DD146224A1

DD146224A1 - Anordnung zur induzierten absorption elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: DD146224A1
Application number: DD79212541A
Authority: DD
Inventors: Hubert Pohlack
Original assignee: Hubert Pohlack
Priority date: 1979-04-27
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1981-01-28
Also published as: US4335935A; DE3014911A1; FR2464486A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induzierten Absorption elektromagnetischer Strahlung und deren Umwandlung in Waermeenergie, kinetische Elektronenenergie, Ionisierungsenergie und andere Energieformen. Es ist das Ziel der Erfindung, eine Anordnung zur nahezu totalen Absorption elektromagnetischer Strahlungsenergie zu schaffen. Die nahezu totale Absorption wird durch das Einfuegen interferenzfaehiger Einzelschichten mit abwechselnd niedrigbrechender und hochbrechender Brechungszahl, die in Richtung der einfallenden Strahlung nach der absorbierenden Schicht angeordnet sind, bewirkt. Diese interferenzfaehigen Schichten sind so bemessen, dasz die Gleichung n&exp2!&ind1! A - 2n&ind1! B + C = O erfuellt ist. Durch diese Schichtanordnung der interferenzfaehigen Einzelschichten sind die bei der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung an den Grenzflaechen optischer Medien reflektierte Intensitaet herabgesetzt.

Description

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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 uad Resonanzabsorbern«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

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

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wird. Da die Absorption elektromagnetischer Strahlung

-A -5 in Metallen auf Wegstrecken von etwa 10 - 10 cm und bei anderen geringer absorbierenden Substanzen auf noch längeren Wegstrecken erfolgt, müssen die absorbierenden Modien Dicken in mindestens dieser Größenordnung auf v/eisen, wenn weitgehende Absorption er~ folgen 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 Aufgo.be, 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 λ einschließenden Spektralintervalls, die aus zwei strahlendurchlässigen Werkstoffen η-, 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. interferensfäliigen Schichten so "bemessen sind, daß die Gleichung n² A - 2n,j B + C = 0 erfüllt ist. Dabei sind A, E, C mathematische Verknüpfungen der reellen Breellungszahl n, des Absorptionskoeffizienten k und der optischen Schichtdicke d der absorbierenden Schicht sowie der Wellenlänge

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

Es ist A = 1 - (sin η Y )² + (sinh k Y )² B = 1 (k sin 2n y + η sinh 23f V- ) C s fn² -ι- ]t t) /"sin η y )² + (sinh k f )² J

mit y- - 2 r ,

X" ^d ·

Die Anzahl ρ der interferenzfähigen Schichten aus abwechselnd niedrig-brechenden Einzelschichten der Brechzahl η und hochbrechenden Ein aä. schicht en der Brechzahl n, und ihre Brechungszahlverhältnisse sowie die Brechungszahl η .. des abschließenden Mediums sind so ausgewählt, daß der Paktor

η 1. Schicht + η 3, Schicht ... ^

• ⁿp+1

v 2. Schicht + n-, 4» Schicht ...

für gerades ρ

und der Paktor

1. Schicht + n_n 3. Schicht ... ₂

n-_la 2. Schicht + n-, 4« Schicht ...

für ungerades ρ klein gegen den Wert 1 ist,

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Die totale Absorption innerhalb der extrem dünnen absorbierenden Schicht wird um so vollkommener angenähert, je kleiner dieser Paktor ist» Es ist für die Erfindung vorteilhaft, die interxerenzfähigen Schichten so zu bemessen, daß die Gleichung n^ I - 21I₁ B + ü = 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 hinreichend gute liäheruug darstellt. Es ist

I = 1 - (η Ύ )² + (k Ύ )²

B = 2 η ky-

C - (n² + k²) /"(η y )² + (ky )²J

Diirch die Erfindujig wird die bei der Ausbreitiuig elektromagnetischer Strahlung an den Grenzflächen optischer Medien reflektierte Intensität herabgesetzt* Die reflexionsmindernde Wirkung beruht dabei auf Vielfachinterferenzen der an den Schichtgrenzen reflektierten Teilstrahlen.

Aus führungsb e i sp iele

Die Erfindung soll anhand der nachstehenden Zeichnungen näher erläutert werden«

Pig 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsmäßigen Anordnung

Pig 2 zeigt die graphische Darstellung der Beziehimg zv/isehen Brechungszahl n, Absorptionskoeffizient k und der Schichtdicke d der absorbierenden

Schicht sowie dem Paktor "Y

Das dargestellte Ausführungsbeispiel wird durch vier Rechenbeispiele präzisiert,

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Zwischen einem strahlungsdurchlässigen Medium 1 der Brechungszahl n.. , 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 v/eitere nicht absorbierende interferenzfällige Schichten

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3, 4j 5, β ♦·· Z-1, Z mit abwechselnd niedriger und hoher Berechmmgszahl und mit optischen Schichtdicken von je einem Viertel der jeweiligen zu absorbierenden Wellenlänge . Die absorbierende Schicht 2 ist in Richtung der einfallenden Strahlung S vor den Interferenzschichten angeordnet.

In Pig 2 sind die' aus der Häherungsgleichung n² A - 2^ B + Ü = 0 (I)

entnommenen Beziehungen zwischen der reellen. Brechungszahl n, der absorbierenden Schicht und dem die Wellenlänge und die Schichtdicke der absorbierenden Schicht enthaltenden Paktor V = -~- · 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 der V/ert r - 0 verwendet. Je einem Wertepaar n, r ist mit je einem Wert des auf der Ordinate aufge-

2 "t tragenen PaktorsΎ = —j— . d und damit bei festgelegter Wellenlänge \ mit der Schichtdicke d verknüpft.

Die Rechenbeispiele gehen von der Uäherungsgleichung (I) aus, die zur rechnerischen Auswertung nach dem Paktor aufgelöst wurde:

2H₁Ii (n²~r) \ ± /~n² r (1-r)J \

(2n²- r)² - n² r

Die Berechnungszahl n. des Mediums 1 betrage 1,0, für die Wellenlänge werde /|_ - 800 nm und für T-I - 0,08, d. h. für die Dicke d der absorbierenden Schicht d 100 nm festgelegt. Aus der graphischen Darstellung in Pig 2 entnimmt man für die Brechungszahl η und den Absorptionskoeffizienten k wegen r - 0 η = k = 2,5.

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21254 1 -τ-

Erstes Berechmmgsbeispiel: Zur Annäherung der Totalabsorption für die absorbierende Schicht 2 bringt man vier Interferenz Schicht en 3 - 6 mit den Brechungszahlen η 1,34 für die erste und dritte Schicht und n_v 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 der Transmissionsgrad ^r und den Reflexionsgrad j , so erhält man für ^

^ = 0,127 = 12,7 ^

j = 0,005 = 0,5 %

also für den Absorptionskoeffizienten v( = 1 ".T - j = 0,868 = 86,8 %, Errechnet man entsprechend den Transmissionsgrad , , Reflexionsgrad und Absorptionsgrad der absorbierenden Schicht 2 mit den gleichen Werten der Konstanten n, k und , unmittelbar auf das abschließende Medium Z+1 mit der Brechungs zahl 1,5, el. h. unter Weglassung der absorbierenden Schichten 3-6, so erhält man für

t s= 0,488 = 48,8 %

j> _s 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 Berec.hnungsbeispiel : _: Die Werte für die V/ellenlänge X , die Größe -y sov/ie die Brechungszahl der Interferenzschichten und des abschließenden Mediums sind entsprechend dem ersten Berec.hnungsbeispiel, Zur Annäherung der Totalabsorption 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

% = 0,043 = 4,3 % 'f =0,001 = 0,1 %

Der Absorptionsgrad o( beträgt in dieser Anordnung 95,6 %.

Drittes Berec.hnungsbeispiel:^ 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

χ = 0,014 = 1,4

% $ = 0,000 = 0,0 %

Für ergibt sich

= 0,986 =-- 96,8 %

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212 54 1 -a-

Vierte s Bereclinungsbelspiel: Da, ausgehend von einer gewählten zu absorbierenden Wellenlänge und einer festgelegten Dicke d der absorbierenden Schicht, durch die Gleichung (I) die optischen Ko.nsto.nten η und k der absortierenden Schicht innerhalb eines begrenzten Werteintervalls fixiert v/erden, jedoch nicht in allen Fällen technisch geeignete absorbierende Substanzen für die Wertepaare n, k zur Verfügung stehen, interessiert die Absorption einer Anordnung, in v/elcher die Größen n, k 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 ITäherungsgleichung (I) errechneten Y/erte η = k - 2,5 ersetzt werden durch η = 2 und Ic = 3« Damit ergibt sioh.für den Transmissionsgrad t , den Reflexionsgrad j? und den Absorptionograd o{

r s 0,043 = 4,3 % j= 0,044 = 4,4 %

ex = 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 Interferenzschi chten annimmt.

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Claims

1· Anordnung zur Absorption elektromagnetischer Strahlung eines eine wählbare Wellenlänge X einschließenden Spektralintervalls, die aus zwei strahlendurchlässigen Werkstoffen und einer absorbierenden Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß nicht, oder gering absorbierende interferenzfähige Einzelschic.hten aus abwechselnd niedrigbrechenden Einzelsc.hic.hten der Brechzahl n. und .hochbrechenden Einzel schicht en der Brechzahl n, in Richtung der einfallenden Strahlung

h Schicht
nach der absorbierenden·/angeordnet sind, und daß die interferenzfähigen Schichten so bemessen sind, daß die Gleichung

n² A - 2n₁ B-+ C = 0

erfüllt ist,
mit

A-= 1 - (sin η ^rV )² + (sinh k V )² B = ^ (k sin 2n V + η sinh 2K Y ) C = (n² + k²) /"(sin η γ )² + (sinh k Y )² J wobei

Ύ = ~~— . d und n₁ die Brechungszahl des der absorbierenden Schicht vorgelagerten Mediums·

1 - ίο - .

Erfindungsansprüche

2· Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl ρ der interferenzfähigen Schichten aus abwechselnd niedrigbrechenden Einzelsc.hic.hten der Brechungszahl η und hochbrechenden Einzelschichten der Brechungszahl n, und ihre BrechungszahlVerhältnisse sowie die Breellungszahl η , ₁ des abschließenden Mediums so ausgewählt sind, daß das Produkt

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-. 11

η 1. Schicht +η 3. Schicht ... η Ii ο

Uj₁ 2. Schicht + ⁿji 4. Schicht ... ^pr

für gerades ρ ·

mid

η 1. Schicht +n. 3. Schicht ... (

Hy₁ 2. Schicht + n^ 4. Schicht ...

für ungerades ρ
klein gegen den Wert 1 ist.

3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interferenzfähigen Schichten so bemessen sind, daß die Gleichung n^ I - 2n^ B + C ~ 0 erfüllt ist,
mit

A = 1 - (n Y )² + (lc V )²

B = 2 η k V

C = (n² + k²) /"(η y )² + (k γ )²J

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