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Leistungsfähige optische Beschichtung für anspruchsvolle Anwendungen

16.04.2018 | Thema: Optik

Optikkomponenten, wie Linsen oder Spiegel sind fast immer mit einer optischen Vergütungsschicht versehen. Die aufgetragenen Schichten haben dabei verschiedene Eigenschaften, wie beispielsweise die Verbesserung der Transmission von bestimmten Wellenlängen oder die Verringerung von Reflexion. Eine optische Beschichtung kommt jedoch nicht nur im Technologiesektor zum Einsatz, sondern auch bei Gegenständen des alltäglichen Lebens, wie z.B. bei Brillen, Displays oder auf Fensterscheiben zur Reduzierung von Energieverlusten.

In unserer zweiteiligen Artikelserie zu diesem Thema, möchten wir verschiedene optische Beschichtungen mit ihren Einsatzgebieten, sowie moderne Beschichtungstechnologien vorstellen. Erfahren Sie im Folgenden mehr über ausgewählte Möglichkeiten der optischen Vergütung.

Was bedeutet optische Beschichtung?

Beschichtung bezeichnet den Prozess, bei dem ein Werkstoff als eine dünne, fest haftende Schicht auf einen Grundwerkstoff, zum Beispiel Glas, aufgetragen wird. In der optischen Industrie werden dafür unter anderem dielektrische und metallische Materialien verwendet. Eine optische Beschichtung kann verschiedene Eigenschaften des Lichts durch Ausnutzung optischer Interferenz kontrollieren. Diese sind unter anderem die Beeinflussung des Reflexions-, Transmissions-, und Polarisationsgrad sowie der Phasenänderung des Lichts. Das Verhalten einer optischen Beschichtung ist dabei abhängig von der Anzahl und Dicke der aufgebrachten Schichten sowie der Differenz des Brechungsindexes zwischen den einzelnen Schichten.

 

Dünne Schichten mit großer Wirkung – Beschichtungsmöglichkeiten

Die gängigsten optischen Beschichtungen sind:

  • Metallische optische Beschichtung
  • Dielektrische Spiegel
  • Strahlteilerbeschichtung
  • Filterschichten und
  • Antireflexions-Schichten (AR)

Metallische optische Beschichtung
Reflektierende Beschichtungen bzw. metallische Spiegel bezeichnen die Verspiegelung von Oberflächen auf Basis von Metallen (z.B. Al, Ag,Au). Die Spiegel weisen über einen sehr breiten Wellenlängenbereich einen nahezu konstanten Reflexionsgrad auf und sind mit dieser Eigenschaft ein kostenoptimiertes Verfahren zur Herstellung von Reflektoren. Aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit der Metallschichten ist es vorteilhaft, diese mit dielektrischen Schichten zu schützen, wodurch gleichzeitig deren Reflexion erhöht werden kann. Diese einfachen Spiegel werden häufig zur Strahlführung in optischen Systemen verwendet.

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 Reflektivitäten größer 99,9%.

Beschichtungen für Strahlteiler teilen eingehendes 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 kundenspezifisch gewünschte Teilverhältnisse realisiert werden. Typischerweise betragen diese 50%/50% (R/T) bzw. 30%/70% (R/T). Auch eine wellenlängenspezifische Beschichtung der Strahlteiler ist möglich (z.B. rot reflektiert und grün transmittiert).

optische Beschichtung Filterbeschichtungen Filterbeschichtungen werden in vielen verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Fluoreszenzmikroskopie. Diese Form der optischen Beschichtung wird verwendet, um Licht bestimmter Wellenlängen zu transmittieren, zu reflektieren, zu absorbieren oder abzuschwächen. 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 lassen lange Wellenlängen durch und reflektieren die kurzen Wellenlängen. Filterbeschichtungen verwendet man unter anderem, um die Pumpstrahlung von der genutzten Laserstrahlung zu trennen. Beispielsweise wird im Laserresonator ein Kristall mit einer Laserdiode, welche 940 nm emittiert, optisch gepumpt. Dieses Licht läuft im Resonator durch zwei Filter, wobei die Strahlung mit 940 nm von einem zum anderen reflektiert wird. Der Kristall erzeugt dabei Laserstrahlung bei 1064 nm. Diese Strahlung muss durch die Filter, die bei 940 nm reflektieren, ausgekoppelt werden. Das bedeutet also, dass diese Filter bei 1064 nm eine hohe Transmission aufweisen müssen.

Antireflexions-Schichten, Entspiegelungen, optische BeschichtungAntireflexions-Schichten bzw. Entspiegelungen sind für die Maximierung der Transmission einer Optik in vielen Anwendungsbereichen unerlässlich. Es kann dabei zwischen Einfachschichten, Breitbandbeschichtung oder auch reflexmindernder optischer Beschichtung speziell für Laseranwendungen unterschieden werden. In Abhängigkeit des verwendeten Glases kann 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. Beim Lichtdurchgang durch eine Grenzfläche wird ein Teil des Lichtes, abhängig vom Substratmaterial, reflektiert. Dieses reflektierte Licht ist nicht mehr im Durchlicht enthalten. Der Verlust summiert sich mit der Anzahl an Grenzflächen im optischen System auf. Um diese Verluste so gering wie möglich zu halten, müssen diese entspiegelt bzw. vergütet werden.

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 Kürze in einem gesonderten Blogbeitrag.