DE3014911A1 - Anordnung zur induzierten absorption elektromagnetischer strahlung - Google Patents

Description

Titel: Anordnung zur induzierten Absorption elektromagnetischer Strahlung

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Absorption elektromagnetischer Strahlung und deren Umwandlung in Wärmeenergie, kinetische Elektroenergie, Ionisierungsenergie und andere Energieformen, insbesondere Anordnungen in Form funktionsbestimmender Bestandteile, z.B. fotoelektrische Detektoren, Sonnenenergie-Wandler und Resonanzabsorbern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen; Es sind Anordnungen zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung bekannt, deren stoffliche Zusammensetzung, Oberflächeneigenschaften und/oder Volumenstruktur so beschaffen sir.d, daß ein möglichst großer Anteil der auftreffenden Strahlungsenergie innerhalb der Anordnung absorbiert wird. Aufgrund der an den Grenzflächen absorbierender Medien auftretenden hohen Reflexion ist die Ausbeute an absorbierender Energie jedoch nur gering, da gemäß dem Energieprinzip der reflektierte Strahlungsenergieanteil der in das absorbierende Medium eindringenden Strahlung entzogen wird. Es sind Verfahren zur Entspiegelung der Oberflächen - z.B. von Metallen mit geeigneten optischen Konstanten - bekannt, wodurch eine Erhöhung des eindringenden Strahlungsanteils bewirkt

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wird. Da die Absorption elektromagnetischer Strahlung in Metallen auf Wegstrecken von etwa 10" - 10"-⁷ cm und bei anderen geringer absorbierender Substanzen auf noch längeren Wegstrecken erfolgt, müssen die absorbierenden Medien Dicken in mindestens dieser Größenordnung aufweisen, wenn weitgehende Absorption erfolgen soll.

Des weiteren sind Anordnungen bekannt, um auch bei sehr dünnen, d. h. noch strahlungsdurchlässigen absorbierenden Schichten, deren Dicken unter den obengenannten Größenordnungen liegen, durch Hinzufügen nicht absorbierender, geeignet bemessener, ausgedehnter und/oder geschichteter Medien eine Absorptionserhöhung zu bewirken, die jedoch aufgrund der verbleibenden relativ hohen Restdurchlässigkeit prinzipiell relativ gering ist.

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur nahezu totalen Absorption elektromagnetischer Strahlung.

Darlegung des Wesens der Erfindung; Die Erfindung hat die Aufgabe.» die Reflexion und die Transmission einer extrem dünnen absorbierenden Schicht weitgehend zu unterbinden, um eine nahezu totale Absorption in der absorbierenden Schicht zu induzieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Absorption elektromagnetischer Strahlung eines eine wählbare Wellenlänge A einschließenden Spektralintervalls, die aus zwei strahlendurchlässigen Werkstoffen n^j und η +,, und einer absorbierenden Schicht besteht, dadurch gelöst, daß nicht, oder gering absorbierende interferenzfähige Einzelschichten aus abwechselnd niedrig brechenden Einzelschichten der Brechzahl η und hoch-

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brechenden Einzelschichten der Brechzahl n^ in Richtung der einfallenden Strahlung nach der absorbierenden Schicht angeordnet sind, und daß die interferenzfähigen Schichten so bemessen sind, daß die Gleichung n², A - 2n^ B + C = O erfüllt ist. Dabei sind A, B, C mathematische Verknüpfungen der reellen Brechungszahl n, des Absorptionskoeffizienten k und der optischen Schichtdicke d der absorbierenden Schicht,sowie der Wellenlänge

Λ der elektromagnetischen Strahlung, die absorbiert wird und in deren spektraler Umgebung die nahezu totale Absorption induziert wird.

Es ist

B C

A = 1 - (sin η + ) + (sinhk i> T 1 (k sin 2n t + η sinn 2k f )

= (n^d + Y^d ) /sin η 't

- τ— »d .

-A

)² ₊

(sinh

Die Anzahl ρ der interferenzfähigen Schichten aus abwechselnd niedrig-brechenden Einzelschichten der Brechzahl η und hochbrechenden Einzelschichten der Brechzahl n, und ihre Brechungsverhältnisse sowie die Brechungszahl η ^ des abschließenden Mediums sind so ausgewählt, daß der Faktor

1. Schicht · n„ 3. Schicht ... \_o

η, 2. Schicht

• η, 4-, Schicht

P+1

für gerades ρ und der Faktor

ι η 1. Schicht · η 3. Schicht o._Mo

/ Γ 1

I n. 2. Schicht · n, 4. Schicht ♦»♦/ η +1

für ungerades ρ klein gegen den Wert 1 ist.

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Die totale Absorption innerhalb der extrem dünnen absorbierenden Schicht wird urn^o vollkommener angenähert, je kleiner dieser Faktor ist. Es ist für die Erfindung vorteilhaft, die interfernzfähigen Schichten so zu bemessen, daß die Gleichung n² I - 21I₁ B + C s 0 erfüllt ist, dabei sind I, B, ü aus A, B, C entstanden, indem die Winkel- und Hyperbelfunktionen durch ihre Argumente ersetzt wurden, was infolge der extrem geringen Dicke d der Absorptionsschicht eine hinrichend gute Näherung darstellt. Es ist

I = 1 - (n 'A)² + (k -fr )² B = 2 η k f

H - Cn² + k²'» /Yn i~ Ϊ² + Ck '/M² 7

Durch die Erfindung wird die bei der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung an den Grenzflächen optischer Medien reflektierte Intensität herabgesetzt. Die reflexionsmindernde Wirkung beruht dabei auf Vielfachinterferenzen der an den Schichtgimzen reflektierten Teilstrahlen.

Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung soll anhand der nachstehenden Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 zeigt die graphische Darstellung der Beziehung zwischen Brechungszahl n, Absorptionskoeffizient k und der Schichtdicke d der absorbierenden Schicht sowie dem Faktor '"fr

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Zwischen einem strahlungsdurchlässigen Medium 1 der Brechungszahl n_1f das in Richtung der einfallenden Strahlung 5 vor einer absorbierenden Schicht 2 angeordnet ist und einem strahlungsdurchlässigen Medium Z+1 der Brechungszahl η - befinden sich neben der extrem dünnen, absorbierenden vorzugsweise metallischen Schicht 2 weitere nicht absorbierende interferenzfähige Schichten 3» 4-, 5, 6 ... Z-1, Z mit abwechselnd niedriger und hoher Brechungszahl und mit optischen Schichtdicken von je einem Viertel der jeweiligen zu absorbierenden Wellenlänge Λ . Die absorbierende Schicht 2 ist in Richtung der einfallenden Strahlung S vor den Interferenzschichten angeordnet.

In Fig. 2 sind die aus der Näherungsgleichung n^ S - 21I₁ B + C = O (I)

entnommenen Beziehungen zwischen der reellen Brechungszahl n, der absorbierenden Schicht und dem die Wellenlänge Λ und die Schicbtdicke_jler absorbierenden Schicht enthaltenden Paktor '"£ = ■ . d graphisch dargestellt.

Auf der Abszisse der graphischen Darstellung ist die reelle Brechungszahl η der absorbierenden Schicht aufgetragen, als Parameter wurde für die eingeführte Größe 2 2

r = η -· k dei Wert r r O verwendet. Je einem Wertepaar n, r ist mit ge einem Wert des auf der Ordinate aufgetragenen Paktors *£ = =-£■— . d und damit bei festgelegter

Wellenlänge A mit der Schichtdicke d verknüpft.

Die Rechenbeispiele gehen von der Näherungsgleichung (I) aus, die zur rechnerischen Auswertung nach dem Paktor aufgelöst wurdes

²/^{2 t} C "rfj r (1-

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Die Brechungszahl n^, des Mediums 1 "betrage 1,0,
für die Wellenlänge werde Λ = 800 nm und für

^ - 0,08, d.h. für die Dicke d der absorbierenden
Schicht d 'i 100 nm festgelegt. Aus der graphischen Darstellung in Fig. 2 entnimmt man für die Brechungszahl η und den Absorptionskoeffizienten k wegen r = 0
η = k = 2,5.

Erstes Berechnungsbeispiel; Zur Annäherung der Totalabsorption für die absorbierende Schicht 2 bringt man
vier Interferenzschichten 3-6 mit den Brechungszahlen ⁿ _n 1>34 für die erste und dritte Schicht und n^ 2,4 für die zweite und vierte Schicht sowie für das abschließende Medium Z+1 mit der Brechungszahl 1,5 an. Berechnet man mit Hilfe der in der dünner Schichten allgemein bekannten Formeln den Transmissionsgrad T und den Reflexionsgrad f> , so erhält man für

T = 0,127 = 12,7%
j? = 0,005 = 0,5%

also für den Absorptionskoeffizienten ^s 1 ?τ ^τ ί? ⁼
0,868 s 86,8%,Errechnet man entsprechend den Transmissionsgrad TT , Reflexionsgrad ^ und den Absorptionsgrad der absorbierenden Schicht 2 mit den gleichen Werten der Konstanten n, k und & , unmittelbar auf das abschließende Medium Z+1 mit der Brechungszahl 1,5» d.h. unter Weglassung der absorbierenden Schichten 3-6, so erhält man für

T s 0,488 = 48,8%

j> = 0,184 = 18,4%

< - 0,328 = 32,8%

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Mit der Anordnung entsprechend Figur 1 wird bei Anwendung der vier Interferenzschichten 3-6 eine dreifache Absorptionserhöhung erzielt.

Zweites Berechnungsbeispiel; Die Werte für die Wellenlänge v^ , die Größe f sowie die Brechungszahl der Interferenzschichten und des abschließenden Mediums sind entsprechend dem ersten Berechnungsbeispiel. Zur Annäherung der Totalabscrption für die absorbierende Schicht 2 werden sechs Interferenzschichten 3-9 nach der absorbierenden Schicht 2 in Richtung der einfallenden Strahlung S eingefügt.
Für diesen Fall errechnet sich

T = 0,043 = 4,3% <■'■ = 0,001 = 0,1%

Der Absorptionsgrad <:<■ beträgt in dieser Anordnung 95,6%.

Drittes Berechnungsbeispiel; Dieses Beispiel entspricht bezüglich aller Werte den beiden vorangehenden Berechnungsbeispielen, in die Gesamtanordnung werden jedoch in bekannter Weise acht Interferenzschichten 3-11 eingefügt.
Daraus errechnet sich für

Γ = 0,014 = 1,4%

ξ = 0,000 = 0,0% .

Für .x ergibt sich

.< = 0,906 = 96,8% .

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BAD ORIGINAL

-/fir-

Viertes Berechnungsbeispiel^ Da ,ausgehend von einer gewählten zu absorbierenden Wellenlänge X und einer festgelegten Dicke d der absorbierenden Schicht, durch die Gleichung (I) die optischen Konstanten η und k der absorbierenden Schicht innerhalb eines begrenzten Werteintervalls fixiert werden, jedoch nicht in allen Fällen technisch geeignete absorbierende Substanzen für die Wertepaare n, k, zur Verfügung stehen, interessiert die Absorption einer Anordnung, in welcher die Großen n, Ic von den errechneten optimalen Werten abweichen. .

In diesem Berechnungsbeispiel wird eine Anordnung gewählt, die mit dem zweiten Berechnungsbeispiel in der Anzahl,der interferierenden Einzelschichten übereinstimmt, in welchem jedoch die mit Hilfe der Nährungsgleichung (I) errechneten Werte n=k=2,5 ersetzt werden durch η = 2 und k = 3. Damit ergibt sich für den Transmissionsgrad T" , den Reflexionsgrad ^ und den Absorptionsgrad .jt

'j- = 0,043 = 4,3 % g = 0,044 = 4,4 %
.*. = 0,913 = 91,3 %

Dieses Ergebnis zeigt, daß die Absorption trotz der Abweichungen von den optimalen Bedingungen für die Konstanten der absorbierenden Schicht etwa den dreifachen Wert der Absorption gegenüber der Anordnung ohne Interferenzschichten annimmt.

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Claims (2)

3Ü14911 Erfindungsansprüche

1. Anordnung zur Absorption elektromagnetischer Strahlung eines eine wählbare T/ellenlänge Λ einschließenden Spektalintervall/die aus zwei strahlendurchlässigen Werkstoffen und einer absorbierenden Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß nicht, oder gering absorbierende interferenzfähige Einzelschichten aus abwechselnd niedrigbrechenden Einzelschichten der Brechzahl η und hochbrechenden Einzelschichten der Brechzahl n. in Richtung der einfallenden Strahlung nach der absorbierenden Schicht angeordnet sind, und daß die interferenzfähigen Schichten so bemessen sind, daß die Gleichung n² A - 2^ B + C - 0

erfüllt ist,
mit

2 2

A = 1 - (sin η jf.- ) + (sinh k f )

2 (ic sin 2n > + η sinh 21c 2> ) C = (n² + k^{2 }} /(sin η ir )² + (sinh k f )² J

T^ = 2/7 . d und n, die Brechungszahl des der

absorbierenden Schicht vorgelagerten Mediums ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl ρ der interferenzfähigen Schichten aus abwechselnd niedrigbrechenden Einzelschichten der Brechungszahl η und hochbrechenden Einzelschichten der Brechungszahl n^ und ihre Brechungszahlverhältnisse sowie die Brechungszahl η ₊-i des abschließenden Mediums so ausgewählt sind, daß das Produkt

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BAD ORIGINAL

3QK911

/ n_n 1. Schicht · n_Q 3· Schicht ... ₂

V ηΓ 2. Schicht · η, 4. Schicht ... /

für gerades ρ
und

n„ 1. Schicht · n, 3· Schicht ... _{v o}

JH Ξ ) ^d .JJ

n^ 2. Schicht . n_h 4. Schicht ... / η ^

für ungerades ρ

klein gegen den Wert 1 ist.

3· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interferenzfähigen Schichten so "bemessen sind, daß die Gleichung η_Λ A - 2n^ B + C = O erfüllt ist,
mit

A = 1 - (n -i )² + (k Φ )²

"B = 2 η k 1r

C = (n² + k²) Ζ" (η ^)² + (k^ )²7

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