DE69926774T2

DE69926774T2 - Vorrichtung mit in jeder richtung reflektierender mehrfachschicht zur eingrenzung elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: DE69926774T2
Application number: DE69926774T
Authority: DE
Inventors: Yoel Fink; Shanhui Fan; D. John JOANNOPOULOS; Chiping Chen; L. Edwin THOMAS
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: WO2000022466A1; CA2346733C; JP3643774B2; US20020025130A1; EP1121614B1; CA2346733A1; DE69926774D1; US6603911B2; US6463200B2; JP2002527788A; EP1121614A1; US20020191929A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Wellenleitung bzw. Welleneingrenzung und insbesondere auf eine in jeder Richtung reflektierende Vorrichtung mit Mehrfachschicht zur verbesserten Wellenleitung bzw. Eingrenzung von elektromagnetischer Strahlung.
Wahrscheinlich sind Spiegel am weitesten verbreitet unter den optischen Bauelementen. Spiegel waren schon im Altertum bekannt und wurden damals als Objekte der Anbetung und Schönheit eingesetzt und heute werden sie zur Abbildung, zum Bündeln von Sonnenenergie und in Laserresonatoren verwendet. Ihre Eigenschaften der optischen Täuschung haben die Phantasie von Wissenschaftlern sowie Künstlern und Schriftstellern in ihren Bann geschlagen.
Man kann zwischen zwei Spiegeltypen unterscheiden, und zwar den uralten Metallspiegeln und den neueren dielektrischen Spiegeln. Metallische Spiegel reflektieren Licht über einen weiten Bereich von Frequenzen, die unter willkürlichen Winkeln einfallen, was Reflektionsvermögen in jeder Richtung bedeutet. Bei Frequenzen im Infrarotbereich und bei optischen Frequenzen gehen jedoch im typischen Fall einige Prozent der einfallenden Energie aufgrund der Absorption verloren. Mehrschichtige dielektrische Spiegel werden in erster Linie dazu verwendet, einen schmalen Bereich der unter einem speziellen Winkel oder in einem bestimmten Winkelbereich einfallenden Frequenzen zu reflektieren. Im Unterschied zu ihren metallischen Gegenstücken können dielektrische Reflektoren äußerst verlustarm sein.
WO-A-97/01774 offenbart gemäß ihrer Zusammenfassung optische Vorrichtungen, die einen mehrschichtigen optischen Film umfassen, in dem mindestens eine der Schichten ein gerichtetes doppelbrechendes Polymer aufweist. Es wird dort festgestellt, dass der mehrschichtige optische Film ein schwaches Absorptionsverhalten habe und Licht reflektieren könne, das unter flachen Winkeln sowie senkrecht auf den Film herangeführt wird. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der optischen Vorrichtung um ein Bauelement zum Leiten bzw. Führen von Lichtwellen.
Gemäß seiner Zusammenfassung offenbart EP-A-0 426 203 eine optische Faser zur Verwendung bei Infrarotstrahlung hoher Leistung. Die Beschichtung, die sich auf die Enden beschränken kann, besteht aus sich abwechselnden Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kern um ein kristallines Silber-, Thallium- oder Cäsium-Halogenid, besteht eine der sich abwechselnden Beschichtungslagen aus kristallinem Bleifluorid und ist die andere abwechselnde Beschichtungslage kristallines Germanium- oder Silber-Halogenid. Der Mittelbereich des Kerns kann gegebenenfalls nicht mit einer Beschichtung überzogen sein oder wird mit weniger Schichten überzogen. Gegebenenfalls deckt eine metallische Schicht die Verkleidung ab. Eine Kunststoffschicht mit einem Brechungsindex, der nicht größer ist als die Indizes der Beschichtungslage kann gegebenenfalls die Beschichtung noch abdecken.
WO-A-04/09393 offenbart gemäß ihrer Zusammenfassung einen beschichteten Reflektor, der für Strahlung hochreflektiv ist, wobei die Strahlung zwei unterschiedliche Wellenlängen über einen großen Bereich von Einfallswinkeln besitzt, einschließlich der Glanz-Einfallswinkel. Der beschichtete Reflektor kann bei einem Wellenleiter für Laserstrahlung verwendet werden, die für medizinische oder andere Einsatzgebiete Einsatzgebiete nützlich ist, zum Beispiel ein kombinierter HeNe- und CO₂-Laserstrahl. Vorzugsweise umfasst der beschichtete Reflektor ein Metallsubstrat und einen darauf befindlichen mehrlagigen Stapel, wobei der mehrlagige Stapel aus sich abwechselnden Schichten aus einem Dielektrikum mit stark und schwach reflektierendem besteht und jedes Paar benachbarter Schichten mit hohem und niedrigem Index in dem Stapel zusammengenommen eine abgestimmte optische Dichte besitzt, die im Wesentlichen gleich einer einfallenden kurzen Wellenlänge ist, multipliziert mit einem Faktor M/2, und die gesamte abgestimmte optische Dicke des Stapels im Wesentlichen gleich (2N – 1)λ_L/8 ist, wobei M und N positive ganze Zahlen und λ_L ein einfallende lange Wellenlänge sind.
Die Fähigkeit zum Reflektieren von Licht unter einem willkürlichen Einfallswinkel für Konstruktionen, die komplett aus dielektrischem Material bestehen, wurde mit dem Vorhandensein einer kompletten Photonen-Bandlücke in Verbindung gebracht, die nur bei einem System mit einer dielektrischen Funktion existieren kann, die entlang dreier aufeinander senkrecht stehender Richtungen periodisch ist. Ein interner Stand der Technik (nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung in der Zeitschrift Optics Letters, Jahrg. 23, Nr. 20, 15. Oktober 1998, Seiten 1573–1575) rechnet tatsächlich hoch, dass eine ausreichende Bedingung zur Erzielung einer Reflexion in jeder Richtung in einem periodischen System mit einer Schnittstelle die Existenz eines überlappenden Bandlückenbereichs im Phasenraum über dem Lichtkegel der umgebenden Medien ist.
Die theoretische Analyse wird so erweitert (vgl. die vorgenannte Zeitschrift Optics Letters sowie die internationale Anmeldung WO 99/47465 (die eine Vorveröffentlichung nach dem Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ darstellt)), dass eine experimentelle Realisierung eines mehrlagigen, in alle Richtungen wirksamen Reflektors geschaffen wird, der innerhalb der Infrarot-Frequenzen betrieben werden kann. Die Konstruktion ist aus dünnen Schichten aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (Polystyrol und Tellur) aufgebaut und kombiniert charakteristische Merkmale sowohl der metallischen als auch der dielektrischen Spiegel.
Diese Konstruktion bietet ein in alle Richtungen wirksames metall-ähnliches Reflexionsverhalten zusammen mit Frequenzselektivität und verlustarmem Verhalten, das typisch für mehrlagige dielektrische Werkstoffe ist.
Dementsprechend ist erfindungsgemäß eine Anordnung zum Eingrenzen elektromagnetischer Strahlung vorgesehen, die in Anspruch 1 beansprucht wird.
Weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den rückbezogenen Ansprüchen ausführlich dargestellt.
In den beiliegenden Zeichnungen wird folgendes dargestellt:
1 ein vereinfachtes Blockschema eines beispielhaften Ausführungsbeispiels einer mehrlagigen periodischen dielektrischen Filmstruktur, welche einen Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Eingrenzung darstellt;
2A eine graphische Darstellung der projizierten Bandstruktur eines mehrlagigen Films mit einer Lichtlinie und einer Brewster-Linie, welcher einen Reflexionsbereich mit begrenzter Winkelakzeptanz bietet; 2B ist eine graphische Darstellung der Bandstruktur eines mehrlagigen Films zusammen mit der Lichtlinie und der Brewster-Linie unter Abbildung eines in alle Richtungen wirksamen Bereichs des Reflexionsverhaltens bei der ersten und zweiten Harmonischen;
3 eine graphische Darstellung des Verhältnisses "Bereich zu mittlerem Bereich" für den grundlegenden Frequenzbereich der Reflexion in alle Richtungen, die in Form von Umrisslinien aufgetragen sind;
4 eine Reihe von graphischen Darstellungen mit der Darstellung des berechneten (durchgezogene Linie) und des gemessenen (gestrichelte Linie) Reflexionsvermögens (%) in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei TM- und TE-Modus bei einem Einfallswinkel von 90° (Normalwinkel), 45° und 80°, wodurch ein omnidirektionales Reflexionsband gezeigt wird;
5 eine Tabelle ist, welche zeigt, dass ξ eine monoton ansteigende Funktion des Einfallswinkels für den TM-Modus eines in alle Richtungen wirksamen Reflektors ist;
6A ist vereinfachtes Blockschema im Querschnitt durch eine beispielhafte Struktur der Vorrichtung zur Eingrenzung gemäß der Erfindung;
6B ein entsprechendes Profil des Brechungsindex mit radialem Querschnitt für die in 6A dargestellte Struktur, und
7 ist ein Querschnitt durch ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Baugruppe zur Koextrusion für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Eingrenzung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein vereinfachtes Blockschema eines beispielhaften Ausführungsbeispiels einer mehrschichtigen periodischen Struktur aus einem dielektrischen Film 100, welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Eingrenzung bildet. Die Struktur besteht aus einer Anordnung aus sich abwechselnden Schichten 102, 104 aus einem Dielektrikum, die mit einem homogenen Medium gekoppelt ist, gekennzeichnet durch n₀ (zum Beispiel Luft mit n₀ = 1) an den Grenzflächen. Elektromagnetische Wellen treffen aus dem homogenen Medium auf den mehrschichtigen Film auf. Die Möglichkeit des Reflexionsvermögens in alle Richtungen für ein solches System wurde nun erkannt. h₁ und h₂ geben dabei die Dicke der Schicht an und n₁ und n₂ bezeichnen die Brechungsindizes der jeweiligen Schichten 104 und 102.
Eine exemplarische auftreffende Welle besitzt einen Wellenvektor k = k_xê_x + k_yê_y und eine Frequenz ω = cIkI. Der Wellenvektor definiert zusammen mit der Normalen auf die periodische Struktur 100 eine Spiegelsymmetrieebene, welche eine Unterscheidung zwischen zwei unabhängigen elektromagnetischen Modi ermöglicht: elektrische Modi in Querrichtung (TE) und magnetische Modi in Querrichtung (TM). Beim TE-Modus verläuft das elektrische Feld senkrecht zu der Ebene, ebenso wie das magnetische Feld beim TM-Modus. Die Verteilung des elektrischen Feldes beim TE-Modus (bzw. des magnetischen Feldes beim TM-Modus) in einer speziellen Schicht innerhalb der Schichtstruktur kann als Summe von zwei ebenen Wellen dargestellt werden, welche in entgegen gesetzten Richtungen wandern. Die Amplituden der beiden ebenen Wellen in einer speziellen Schicht α einer Zelle stehen über eine unitäre 2 × 2-Translationsmatrix U^(α) in einer Beziehung zu den Amplituden in der gleichen Schicht einer benachbarten Zelle.
Allgemeine Merkmale der Transporteigenschaften der endlichen Struktur sind verständlich, wenn die Eigenschaften der unendlichen Struktur klarer dargestellt werden. In einer Struktur mit einer unendlichen Anzahl von Schichten führt die Translationssymmetrie entlang der zu den Schichten senkrechtem Richtung zu Bloch-Wellenlösungen in der folgenden Form:
wobei E_K(x) periodisch mit einer Längenperiode a und K die Bloch-Wellenzahl ist, die durch folgende Formel gegeben ist:
wobei Tr die Matrix-Operation der Abtastung oder die Operation zur Berechnung der Spur der Matrix darstellt, welche gleich der Summe der diagonalen Elemente ist. Lösungen des unendlichen Systems können sich ausbreiten oder gedämpft werden, jeweils in Entsprechung zu den realen oder imaginären Bloch-Wellenzahlen. Die Lösung von Gleichung 2 definiert die Bandstruktur für das unendliche System ω(K, k_y).
Es ist günstig, die Lösungen der unendlichen Struktur dadurch darzustellen, dass die Funktion ω(K, k_y) auf die Ebene ω – k_y projiziert wird. Die 2A und 2B stellen Beispiele für derartige projizierte Strukturen dar.
2A ist eine graphische Darstellung der projizierten Bandstruktur eines mehrschichtigen Films mit einer Lichtlinie 200 und einer Brewster-Linie 202, welche einen Bereich des Reflexionsvermögens mit eingeschränkter Winkelakzeptanz mit n₁ = 2,2 und n₂ = 1,7 und mit einem Dickenverhältnis von h₂/h₁ = 2,2/1,7 aufweist.
2B ist eine graphische Darstellung der projizierten Bandstruktur eines mehrschichtigen Films mit der Lichtlinie 204 und der Brewster-Linie 206, welche einen Bereich des Reflexionsvermögens in alle Richtungen bei der ersten und zweiten Harmonischen zeigt. Die Filmparameter sind n₁ = 4,6 und n₂ = 1,6 bei einem Dickenverhältnis von h₂/h₁ = 1,6/0,8. Diese Parameter sind ähnlich den tatsächlich experimentell gemessenen Parametern eines Polymer-Tellur-Films (vgl. WO/99 47465).
Die Fläche 208 und 210 (hellgrau) hebt den Phasenraum hervor, in dem K streng real ist, was bedeutet, dass es sich um Bereiche mit sich fortpflanzenden Zuständen handelt. Die Fläche 212 (weiß) repräsentiert bereiche, welche gedämpfte Zustände enthalten. Die Flächen 214 und 216 repräsentieren Bereiche mit einem Reflexionsvermögen in alle Richtungen.
Die Form der projizierten Bandstrukturen für die mehrschichtige Filmstruktur lässt sich intuitiv erfassen. Bei k_y = 0 wird die Bandlücke für die Wellen, die senkrecht zu den Schichten wandern, wieder hergestellt. Bei k_y > 0 krümmen sich die Bänder in der Frequenz nach oben. Wenn k_y → ∞ werden die Modi weitgehend auf die Platten mit dem hohen Brechungsindex eingegrenzt und verkoppeln sich nicht zwischen Schichten (weshalb sie von k_N unabhängig sind).
Bei einer endlichen Struktur wird die Translationssymmetrie in den zu den Schichten parallelen Richtungen beibehalten und somit bleibt k_y eine beibehaltene Größe. In der zu den Schichten senkrechten Richtung ist die Translationssymmetrie nicht mehr vorhanden. Dennoch ist die K-Zahl, wie sie in Gleichung 2 definiert wird, immer noch relevant, weil sie einfach durch das Dielektrikumsverhalten und die strukturelle Eigenschaften einer einfachen Doppelschicht bestimmt wird. In Bereichen, in denen K eine imaginäre Zahl ist, wird das elektromagnetische Feld stark gedämpft. Je stärker die Anzahl der Schichten zunimmt, desto stärker nimmt der Transmissions-Koeffizient exponentiell ab, wohingegen das Reflexionsverhalten sich an Eins annähert.
Da das primäre Interesse Wellen gilt, die aus dem homogenen Medium außer halb der periodischen Struktur herrühren, konzentriert man sich hier nur auf den Abschnitt des Phasenraums, der über der Lichtlinie liegt. Wellen, die ihren Ursprung in dem homogenen Medium haben, erfüllen die Bedingung ω ≥ ck_y/n₀, wobei n₀ den Brechungsindex des homogenen Mediums bezeichnet, weshalb sie über der Lichtlinie angesiedelt sein müssen. Bei Zuständen des homogenen Mediums, bei denen k_y = 0 gilt, liegt ein normales Auftreffen vor, und bei den Zuständen, die auf der Linie ω = ck_y/n₀ bei k_x = 0 liegen, die Wellen unter einem Winkel von 90° auftreffen.
Die Zustände in 2A, die in dem eingeschränkten Phasenraum liegen, der durch die Lichtlinie 200 definiert wird und bei denen in Entsprechung zu den sich fortpflanzenden Lösungen (graue Flächen 208) der Struktur a(ω, k_y) gilt, können sich sowohl in dem homogenen Medium als auch in der Struktur fortpflanzen. Diese Wellen werden teilweise oder vollständig durch den Film hindurch übertragen. Die Zustände, für die (ω, k_y) in den gedämpften Bereichen (weiße Flächen 212) gilt, können sich in dem homogenen Medium fortpflanzen, bauen sich aber in der Struktur ab. Wellen, welche diesem Abschnitt des Phasenraums entsprechen, werden von der Struktur weg reflektiert.
Das mehrschichtige System, das zu den 2A führt, repräsentiert eine Struktur mit einem Kegel mit eingeschränktem Reflexionsverhalten, da man bei jedweder Frequenz ω immer einen Vektor k_y finden kann, bei dem sich eine Welle auf dieser Frequenz in der Struktur fortpflanzen kann und somit durch den Film hindurch übertragen lässt. Beispielsweise wird eine Welle mit ω = 0,285 2πc/a (gestrichelte horizontale Linie 218) bei einem Wertebereich für k_y, der von 0 (normales Auftreffen) bis 0,285 2π/a (Auftreffen unter 90°) im TE-Modus reicht, reflektiert, wohingegen ihre Übertragung im TM-Modus bei einem Wert von k_y = 0,187 2π/a (Auftreffen unter ~41°) einsetzt. Das notwendige und ausreichende Kriterium für ein Reflexionsverhalten in alle Richtungen bei einer gegebenen Frequenz besteht darin, dass keine Übertragungszustände der Struktur innerhalb des Lichtkegels vorliegen. Diesem Kri terium wird mit den Frequenzbereichen 214 und 216 in 2B entsprochen. Das zu 2B führende System zeigt tatsächlich zwei Bereiche des Reflexionsverhaltens in alle Richtungen.
Eine notwendige Bedingung für ein Reflexionsverhalten in alle Richtungen besteht darin, dass Licht von außerhalb der Struktur keinen Zugang zum Brewster-Winkel Θ_B = tan^–1(n₁/n₂) der mehrlagigen Struktur haben darf, weil bei diesem Winkel der TM-Modus hindurch übertragen wird. Diese Bedingung wird dann erfüllt, wenn die Brewster-Linie außerhalb der Lichtlinie oder der Terme der Brechungsindizes der Schichten sin^–1(n₀/n₂) < Θ_B liegt. Eine ausreichende Bedingung ist die Präsenz einer speziellen Frequenz, bei welcher zwischen k_y = 0 und k_y = ω/c innerhalb des Kristalls kein wandernder Modus vorliegt.
2A stellt ein Beispiel für eine Struktur dar, bei der keinerlei Frequenzbereich mit Reflexionsvermögen in allen Richtungen vorliegt, auch wenn sein Brewster-Durchgang für Licht unzugänglich ist, das aus dem homogenen Medium kommt (der Brewster-Durchgang liegt außerhalb des Lichtkegels). Dies ist auf die hohe Gruppengeschwindigkeit der Modi im unteren Bandrandbereich des TM-Modus zurückzuführen, wodurch es möglich ist, dass jede Frequenz sich an einen wandernden Zustand in dem Kristall ankoppelt. Dies sollte in Gegensatz zu 2B gesetzt werden, die einen Frequenzbereich mit Reflexionsverhalten in alle Richtungen (Fläche 214) zeigt. Die hohen Brechungsindizes ermöglichen tatsächlich das Öffnen eines zusätzlichen Bereichs des Reflexionsverhaltens in alle Richtungen (Fläche 216) auch in der höheren Harmonischen.
Der Frequenzbereich des Reflexionsverhaltens in alle Richtungen wird von oben durch den Bandrandbereich mit normalem Auftreffen ω_b(k_x = π/a, k_y = 0) (Punkt 220 bzw. Punkt a) und unten durch den Schnittpunkt des oberen Randes des durch TM zulässigen Bandrandbereichs mit der Lichtlinie ω_l(k_x = π/a, k_y = ω_l/c) (Punkt 222 bzw. Punkt b) definiert.
Der genaue Ausdruck für die Bandrandbereiche ist wie folgt:
Ein Parameter ohne Abmessungen, der zur Quantifizierung des Umfangs des Frequenzbereichs für Reflexionsvermögen in alle Richtungen herangezogen wird, ist das Verhältnis von Bereich zu Mittelbereich, das als (ω_h – ω_l/½(ω_h + ω_l) definiert ist. In 3 ist dieses Verhältnis als Funktion von n₂/n₁ und n₁/n₀ aufgetragen, wobei ω_h und ω_l durch Lösungen nach Gleichung 3 mit einer Schichtdicke von einer Viertelwelle und mit n₁ > n₂ bestimmt werden. Die Umrisslinien in dieser Figur stellen verschiedene Frequenzbereiche mit gleicher Frequenz in allen Richtungen für verschiedene Parameter des Werkstoffindex dar und könnten zu Konstruktionszwecken von Nutzen sein. Das Verhältnis bei den exemplarischen Werkstoffen beträgt in etwa 45% (n₁/n₂ = 2,875, n₂/ n₀ = 1,6) und befindet sich am Schnittpunkt der gestrichelten Linien bei Punkt 300.
Es kann auch günstig sein, einen in etwa analytischen Ausdruck für den Umfang der Photonen-Bandlücke zu erhalten. Diesen kann man durch Einsetzen von cos(k_x ⁽¹⁾h₁ – k_x ⁽²⁾h₂) ≅ 1 in Gleichung 3 erhalten. Dabei zeigt sich, dass bei einem gegebenen Auftreffwinkel Θ₀ die ungefähre Breite des Frequenzbands wie folgt ist:
Bei normalem Einfall (d.h. bei Θ = 0) liegt kein Unterschied zwischen den Modi TM und TE vor. Bei immer schrägeren Winkeln nimmt die Photonen-Bandlücke für den TE-Modus zu, wohingegen die Photonen-Bandlücke beim TM-Modus abnimmt. Außerdem verschiebt sich der Mittelpunkt der Lücke zu höheren Frequenzen hin. Deshalb lässt sich das Kriterium für das Vorhandensein eines Reflexionsvermögens in alle Richtungen auch als das Auftreten einer Frequenzüberlappung zwischen der Lücke bei normalem Einfall und der Lücke beim TM-Modus bei 90° angeben. Analytische Ausdrücke für das Verhältnis von Bereich zu Mittelbereich lassen sich erhalten, wenn man folgendes einsetzt:
Darüber hinaus wird die größtmögliche Breite des Frequenzbereichs für Weite der Dicke erreicht, die nicht gleich dem Viertelwellen-Block sind, auch wenn die Zunahme der Bandbreite, die man durch Abweichung vom Viertelwellen-Block erhält, im typischen Fall nur ein paar Prozentpunkte beträgt.
Ganz allgemein definiert der TM-Modus den unteren Frequenzrand des omnidirektionalen Bereiches. Ein Beispiel hierfür ist in 2B für eine bestimmte Auswahl der Brechungsindizes erkennbar. Dies lässt sich dadurch nachweisen, dass aufgezeigt wird, dass
in dem Bereich liegt, der innerhalb der Lichtlinie angesiedelt ist. Der physikalische Grund für Gleichung 7 liegt in der Vektor-Natur des elektrischen Feldes. Im oberen Abschnitt des ersten Bandes konzentriert das elektrische Feld seine Energie in den hohen dielektrischen Bereichen.
Entfernt vom normalen Einfall besitzt das elektrische Feld im TM-Modus eine Komponente in Richtung der Periodizität. Diese Komponente zwingt einen größeren Bereich des elektrischen Feldes in die schwach dielektrischen Bereiche. Die Gruppengeschwindigkeit des TM-Modus verbessert sich deshalb. Das elektrische Feld des TE-Modus dagegen steht immer senkrecht auf der Richtung der Periodizität und kann seine Energie in erster Linie in den hohen dielektrischen Bereich konzentrieren.
Ein System mit den Werkstoffen Polystyrol und Tellur (PS-Te-System) wurde zum Nachweis des Reflexionsvermögens in alle Richtungen in einem gegebenen Frequenzbereich gewählt. Tellur besitzt einen hohen Brechungsindex und verlustarme Charakteristika im interessierenden Frequenzbereich. Außerdem minimiert seine vergleichsweise geringe latente Kondensationswärme zusammen mit der hohen Glasübergangstemperatur eines PS-Materials die Diffusion von Te in die Polymerschicht. Die Wahl von PS, das eine Reihe von Absorptionsspitzen im Messbereich aufweist, belegt den Wettstreit zwischen dem Reflexionsvermögen und der Absorption, die dann auftritt, wenn sich eine Absorptionsspitze in dem Bereich des gedämpften Zustands befindet. Die Filme aus Te (0,8 μm) und PS (1,65 μm) wurden nacheinander zur Bildung eines Films mit neun Lagen aufgebracht.
Eine Schicht aus Tellur in einer Dicke von 0,8 ± 0,09 μm (99,99+ %, Strem Chemicals) wurde unter einem Druck von 10^–6 Torr und mit einer Stromstärke von 7 A (Ladd Industries 3000) auf ein Salzsubstrat aus NaCl, Stärke 25 mm (poliertes NaCl-Fenster, Wilmad Glass) aufgedampft. Die Dicke der Schicht und die Auftraggeschwindigkeit wurden unter Verwendung eines Monitorsys tems zur Überwachung der Dicke eines Kristalls vor Ort überwacht (Sycon STM100). Dann wurde mit einer Drehzahl von 1000 UpM eine 10-%ige Polystyrollösung (Goodyear PS Standard, 110,000 g/mol) in Toluol auf das mit Tellur beschichtete Substrat durch Schleuderguss aufbrachte, die man dann einige Stunden trocknen ließ; die Dicke der Polymerschicht beträgt 1,65 ± 0,09 μm. Die Abfolge der neun Schichten im Film war
Te/PS/Te/PS/Te/PS/Te/PS/Te.
Die optische Reaktion dieses speziellen mehrschichtigen Films wurde so ausgelegt, dass in dem Bereich von 10 bis 15 μm eine Zone mit starkem Reflexionsvermögen bei jedem Einfallwinkel vorhanden ist (bei dem Experiment messen wir den Bereich von 0° bis 80°). Die optische Reaktion bei schrägen Einfallwinkeln wurde unter Verwendung eines Infrarot-Spektrometers mit Fourier-Transformation (Nicolet 860) gemessen, das mit einem Polarisierer (ZnS SpectraTech) und einer Winkel-Reflexionsstufe (VeeMax von Spectra-Tech) ausgerüstet war. Bei normalem Auftreffen wurde das Reflexionsvermögen unter Verwendung eines Infrarot-Mikroskops von Nicolet gemessen. Als Hintergrund bei den Messungen der Reflexionskraft wurde ein frisch bedampfter Aluminiumspiegel verwendet.
4 ist eine Reihe von graphischen Darstellungen der berechneten (durchgezogene Linie) und gemessenen (gestrichelte Linie) Reflexionskraft (%) als Funktion der Wellenlänge beim TM-Modus und TE-Modus unter einem normalen Einfallwinkel sowie einem Auftreffwinkel von 45° und 80°, wodurch ein Band für das Reflexionsvermögen in alle Richtungen dargestellt wird. 4 zeigt die gute Übereinstimmung zwischen dem jeweiligen berechneten und gemessenen Spektrum des Reflexionsvermögens. Bei Verwendung der Filmparameter wurden die Berechnungen unter Heranziehung des von F. Abeles in "Ann. De Physique", Nr. 5, 706 (1950) beschriebenen Verfahren mit Transfer-Matrix durchgeführt, wobei diese Vorveröffentlichung hier durch Querverweis einbezogen wird.
Die Bereiche mit starkem Reflexionsvermögen unter verschiedenen Auftreffwinkeln überlappen sich und bilden somit einen Reflexionsbereich der Frequenzen für Licht mit jedwedem Einfallwinkel. Der Frequenzort des Bereichs für alle Richtungen wird durch die Dicke der Schicht bestimmt und kann so abgestimmt werden, dass den vorgegebenen Spezifikationen entsprochen wird. Der Bereich wird aus der Gleichung 6 berechnet und beträgt danach 5,6 μm, während die Wellenlänge in der Mitte 12,4 μm beträgt, was einem Verhältnis von Bereich zu Mittelbereich von 45% entspricht, das in 3 in gestrichelten Linien für den experimentellen Index der Brechungsindizes entspricht. Diese Werte stehen in Einklang mit den gemessenen Daten. Die Berechnungen gelten für verlustlose Medien und stellen deshalb keine Hochrechnung des PS-Absorptionsbandes bei etwa 13 und 14 Mikron dar. Die PS-Absorptionsspitze nimmt bei immer größeren Einfallswinkeln beim TM-Modus zu und nimmt beim TE-Modus ab, was aus der Graphik zu erkennen ist.
Die physikalische Grundlage für diese Phänomene findet sich in der Beziehung zwischen der Eindringtiefe und dem Betrag der Absorption. Die Eindringlänge beträgt dabei ξ ∝ Im(1/K), wobei K die Bloch-Wellenzahl ist. Es kann nachgewiesen werden, dass ξ eine monoton ansteigende Funktion des Einfallwinkels beim TM-Modus eines omnidirektionalen Reflektors ist und beim TE-Modus relativ konstant ist. Damit dringt bei immer größeren Einfallswinkeln der TM-Modus immer tiefer in die Struktur ein und wird leichter absorbiert, wie dies in der Tabelle gemäß 5 dargestellt wird. Die Größe des imaginären Anteils der Bloch-Wellenzahl für einen Modus, der in der Lücke liegt, steht in Beziehung von dessen Abstand von den Bandrandbereichen. Diese Distanz vergrößert sich infolge der Verbreiterung der Lücke immer stärker, je größer die Einfallswinkel werden, und wird infolge der Verkleinerung der Lücke beim TM-Modus immer kleiner.
Die PS-Te-Struktur besitzt keine vollständige Photonen-Bandlücke. Ihr Reflexionsvermögen in alle Richtungen ist stattdessen auf den eingeschränkten Phasenraum zurückzuführen, der für die sich fortpflanzenden Zustände des Systems zur Verfügung steht. Die Werkstoffe und Verfahrensabläufe wurden wegen ihrer geringen Kosten und ihrer Einsatzfähigkeit bei der Erfassung einer großen Fläche ausgewählt. Neben der Wirksamkeit in alle Richtungen zeigen die Messungen, dass ein Polymer immer noch für Einsatzmöglichkeiten mit Reflexionsvermögen in alle Richtungen ohne erhebliche Einbuße in der Leistung verwendet werden kann, auch wenn es im Infrarotbereich verlustbehaftet ist. Die Möglichkeit, Reflexionsvermögen in alle Richtungen selbst zu erreichen, ist nicht mit irgendeiner speziellen Auswahl von Werkstoffen verknüpft und kann bei vielen Wellenlängen von Interesse eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Struktur bietet ein Reflexionsvermögen in allen Richtungen ähnlich einem Metall für einen großen Frequenzbereich und ist gleichzeitig verlustarm. Außerdem lässt sie die Flexibilität in der Frequenzauswahl zu.
Gemäß der Erfindung wird nachstehend nun die Eingrenzung von Licht in Resonatoren und Wellenleitern unter Verwendung eines mehrschichtigen omnidirektionalen Films beschrieben. Der mehrschichtige Filmaufbau wurde in den parallel eingereichten US-Anmeldungen 6 130 780, angemeldet am 19. Februar 1999, und US 2001/008693, eingereicht am 12. März 1999, beschrieben, welche alle an einen Zessionar übertragen wurden und hier durch Querverweis mit einbezogen werden. Insbesondere wird dort ein Verfahren zur Erzeugung von sehr verlustarmen optischen Breitband-Fasern dargestellt, die auch zur Übertragung um scharfe Kanten in der Lage sind. Außerdem wird eine Konstruktion zur Verbesserung der Abgabeleistung einer optischen Nahfeld-Faserspitze dargestellt.
6A stellt einen Querschnitt in Form eines vereinfachten Blockdiagramms durch eine beispielhafte Struktur 600 dar. 6B zeigt ein entsprechendes Profil des Brechungsindex mit radialem Querschnitt für die in 6A dargestellte Struktur 600 dar. Diese Struktur besteht aus konzentrischen zylinderförmigen Schichten 604 bis 616 mit sich abwechselnden Brechungsindizes n₁, n₂, die auf einem Kern 602 aus schwach dielektrischem Material n₀ wie zum Beispiel Luft zentriert sind. Der Radius des Kerns beträgt h₀, wählend die Dicke der Schichten h₁ bzw. h₂ beträgt. Dabei ist zu beachten, dass ein beispiel haftes Ausführungsbeispiel jede Schicht einbeziehen würde, die aus unterschiedlichem Werkstoff besteht sowie eine entsprechende unterschiedliche Schichtdicke besitzt. Die Parameter des mehrschichtigen Films werden so ausgewählt, dass Licht, das unter jedwedem Einfallswinkel und mit jedweder Polarisierung auftrifft, von der mehrschichtigen Struktur für den Bereich der Signalfrequenzen vollständig reflektiert wird.
Zum Beispiel ist bei Werten n₀, n₁, n₂, h₁ und h₂, wie sie in 2B angegeben sind, bei jeglicher Frequenz innerhalb der beiden omnidirektionalen Breitband-Reflexionsbereiche 214 und 216 die Leitung von Licht möglich. Wie dies allgemein zutrifft, handelt es sich in Abhängigkeit von der Größe des Bereichs, in dem die Strahlung eingegrenzt wird, bei der elektromagnetischen Strahlung um einen Mehrfachmodus (Multi-Mode) oder einen Monomodus (Single Mode). Somit kann es sich in Abhängigkeit von der Größe des inneren Kernbereichs innerhalb jedes Breitbandbereichs bei der elektromagnetischen Strahlung um einen Mehrfachmodus oder Monomodus handeln. Bei großen Kernradien ist das Licht eine Multi-Mode-Strahlung und bei sehr kleinen Radien ist das Licht eine Single-Mode-Strahlung.
Herkömmliche optische Fasern grenzen einen sich fortpflanzenden EM-Impuls durch totale bzw. vollständige Innenreflexion ein, bei welcher die elektromagnetische Welle (EM-Welle) sich durch einen Faserkern mit hohem Index fortsetzt, der von einer Ummantelung mit niedrigem Index umgeben ist. Gemäß der Erfindung handelt es sich bei dem Verfahren zur Eingrenzung in der Wellenleiter-Struktur Omniguide^TM um das von der Polarisierung unabhängige omnidirektionale Reflexionsvermögen der EM-Wellen an den Wandungen der hohlen Faser. Diese Art der Eingrenzung bringt zahlreiche Vorteile mit sich.
Mit der Absorption des Materials ist ein sehr geringer Verlust verbunden, da die Welle sich im Wesentlichen durch Luft ausbreitet, die im Vergleich zu jedem dichten Medium äußerst verlustarm ist. Dies ermöglicht eine verlustarme Fortpflanzung, was im Grunde genommen bei jeder Vorrichtung oder Anord nung wichtig ist, bei der die Leitung von Licht zur Nachrichtenübermittlung, bei Lasern und weiteren Einsatzbereichen eine Rolle spielt.
Herkömmliche nachrichtentechnische optische Fasern setzen eine Verstärkung voraus, um so die Absorptionsverluste in dem Material auszugleichen; zu diesem Zweck wird die Faser periodisch mit Erbium dotiert. Die Verwendung von Erbium schränkt die Bandbreite der Faser stark ein. Da die erfindungsgemäße Struktur sehr verlustarm ist und keine Verstärkung erfordert, ist es möglich, dass die Größenordnungen in der verwendbaren Bandbreite erhöht werden. Außerdem sorgt die mehrschichtige omnidirektionale Struktur für einen Mechanismus der starken Eingrenzung und lässt Signale sich um sehr scharfe Kanten fortpflanzen, wie dies in anderen Systemen mit Mechanismen der starken Eingrenzung demonstriert wird.
Eine derartige mehrlagige beschichtete Faser ist auch zur Verbesserung der Abgabeleistung einer Faserspitze in einem optischen Nahfeld-Rastermikroskop sehr wichtig. Die Spitze wird dazu verwendet, optische Leistung mit einer Punktgröße abzugeben, die weitaus kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Derzeit wird eine metallische Beschichtung verwendet, um Licht auf einen Maßstab mit so kleiner Länge einzugrenzen. Metallische Beschichtungen sind mit Absorptionsverlusten des Materials behaftet, die in diesem Falle die stärkstmögliche Abgabeleistung einschränken. Die Faserspitze mit einer mehrlagigen Beschichtung überwindet dieses Problem, da sie im Wesentlichen verlustfrei ist.
Das letztendliche Ziel besteht in der Schaffung einer hohlen Struktur mit Wandungen, die in Entsprechung zu der vorstehend beschriebenen Struktur mit einer mehrlagigen Beschichtung ausgebildet sind. Die Struktur kann in einer zylinderförmigen Geometrie ausgeführt werden, wobei sie allerdings nicht auf diese Form beschränkt ist. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur besteht darin, eine dünnwandige hohle Faser zu verwenden, die aus Glas oder Polymer besteht, und sie dann mit sich abwechselnden Schichten aus dielektrischen Materialien zu beschichten. Die Schichten könnten aus ei nem Polymer oder Glas als Komponente mit einem niedrigen Brechungsindex hergestellt sein, sowie aus Germanium oder Tellur als Material mit hohem Brechungsindex. Dann würde man die Faser hernehmen und unter Verwendung eines thermischen Verdampfers oder einer Sputter-Vorrichtung eine Schicht in der vorgeschriebenen Dicke aufdampfen. Die nachfolgende Schicht mit niedrigem Brechungsindex würde man durch Eintauchen der Faser in eine verdünnte Lösung des Polymers oder durch Aufdampfen eines Monomers mit anschließender rascher Polymerisierung aufbringen.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren bestünde in der Koextrusion der gesamten Struktur unter Verwendung einer Kombination aus unvermischbaren Polymeren, von denen eines mit einer Komponente mit hohem Brechungsindex in Form eines feinen Pulvers durchsetzt ist, während die andere ohne Zusatzstoffe bleibt, wie dies in 7 dargestellt ist. 7 ist ein Querschnitt durch ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Koextrusions-Moduls 700 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Eingrenzung gemäß der Erfindung. Eine Extrusionsvorrichtung 702 erbringt eine Struktur 704 mit sich abwechselnden Lagen aus Polymermaterialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex, welcher einen Luftkegel 706 umgibt.
Texte zu den Zeichnungen: Fig. 2A
Fig. 2B
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 7

Claims

Vorrichtung (600; 700), um elektromagnetische Strahlung einzugrenzen, wobei die Vorrichtung umfasst: ein dielektrisches inneres Kerngebiet (602; 706), in das die elektromagnetische Strahlung einzugrenzen ist, wobei das innere Kerngebiet einen Brechungsindex n₀ hat; ein äußeres dielektrisches Gebiet, das das innere Kerngebiet umgibt, um die elektromagnetische Strahlung innerhalb des inneren Kerngebietes einzugrenzen, wobei das äußere dielektrische Gebiet eine Mehrzahl von alternierenden Schichten (604–616) dielektrischer Materialien mit hohem Index und niedrigem Index beinhaltet, die das Kerngebiet umgeben, wobei die Brechungsindizes der Materialien mit hohem Index und niedrigem Index n₁ bzw. n₂ sind, die Dicken der Schichten mit hohem Index und niedrigem Index h₁ bzw. h₂ und n₁ > n₂ > n₀ sind, wobei die Brechungsindizes und Dicken so gewählt sind, dass sie ω_h > ω_l erfüllen, wo ω_h und ω_l zwei vorgegebene Frequenzen sind, die durch die zugehörigen Ausdrücke bestimmt sind:
um einen Frequenzbereich zwischen den vorgegebenen Frequenzen ω_l und ω_h zu bilden, für den die alternierenden Schichten omnidirektionales Reflexionsvermögen für auf die alternierenden Schichten von dem inneren Kerngebiet her einfallende elektromagnetische Strahlung gewährleistet, und wobei die Anzahl alternierender Schichten hinreichend ist, um zu bewirken, dass das omnidirektionale Reflexionsvermögen größer als 95% für auf die alternierenden Schichten von dem inneren Kerngebiet her unter allen Winkeln, die von 0° bis 80° reichen, und mit allen Polarisationen für alle Frequenzen im omnidirektionalen Frequenzbereich zwischen ω_l und ω_h einfallende elektromagnetische Strahlung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brechungsindizes und die Dicken ausgewählt sind, um ein Bereich-zum-mittleren-Bereich-Verhältnis, das als (ω_h – ω_l)/[(1/2)(ω_h + ω_l)] definiert ist, zu erzeugen, das größer als oder gleich 10% ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Bereich-zum-mittleren-Bereich-Verhältnis größer als oder gleich 20% ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Bereich-zum-mittleren-Bereich-Verhältnis größer als oder gleich 30% ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Bereich-zum-mittleren-Bereich-Verhältnis größer als oder gleich 40% ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das innere Kerngebiet ein Gas enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das innere Kerngebiet Luft enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das niedrig dielektrische Material ein Polymer oder ein Glas umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das hoch dielektrische Material Germanium oder Tellur umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das innere Kerngebiet Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im omnidirektionalen Frequenzbereich besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das innere Kerngebiet Abmessungen größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im omnidirektionalen Frequenzbereich besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei sich das innere Kerngebiet entlang einer Wellenleiter-Longitudinalachse erstreckt und die alternierenden Schichten das innere Kerngebiet um die Wellenleiter-Achse herum umgeben, um die elektromagnetische Strahlung entlang der Wellenleiter-Achse zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen kreisförmigen Querschnitt bezüglich der Wellenleiter-Achse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen rechteckförmigen Querschnitt bezüglich der Wellenleiter-Achse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen dreieckförmigen Querschnitt bezüglich der Wellenleiter-Achse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen sechskantförmigen Querschnitt bezüglich der Wellenleiter-Achse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung eingesetzt wird, um leistungsstarke elektromagnetische Strahlung zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung eingesetzt wird, um leistungsstarke elektromagnetische Strahlung um Krümmungen herum zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung eingesetzt wird, um elektromagnetische Strahlung in einem zusätzlichen Bereich einer Vielzahl von Breitbandbereichen zu leiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung als eine Mikrokavität eingesetzt wird, um elektromagnetische Strahlung einzugrenzen.