Interferenzfilter

  Ein Interferenzfilter ist eine Anordnung von mehreren dünnen Schichten mit bestimmten Eigenschaften auf einer Trägerschicht. Tritt ein "Lichtstrahl" durch den Filter, so interferieren die an den Grenzflächen der Schichten reflektierten (R1, R2) und transmittierten (T1, T2) Strahlanteile, so dass es zur Auslöschung (destruktive Interferenz) und Verstärkung (konstruktive Interferenz) von Strahlen bestimmter Wellenlängen am Ausgang des Filters kommt. Auslöschung und Verstärkung bestimmter Wellenlängen sind abhängig von den gewählten Schichtdicken (l) des Filters und vom Einfallswinkel (θ) der Strahlen.

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Damit es zur vollständigen konstruktiven und/oder destruktiven Interferenz kommen kann, müssen folgende Bedingungen erfüllt werden:

• Die interferierenden Strahlen müssen dicht nebeneinander parallel verlaufen und kohärent sein. Diese Bedingung ist für die Teilstrahlen (T1) und (T2) sowie die Teilstrahlen (R1) und (R2) gegeben.

• Die Amplituden der Teilstrahlen müssen gleich groß sein.
• Die Phasenverschiebung muss

• (2n-1)*180° (mit n= 1,2,3,4....) für destruktive Interferenz

oder

• n*360° (mit n= 0,1,2,3....) für konstruktive Interferenz

betragen.

Im klassischen Sinne ist ein Interferenzfilter ein nicht durchstimmbares Fabry-Pérot-Interferometer und besteht im einfachsten Fall aus einer dicken Trägerschicht (Glas), auf die eine teildurchlässige metallische Spiegelschicht (z.B.: Silber, Aluminium) aufgedampft wird, gefolgt von einer dünnen dielektrischen und transparenten Schicht und einer zweiten Spiegelschicht. Durch die Schichtdicke (l) der dielektrischen Schicht legt man fest, welche Wellenlängen gefiltert werden. Der Transmissionsgrad der Spiegelschichten beeinflusst die Güte des Filters (bei dünnen Spiegelschichten ist das Maximum des gefilterten Frequenzbandes breit und dessen Intensität hoch; daraus folgt eine geringe Güte des Filters).

Im Folgenden wird eine Reihe von Filtern aufgelistet, deren Wirkung auf Interferenzeffekten beruht:

• Dielektrischer Filter - Filter ohne Spiegelschichten, sondern aufgebaut aus dielektrischen Schichten bestimmter Schichtdicken und alternierender Brechzahl (siehe auch Dichroitischer Filter)
• Antireflexschicht (auch Vergütungsschicht oder reflexmindernde Schicht genannt) - destruktive Interferenz der reflektierten Strahlen durch Antireflexschichten auf optischen Bauteilen. Verbesserte Transmission durch konstruktive Interferenz bestimmter Wellenlängen.
• Fabry-Pérot-Interferometer
• Lummer-Gehrcke-Platte
• Fensterscheibe - Auch eine Fensterscheibe ist ein Interferenzfilter, wenngleich der Effekt - wegen der Dicke der Scheibe - nur sehr schwach ist.

Auch für Interferenzfilter gilt der Energieerhaltungssatz. Das bedeutet, alle am Filter refektierten, absorbierten und transmittierten Strahlen setzen sich aus den einfallenden Strahlen zusammen, wobei der absorbierte Teil sehr gering ausfällt.

Vor- und Nachteile von Interferenzfiltern

• Winkelabhängigkeit des einfallenden Strahls: Das zu filternde Frequenzband kann durch den Einfallswinkel beeinflusst werden. Da die Wirkung des Filters winkelabhängig ist, lässt sich dadurch eine Feinjustierung der zu filternden Wellenlängen durchführen. Das Frequenzband verschiebt sich dabei in Richtung kleinerer Wellenlängen. Ist das Einfallsstrahlenbündel jedoch nicht parallel, so verschlechtert sich dadurch andererseits die Güte des Frequenzbandes.
• Temperaturabhängigkeit: Durch Temperaturänderungen können in geringem Maße die Schichtdicken und damit die Interferenzeffekte beeinflusst werden.
• Geringer Absorptionskoeffizient: Interferenzfilter absorbieren i.d.R. nur wenig von der auftreffenden Strahlungsleistung und heizen sich dementsprechend nur schwach auf. Demgegenüber beruht die Wirkung klassischer Farbfilter auf der Absorption ganzer Spektralbereiche, was zu einer starken Erhitzung des Filters führen kann. Dies ist von Bedeutung etwa in der Beleuchtungstechnik (Farbfilter vor Halogenstrahlern).

Siehe auch

• Fresnelsche Formeln für Amplitudenreflexionskoeffizient und Amplitudentransmissionskoeffizient
• Airy-Funktion gibt den Verlauf der transmittierten Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge an.
• Bandpassfilter
• Notch-Filter
• Strahlteiler