Nein, ein gewöhnlicher optischer Dünnschicht-Interferenzfilter kann durch Winkelabstimmung nicht zu einer längeren (röteren) Wellenlänge verschoben werden. Wird ein Interferenzfilter gegenüber dem senkrechten Einfall (0°) geneigt, verschiebt sich sein zentrales Transmissionsband immer zu einer kürzeren (blaueren) Wellenlänge.
Warum die „Blauverschiebung“ auftritt
Optische Bandpass- und Kantenfilter bestehen aus hochpräzisen, alternierenden Schichten dielektrischer Materialien. Sie erzeugen konstruktive Interferenz für bestimmte Wellenlängen und destruktive Interferenz für andere.
Wenn Sie den Filter neigen, vergrößert sich der Einfallswinkel. Obwohl es naheliegend erscheint, dass das Licht auf seinem diagonalen Weg durch die Schichten eine längere physische Strecke zurücklegt, ergibt sich aus den optischen Gesetzmäßigkeiten das Gegenteil. Wenn Licht aus der Luft in den Filter eintritt, wird es in den Beschichtungsmaterialien mit höherem Brechungsindex gebrochen. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten dieser Brechung nimmt die effektive optische Weglänge, also die Phasendifferenz zwischen den Lichtstrahlen, die an den inneren Grenzflächen der Dünnschichten reflektiert werden, tatsächlich ab.
Da diese effektive Weglänge verkürzt ist, muss auch die Wellenlänge, die die Bedingung für konstruktive Interferenz exakt erfüllt, kürzer sein.
Die Mathematik
Der Zusammenhang wird durch eine Formel für den effektiven Brechungsindex beschrieben. Hier ist die Formel im Klartext:
Wellenlänge bei Winkel = Wellenlänge bei Normalinzidenz * Quadratwurzel aus [ 1 - (sin(Winkel) / Effektiver Brechungsindex)2 ]
- Normale Wellenlänge: Die Mittenwellenlänge bei einem Einfallswinkel von 0°.
- Winkel: Der Einfallswinkel.
- Effektiver Brechungsindex: Eine Eigenschaft der spezifischen Beschichtungsmaterialien, die im Filter verwendet werden.
Da der Sinus jedes Winkels größer als 0 positiv ist, ist der Term [sin(Winkel) / effektiver Brechungsindex)2] immer positiv. Wird dieser von 1 subtrahiert, ist der Wert innerhalb der Quadratwurzel stets kleiner als 1. Die Multiplikation der Ausgangswellenlänge mit einem Bruch ergibt immer eine kleinere Zahl, also eine kürzere Wellenlänge.
Alternativen für die Rotverschiebung
Wenn ein optischer Aufbau auf eine längere Wellenlänge abgestimmt werden muss, ist die Winkelabstimmung nicht der richtige Ansatz. Optikingenieure verwenden stattdessen üblicherweise folgende Methoden:
- Temperaturabstimmung: Das Erwärmen eines Interferenzfilters führt im Allgemeinen zu einer sehr geringen Verschiebung hin zu einer längeren Wellenlänge. Dies liegt daran, dass die Wärmeausdehnung die dielektrischen Schichten physisch verdickt und ihre Brechungsindizes verändert.
- Auslegung für die Blauverschiebung: In der Branche ist es üblich, bewusst einen Filter zu beschaffen, dessen Mittenwellenlänge etwas länger (röter) als die Zielwellenlänge ist. Der Anwender kann den Filter anschließend durch präzise Winkelabstimmung auf die exakt gewünschte Wellenlänge einstellen.
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