schritt würde darin bestehen, zu der Breitband-Spiegelstruktur eine ausreichende Anzahl von Schichten hinzuzufügen, die zwei oder mehr resonante Teilstrukturen enthalten, die derart angeordnet sind, dass sie eine gewünschte NGDD-Charakteristik liefern. Ein dritter Schritt würde darin bestehen, die gesamte Struktur zu optimieren, sodass sie die erforderlichen Sollwerte für den Reflexionsgrad und die NGDD erfüllt.
Es sei angemerkt, dass die erfindungsgemäßen NGDD-Spiegel auf Grund der komplexen, mehrfach resonanten Struktur, die erforderlich ist, um die beispielhaft angegebene Größe und Bandbreite der negativen GDD zu liefern, empfindlich gegenüber Schichtdickenfehlern sind. Es ist zu erwarten, dass sie ähnliche Herausforderungen hinsichtlich der Herstellung bieten wie andere komplexe, optisch resonante Schichtstrukturen, beispielsweise etwa hoch selektive Bandpassfilter mit mehreren gekoppelten Resonanzhohlräumen. Bei diesen erfindungsgemäßen Strukturen kann jedoch durch Beibehaltung jener Schichten, deren Fähigkeit begrenzt ist, die GDD zu beeinflussen oder die Reflexions- oder GDD-Bandbreite zu erweitern, bei nahezu gleicher Dicke, und mit Sicherheit dadurch, dass sichergestellt wird, dass die optische Dicke von aneinandergrenzenden dieser Schichten sich so nah wie möglich kommt, diese Empfindlichkeit im Vergleich zu den Strukturen nach dem Stand der Technik von Szipocs et al. wesentlich reduziert werden. Dies gilt besonders für beispielsweise Strukturen des in den 4, 12 und 14 dargestellten Typs, bei denen im Wesentlichen alle Schichten in einem Spiegelteil der Struktur in etwa die gleiche optische Dicke aufweisen.
In Beispielen von zuvor diskutierten NGDD-Spiegelstrukturen wurden Anfangsstrukturen optimiert, die aus nur zwei Materialien ausgebildet sind, einem mit einer relativ hohen Brechzahl und dem anderen mit einer relativ niedrigen Brechzahl. 'Relativ hoch' und 'niedrig' bedeutet hier das, was für im Wesentlichen dämpfungsarme Materialien typisch ist, die in den erläuterten Wellenlängenbereichen transparent sind. Die Optimierung erfolgte gegen feststehende NGDD- und Reflexionsgrad-Parameter, wie sie für eine spezielle Laservorrichtung spezifiziert sein könnten. Ein Ergebnis daraus, das sich bei allen diesen Optimierungen findet, besteht darin, dass in dem Band mit nahezu konstanter NGDD eine Schwankung oder Welle auftritt, welche Beiträge dritter oder höherer Ordnung der Phasendispersion der Strukturen anzeigt. In vielen Anwendungen könnte man diese Welligkeit oder fehlende Glätte geeignet oder tolerierbar finden. Durch Einführung zusätzlicher Optimierungsvariablen kann es jedoch möglich sein, die Welligkeit zu reduzieren, d. h. eine bessere nahezu konstante NGDD bereitzustellen, wenngleich in den meisten Fällen durch zusätzliche strukturelle Komplexität.
Eine einfachste Möglichkeit der Glättung besteht darin, zu gestatten, dass die GDD- und Reflexionsgradeigenschaften (Größe und Bandbreite) in einer Struktur variabel sind, und zwar bei zwei bevorzugten Materialien und einer feststehenden maximalen Anzahl von Schichten (wobei 'Maximum' hier berücksichtigt, dass selbst ein lediglich die Dicken variierender Optimierungsalgorithmus die Anzahl der Schichten auf Grund einer Dickenoption 'Null' reduzieren kann). Dies stellt einfach einen Kompromiss zugunsten einer größeren NGDD-Glätte für eine geringere Konformität bei einem oder mehreren anderen gewünschten Parametern dar und erhöht nicht die Komplexität der Struktur.
Komplizierter ist es, die Brechzahl der Schichten, insbesondere in dem Phasenverzögerungsteil der Struktur, als eine Optimierungsvariable zu verwenden. Dies kann auf reale oder "simulierte" Weise erfolgen. Beispiele dazu sind nachstehend angeführt.
Bei einem ersten Beispiel, der "realen" Brechzahländerung, kann die Brechzahl (einfach) zu einer Optimierungsvariablen gemacht werden. Es sei hier jedoch angemerkt, dass, wenn die Brechzahl deutlich verändert wird, es möglicherweise auch notwendig sein kann, in einer bestimmten lokalisierten Gruppe von Schichten in einer Struktur die Anzahl der Schichten zu erhöhen. Beispielsweise kann es in einer solchen strukturellen Gruppe wie etwa (H/2 L H/2)², bei der H den Brechzahlwert 2,31 aufweist und L den Brechzahlwert 1,45 aufweist, möglicherweise notwendig sein, die Teilstruktur der Gruppe selbst in (H/2 L H/2)³ zu ändern, wenn der Brechzahlwert von H auf 1,9 geändert wird. Fachleuten auf dem Gebiet wird klar sein, dass es Optimierungsalgorithmen gibt, die ermöglichen, dass Schichten automatisch zu einer Struktur hinzugefügt werden, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Alternativ kann die Gruppenwiederholungszahl fest sein und eine dritte Gruppe (ein weiterer virtueller Hohlraum) hinzugefügt werden. Dies geht natürlich mit einer zusätzlichen Komplexität, zumindest durch die Anzahl von Schichten, einher. Ein Hinzufügen von Schichten in dem Phasenverzögerungsabschnitt kann jedoch an sich vorteilhaft sein, da mehr einzelne Phasenkomponenten bereitgestellt werden, die aufsummiert werden können, um die erforderliche Phasenform (glatte NGDD) zu liefern.
Eine wesentliche Einschränkung bei der Brechzahlvariation besteht darin, dass brauchbare "reale" Materialien typischerweise nur in einem begrenzten Bereich von Brechzahlen verfügbar sind, wobei deren Werte nicht gleichmäßig über diesen gesamten Bereich verteilt sind. Eine Abscheidung einer Mischung aus zwei Materialien kann genutzt werden, um zumindest teilweise diese Einschränkung zu überwinden. Dadurch kann sich die Herstellungs-, wenn auch nicht die strukturelle Komplexität erhöhen.
Das Hinzufügen von Schichten und Bereitstellen einer Brechzahlvariabilität kann gleichzeitig erfolgen (manuell), beispielsweise durch das Verfahren der Substitution einer einzelnen Schicht (vorzugsweise um eine Viertelwellenschicht herum) in der Phasenverzögerungsgruppe durch eine mehrschichtige Gruppe. Fachleuten auf dem Gebiet wird klar sein, dass dies bei einer bestimmten Realisierung des Verfahrens beinhaltet, (anfänglich) die einzelne Schicht durch eine Kombination von drei Schichten zu ersetzen. Die äußerste der Schichten kann eine höhere Brechzahl und die innere Schicht eine niedrigere Brechzahl als die ursprüngliche Schicht aufweisen, oder umgekehrt. Die Kombination weist etwa die gleiche oder eine etwas geringere optische Dicke als die einzelne Schicht auf. Durch diese Substitution werden Grenzen hinzugefügt, welche bei der NGDD-Optimierung als auch bei der Bereitstellung eines Mittels zum Variieren der effektiven Brechzahl der substituierten Schicht (durch Variieren der Dicke der Komponentenschichten) bei Schichten aus bevorzugten "realen" Materialien wirksam sein können.
Natürlich kann jede der zuvor diskutierten Variabel-Optionen allein oder in Kombination für die Optimierung eines bestimmten Parameters eines NGDD-Spiegels entsprechend der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Aus der vorstehenden Beschreibung können Fachleute auf dem Gebiet verschiedene solcher Kombinationen der Optimierung oder struktureller Variablen in Erwägung ziehen, ohne von dem erfinderischen Gedanken und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In allen zuvor diskutierten Beispielen von NGDD-Spiegeln entsprechend der vorliegenden Erfindung wurden Strukturen mit hypothetischen Materialien entworfen, die weder eine Dispersion noch eine Dämpfung aufweisen. Dies geschieht, um einen direkten Vergleich der strukturellen Prinzipien allein mit analysierbaren Ansätzen des Standes der Technik vorzunehmen, sowie zwischen den Beispielen selbst. Tatsächlich wäre, sollte irgendeine der zuvor beschriebenen Strukturen für ein äquivalentes "reales" Material neu optimiert werden, das eine Brechzahl aufweist, die sich über die Betriebsbandbreite durch Dispersion ändert, beispielsweise Nioboxid (Nb₂O₅) für die Brechzahl 2,31 und Siliziumdioxid (SiO₂) für die Brechzahl 1,45, ein sehr geringer Unterschied in den beispielhaften Strukturen vorhanden. Ein Unterschied, der vorhanden wäre, bestünde in einer leichten Abweichung, von beispielsweise etwa 1%, von der exakten Gleichheit jener Schichten, die als in der optischen Dicke exakt gleich dargestellt wurden, sowie in einer gewissen vergleichbaren Differenz in der Dicke von entsprechenden Schichten in den Phasenverzögerungsteilen und Bandbreiten-/Phasenverbreiterungsteilen.
Was eine Dämpfungsfreiheit betrifft, so kann ein Abscheidungsverfahren für geringe Dämpfung, insbesondere das Ionenstrahlsputtern, Dämpfungen pro Schicht liefern, die ausreichend niedrig sind, damit diese keine erkennbare Auswirkung auf die Form oder Funktion der erfindungsgemäßen Strukturen haben. Beispielsweise kann bei Verwendung von durch Ionenstrahlsputtern abgeschiedenen Schichten aus bestimmten Materialen mit hoher Brechzahl wie etwa Tantaloxid (Ta₂O₅) oder Hafniumoxid (HfO₂) und einem Material mit niedriger Brechzahl wie etwa SiO₂ eine optische Gesamtdämpfung von weniger als 5 × 10^–5 (0,005%) für einen Stapel von etwa 40 oder sogar mehr abwechselnden Schichten erzielt werden.
Bei allen zuvor diskutierten Beispielen von NGDD-Spiegeln entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die Strukturen zur Verwendung mit Licht (Strahlung), die senkrecht auf diese einfällt, optimiert worden und die optische Dicke der Schichten stellt die optische Dicke bei diesem (senkrechten) Einfallswinkel dar. Dies geschieht wiederum, um einen direkten Vergleich der strukturellen Prinzipien allein mit analysierbaren Ansätzen nach dem Stand der Technik sowie zwischen den Beispielen selbst anzustellen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind jedoch gleichfalls anwendbar, wenn Strukturen zur Verwendung bei nicht senkrechtem Einfall entworfen werden. Entsprechende Strukturen können hinsichtlich der optischen Dicke analog definiert werden, vorausgesetzt, dass diese optische Dicke die wirksame optische Dicke für eine bestimmte Polarisationsausrichtung in dem Einfallswinkel für die beabsichtigte Verwendung ist.
In bestimmten Fällen könnte es von gewissem Vorteil sein, Strukturen zur Verwendung bei einem relativ hohen Einfallswinkel von beispielsweise etwa 45° zu entwerfen, und für Licht, das senkrecht zu der Einfallsebene polarisiert ist (s-polarisiert). Dies hat man bei NGDD-Bauteilen nach dem Stand der Technik, beispielsweise dem Gires-Tournois- Interferometer, gemacht, um die Bandbreite des Bauteils zu erweitern.
Ein Vorteil des Entwerfens für s-polarisiertes Licht besteht darin, dass sich für ein gegebenes Materialpaar (ein Material mit hoher und eines mit niedriger Brechzahl) das effektive Brechzahlverhältnis für das s-polarisierte Licht mit steigendem Einfallswinkel erhöht. Dies bedeutet, dass die zuvor diskutierte "normale" Reflexionsbandbreite für diese Materialien zunimmt. Fachleute werden erkennen, dass die einzelnen effektiven Brechzahlen tatsächlich abnehmen. Dies kann für die Ausnutzung einiger der zuvor diskutierten Glättungsoptionen vorteilhaft sein, insofern, als der Einfallswinkel bei bevorzugten "realen" Materialien eine effektive Brechzahländerung liefern kann.
Ferner wird ein Materialpaar mit einem relativ niedrigen Brechzahlverhältnis, beispielsweise HfO₂ und SiO₂, bei einem bestimmten praktischen Einfallswinkel das gleiche Brechzahlverhältnis wie, sagen wir, Nb₂O₅ und SiO₂ bei senkrechtem Einfall aufweisen. Bei diesem Einfallswinkel wäre Nb₂O₅ genauso wirksam wie ein Material mit wesentlich höherer Brechzahl bei senkrechtem Einfall. Die Prinzipien des Schichtsystementwurfs für nicht senkrechten Einfall sind Fachleuten auf dem Gebiet allgemein bekannt und eine weitere detailliertere Beschreibung der Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien ist nicht nötig. Dementsprechend werden vorliegend keine speziellen Beispiele der erfindungsgemäßen NGDD-Spiegel bei nicht senkrechtem Einfall angeboten.
In der gesamten vorstehenden Beschreibung sind Beispiele von NGDD-Spiegelstrukturen entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf wellenlängenabhängige Funktionen für solche Parameter wie die Reflexions-NGDD und die Reflexionsphasenverschiebung dargeboten, da diese im Fachgebiet üblich sind, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht. Fachleute werden erkennen, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichfalls anwendbar sind, wenn ein wellenlängenbezogener Parameter wie etwa die Frequenz, die Energie, Wellenzahl oder relative Wellenzahl zur Spezifizierung dieser Parameter gewählt wird.
Die vorliegende Erfindung ist als eine bevorzugte Ausführungsform und andere Ausführungsformen beschrieben und dargestellt worden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung durch die hier anhängenden Ansprüche definiert.

Claims

Mehrschichtiger Spiegel, umfassend: ein Substrat; und eine Abfolge von nebeneinander liegenden dielektrischen Schichten, wobei die Schichten in der Abfolge abwechselnd höhere und niedrigere von unterschiedlichen Brechzahlen für eine vorgegebene Wellenlänge aufweisen, die in einem Band von Wellenlängen enthalten ist, für welches die Schichten individuell transparent sind; wobei ein Reflektorteil des Spiegels eine erste Mehrzahl der aufeinander folgenden Schichten enthält und die erste Mehrzahl mindestens einen Block beinhaltet, in welchem jede Schicht optisch im Wesentlichen ein Viertel der vorgegebenen Wellenlänge dick ist; und wobei ein Phasendispersionsteil des Spiegels, der durch eine zweite Mehrzahl aufeinander folgender Schichten gebildet ist, mindestens zwei Resonatorgruppen aus aufeinander folgenden dieser Schichten beinhaltet, wobei jede Resonatorgruppe ein Paar von Schichten aufweist, die optisch im Wesentlichen ein Viertel der vorgegebenen Wellenlänge dick sind und durch mindestens eine Schicht voneinander beabstandet sind, welche optisch im Wesentlichen ein Achtel der vorgegebenen Wellenlänge dick ist; und wobei der Block zwischen dem Substrat und dem Phasendispersionsteil vorgesehen ist und aus einer Anzahl von Schichten besteht, die im Wesentlichen gleich der oder größer als die Anzahl von Schichten in dem Phasendispersionsteil ist, wodurch der Block über das besagte Band von Wellenlängen als ein Reflektor wirkt; wobei die optischen Dicken aller Schichten derart angepasst sind, dass sie für den Spiegel über das besagte Band von Wellenlängen eine negative Gruppenlaufzeitdispersion liefern.
Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorteil eine Metallschicht neben dem Substrat umfasst.
Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Metallsubstrat mit einer polierten Oberfläche ist, auf welcher die erste Mehrzahl dielektrischer Schichten abgeschieden wird.
Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichten der ersten Mehrzahl von Schichten eine optische Dicke von etwa einem Viertel der vorgegebenen Wellenlänge aufweist.
Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Schichten von mindestens einer der Resonatorgruppen optisch um etwa die Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge voneinander beabstandet ist.
Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mehrzahl von Schichten zwischen dem Block und dem Substrat zwei oder mehr voneinander beabstandete Schichten mit einer optischen Dicke zwischen etwa drei Achteln und sieben Achteln dir vorgegebenen Wellenlänge enthält.
Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr voneinander beabstandeten Schichten, die eine optische Dicke zwischen etwa drei Achteln und sieben Achteln der vorgegebenen Wellenlänge aufweisen, durch Schichten mit einer optischen Dicke von etwa einem Viertel der vorgegebenen Wellenlänge voneinander beabstandet sind.
Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei oder mehr voneinander beabstandeten Schichten, die eine optische Dicke zwischen etwa drei Achteln und sieben Achteln der vorgegebenen Wellenlänge aufweisen, Schichten mit einer optischen Dicke von weniger als etwa einem Viertel der vorgegebenen Wellenlänge vorgesehen sind.
Verfahren zur Berechnung des Entwurfs einer Mehrschichtspiegelstruktur unter Verwendung eines digitalen Computers, zum Bereitstellen eines größeren als eines ausgewählten hohen Wertes für das Reflexionsvermögen sowie einer im Wesentlichen konstanten, negativen Gruppenlaufzeitdispersion über ein ausgewähltes Band von Wellenlängen, wobei die Mehrschichtspiegelstruktur auf einem Substrat abgeschieden werden soll und der digitale Computer dazu programmiert ist, mindestens die optische Dicke von Schichten eines Anfangsstrukturentwurfs zu ändern, um den Entwurf der Mehrschichtspiegelstruktur bereitzuste1len, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Eingabe eines ersten Anfangsstrukturentwurfs; und b) automatische Optimierung mindestens der optischen Dicken aller Schichten der Anfangsstruktur und dadurch Bereitstellen des Entwurfs der Mehrschichtspiegelstruktur, wobei der erste Anfangsstrukturentwurf eine Abfolge von nebeneinander liegenden dielektrischen Schichten umfasst, wobei die Schichten in der Abfolge abwechselnd höhere und niedrigere von unterschiedlichen Brechzahlen für eine vorgegebene Wellenlänge aufweisen, die in einem Band von Wellenlängen enthalten ist, für welches die Schichten individuell transparent sind; wobei ein Reflektorteil des Spiegels eine erste Mehrzahl der aufeinander folgenden Schichten enthält und die erste Mehrzahl mindestens einen Block beinhaltet, in welchem jede Schicht optisch im Wesentlichen ein Viertel der vorgegebenen Wellenlänge dick ist; und wobei ein Phasendispersionsteil des Spiegels, der durch eine zweite Mehrzahl aufeinander folgender Schichten gebildet ist, mindestens zwei Resonatorgruppen aus aufeinander folgenden dieser Schichten beinhaltet, wobei jede Resonatorgruppe ein Paar von Schichten aufweist, die optisch im Wesentlichen ein Viertel der vorgegebenen Wellenlänge dick sind und durch mindestens eine Schicht voneinander beabstandet sind, welche optisch im Wesentlichen ein Achtel der vorgegebenen Wellenlänge dick ist; und wobei der Block zwischen dem Substrat und dem Phasendispersionsteil vorgesehen ist und aus einer Anzahl von Schichten besteht, die im Wesentlichen gleich der oder größer als die Anzahl von Schichten in dem Phasendispersionsteil ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Optimieren der optischen Dicken von Schichten entweder die Brechzahl jeder Schicht oder die Anzahl der Schichten oder beides optimiert wird.