Leistungsfähige optische Beschichtung

Um die Effizienz von Optikkomponenten, wie Linsen oder Spiegel weiter zu steigern, werden diese häufig mit einer optischen Vergütungsschicht versehen. Die aufgetragenen Schichten haben dabei verschiedene Eigenschaften, wie beispielsweise die Reduktion der Reflexion (Entspiegelung) für einen bestimmten Wellenlängenbereich. Das Verhalten eines solchen Schichtsystems hängt maßgeblich von Anzahl, Dicke sowie der Differenz der Brechungsindizes der jeweiligen Schichten (optische Dichte) ab. Eine solche optische Beschichtung kommt dabei nicht nur bei professionellen und industriellen Anwendungen zum Einsatz, sondern auch bei Gegenständen des alltäglichen Lebens, wie z.B. bei Brillen, Displays oder auf Fensterscheiben.

In unserer zweiteiligen Artikelserie zu diesem Thema stellen wir verschiedene optische Beschichtungen mit ihren Einsatzgebieten sowie moderne Beschichtungstechnologien vor. Erfahren Sie im Folgenden mehr über ausgewählte Möglichkeiten der optischen Vergütung. Details über die Technologien der optischen Beschichtung, wie z.B. die thermische Bedampfung, lesen Sie im Artikel „Verfahren zur optischen Beschichtung“.

Was bedeutet optische Beschichtung?

Beschichtung bezeichnet den Prozess, bei dem ein Werkstoff als eine dünne, fest haftende Schicht auf einen Grundwerkstoff (Substrat), zum Beispiel Glas, aufgetragen wird. In der optischen Industrie werden dafür insbesondere dielektrische Materialien sowie Metalle verwendet. Eine optische Beschichtung kann die Eigenschaften des Lichts, welches durch eine optische Komponente geführt wird, durch gezielte Nutzung der inhärenten Eigenschaften der verwendeten Materialien kontrollieren. Letztlich kann somit eine Steuerung des Reflexions-, Transmissions-, und Polarisationsgrades sowie der Phasenänderung des Lichts erzielt werden.

Dünne Schichten mit großer Wirkung – Beschichtungsmöglichkeiten

Die gängigsten optischen Beschichtungen sind:

• Optische Beschichtung auf Basis von Metallen (z.B. Al, Ag, Au)/Beschichtungen für Spiegel
• Dielektrische Beschichtungen
• Antireflexions-Schichten (AR)
• Strahlteilerbeschichtungen
• Filterschichten

Reflektierende optische Beschichtungen: Beschichtungen für Spiegel

Reflektierende Beschichtungen bzw. metallische Spiegel bezeichnen die Verspiegelung von Oberflächen auf Basis von Metallen (z.B. Al, Ag, Au). Metallische Spiegel weisen über einen sehr breiten Wellenlängenbereich einen nahezu konstanten Reflexionsgrad auf und sind mit dieser Eigenschaft ein kostenoptimiertes Verfahren zur Herstellung von Reflektoren. Je nach Einsatzzweck sind unterschiedliche Materialien sinnvoll. Aluminium hat die höchste Reflektivität bei Licht im UV-Bereich. Silber hingegen absorbiert sehr wenig Licht aus dem Sichtbaren und NIR Spektrum, hierdurch lassen sich mit Hilfe von Silber kosteneffektive Systeme herstellen. Im NIR Bereich finden oft auch Spiegel mit einer chemisch resistenten Gold-Beschichtung Anwendung.

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Aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit von Spiegelbeschichtungen auf Metallbasis ist es vorteilhaft, diese zusätzlich mit einer dielektrischen Schutzschicht zu passivieren.

Abbildung 1: Beschichtungskurve für einen Silberspiegel geschützt (protected) und ungeschützt (unprotected)

Dielektrische Beschichtungen

Eine weitere Beschichtungsart sind dielektrische Beschichtungen. Diese weisen eine sehr niedrige Absorption der eingehenden Strahlen auf. Daher werden dielektrische Materialien oft für Spiegel mit besonders hohen Anforderungen an die Reflektivität verwendet. Ebenso lassen sich die angestrebten Wellenlängen, die zum Beispiel transmittiert werden, sehr präzise einstellen.

Durch die Verwendung dielektrischer Schichtmaterialien können absorptionsminimierte Spiegel hergestellt werden, die zum Beispiel als Umlenkspiegel oder Pumplaserspiegel in Laserresonatoren zum Einsatz kommen. Für bestimmte Wellenlängenbereiche erreichen diese Schichten eine Reflektivität größer 99,9%. Dielektrische Spiegel werden für verschiedene Einfallswinkel entworfen und bieten für Anwendungen mit maximaler Leistung eine stressminimierte und daher langlebige Lösung.

Abbildung 2: Beispiel für die wel­len­län­gen­ab­hän­gi­ge Re­flek­ti­vi­tät eines breit­ban­di­gen, di­elek­tri­schen Spiegels

Antireflexions-Schichten (AR)

Antireflexions-Schichten bzw. Entspiegelungen sind für die Maximierung der Transmission einer Optik in vielen Anwendungsbereichen unerlässlich. Es kann dabei zwischen Einfachschichten, Breitbandschichten oder auch reflexmindernden optischen Beschichtungen speziell für Laseranwendungen unterschieden werden. Für letztere sind Beschichtungen wie V-Beschichtungen essenziell, um die Elemente vor Beschädigung zu bewahren. In Abhängigkeit des verwendeten Glases kann mit einer AR Beschichtung eine Restreflektion von < 0,1% erreicht werden. Das Hauptanwendungsgebiet der Entspiegelung ist die Vergütung einer optischen Fläche, um Reflexionsverluste in der Strahlführung bei optischen Systemen zu minimieren.

Einen umfassenden Anwendungsbereich weisen insbesondere Breitbandbeschichtungen auf. Optiken mit einer Breitbandbeschichtung können alle üblichen Wellenlängen im NIR, UV und VIS Bereich abdecken. Die Reflektion ist im vorgesehenen Wellenlängenbereich minimal. Mithilfe von Superbreitbandbeschichtungen werden große Teile des Spektrums nur marginal reflektiert. Damit eignen sich Breitbandbeschichtungen für Laser aller Art, weil sie die Lebensdauer von optischen Flächen verlängern und hohe Leistungen ermöglichen, ohne spezielle Wellenlängen zu erfordern. Auch für spezifische Wellenlängen sind solche Beschichtungen an den effizientesten Punkten ihrer Reflektionskurven eine sinnvolle Lösung.

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Abbildung 3: Beispiel für eine Breitbandschicht (ARBB) zur Entspiegelung

Abbildung 4: Beispiel für eine Superbreitbandschicht (ARSBB) zur Entspiegelung

Beim Lichtdurchgang durch eine Grenzfläche wird ein Teil des Lichtes, abhängig vom Substrat- und vom Eingangsmaterial, reflektiert. Dieses reflektierte Licht ist nicht mehr im Durchlicht enthalten. Der Verlust summiert sich mit der Anzahl an Grenzflächen im optischen System auf. Um die Verluste so gering wie möglich zu halten, müssen diese entspiegelt werden. Eine Reduktion der Absorption des Lichtes führt zu höheren Belastungsgrenzen der Optiken und ermöglicht leistungsstärkere Laser für Forschung und Fertigung. Reflektierte Strahlen stören sensible Komponenten eines Systems. Eine Reduzierung von Verluststrahlung verbessert die Stabilität und ermöglicht genauere Messungen.

Eine besondere Art der Antireflexions-Schichten stellen V-Beschichtungen dar. Eine V-Beschichtung (auch V-Coating) weist eine maximale Transmission für einen sehr kleinen Bereich des Lichtes auf, andere Wellenlängen zeigen eine deutlich höhere Reflektivität. V-Coatings sind verhältnismäßig günstig herzustellen und erzielen dabei sehr gute Ergebnisse. Die Reflektivität nach Wellenlänge aufgezeichnet, zeigt die namensgebende V-Form. Diese Beschichtung wird bei Lasern mit einer Wellenlänge bevorzugt, da bei der vorgesehenen Wellenlänge nur minimale Reflexionen auftreten. Designbedingt werden andere Wellenlängen stark reflektiert. Deswegen werden V-Beschichtungen nur eingesetzt, wenn Abweichungen von der vorgesehenen Wellenlänge gering ausfallen.

Abbildung 5: Exemplarische Kurve der wellenlängenabhängigen Restreflektivität eines V-Coating für die Wellenlänge 355 nm

Beschichtungen für Strahlteiler

Strahlteiler sind optische Komponenten, die einfallendes Licht in einem bestimmten Verhältnis in zwei separate Strahlen aufteilen. Sie können auch in umgekehrter Form verwendet werden, um zwei verschiedene Strahlen zu einem Strahl zu kombinieren. Beschichtungen für Strahlteiler teilen das eingehende Licht in einen reflektierten und einen transmittierten Anteil auf, was z.B. bei einem Michelson-Interferometer nötig ist. Auf Basis von thermisch sehr stabilen dielektrischen Schichten können auch kundenspezifische Teilverhältnisse von Reflexion (R) zu Transmission (T) für definierte Wellenlängenbereiche realisiert werden. Typischerweise betragen diese 50%/50% (R/T) bzw. 30%/70% (R/T).

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Filterschichten

Filterbeschichtungen werden in vielen verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Fluoreszenzmikroskopie. Diese Form der optischen Beschichtung wird verwendet, um Licht bestimmter Wellenlängen zu transmittieren, reflektieren, absorbieren oder abzuschwächen.

Die maßgebliche Eigenschaft von Filterschichten ist eine hohe Transmission für festgelegte Wellenlängen, während andere Wellenlängen eine sehr niedrige Transmission aufweisen. Zum Beispiel lässt ein Kantenfilter Strahlen unter einer definierten Wellenlänge durch während längere Wellenlängen reflektiert oder absorbiert werden. Die Reflektivität zeigt eine „Kante“ (vgl. Abb. 6) im Graphen, ab dessen Wellenlänge (nicht mehr) transmittiert wird. Zusätzlich zu Kantenfiltern können auch nur einzelne Wellenlängen transmittiert werden, hier ist das V-Coating ein Vertreter.

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Abbildung 6: Beispiel für eine Langpassfilterschicht (LPF)

Durch den Einsatz von dielektrischen Schichten auf Glas wird u.a. das Separieren von unterschiedlichen Wellenlängen als Kurz- oder Langpassfilter ermöglicht. Kurzpassfilter transmittieren kurze Wellenlängen, während lange Wellenlängen reflektiert werden. Langpassfilter hingegen lassen lange Wellenlängen durch und reflektieren die Kurzen. Filterbeschichtungen verwendet man unter anderem bei Brillengläsern (UV-Strahlung wird blockiert, während visuelles Licht transmittiert wird) und in Entfernungsmessern (visuelles Licht wird blockiert, infrarotes Licht transmittiert).

Um die vorgestellten optischen Beschichtungen aufzutragen, kommen in Abhängigkeit der Eigenschaften des Ausgangsmaterials und den Anforderungen an die optischen Systeme, unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Den Beschichtungstechnologien widmen wir uns in einem gesonderten Blogbeitrag.