Optische Komponenten & Lasermodulatoren

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1 Optische Komponenten & Lasermodulatoren Filter Linsen Spiegel Fenster Prismen Objektive Strahlteiler Polarisatoren Verzögerungsplatten Optische Baugruppen Elektro-optische Modulatoren

2 Die DoroTEK Gesellschaft für Systemtechnik mbh wurde als Bestandteil der Solaris-Gruppe im Dezember 1989 mit Sitz in Berlin gegründet. Die Solaris Gruppe ist ein deutsch polnisches Unternehmen, in welchem DoroTEK als Vertriebsorganisation für den westeuropäischen Raum agiert. Im Jahre 1998 wurde mit dem Aufbau der Laserlohnfertigung ein weiteres Geschäftsfeld eröffnet verlagerte die Firma Ihren Sitz nach Strausberg. Im Jahre 2005 wurde ein eigenes Funktionsgebäude mit 360 m 2 Werkstatt- Büro- und Lagerfläche errichtet und im Oktober 2005 bezogen. Der Name DoroTEK stellt eine Synthese aus Dorothea, der Tochter eines Gründungs-mitgliedes unserer Firmengruppe, und Technik dar. Und wie der Name DoroTEK die Begriffe Mensch und Technik in sich vereint, entspricht diese Einheit der Philosophie unserer Firmengruppe. Motivierte und innovative Teams, die ihre Kraft und Kreativität aus gegenseitigem Verständnis und Achtung gewinnen, schaffen hochmoderne, zuverlässige technische Komponenten und Systeme. Produktion optischer Komponenten und Lasermodulatoren Design, Konstruktion und Fertigung optischer Baugruppen Produktion von Lasermarkier- und Lasercodiersystemen Service-Center für Lasergravuren und Laserschneiden Verkaufsorganisation der Solaris-Gruppe (Komponenten und Baugruppen) Service-Center für Lasergravur und Laserbeschriftung Distribution der VIGO Infrared-Detektoren und Zubehör

3 Optische Komponenten & Laser Modulatoren für die Spektralbereiche UV, VIS und IR Solaris Optics S.A. stellt kundenspezifische optische Komponenten und Lasermodulatoren (Pockels- Zellen) her. Der vorliegende Katalog enthält eine vollständige Übersicht des Fertigungsspektrums. Solaris Optics S.A. verfügt über die komplette Technologie zur Fertigung optischer Komponenten aus nahezu allen optischen Gläsern, Quarzgläsern und Kristallen einschließlich Ihrer Vergütung durch die Dünnschichttechnologie. Die Struktur der Fertigung wurde so flexibel gestaltet, dass wir für Sie sowohl Einzelstücke kurzfristig anfertigen können, als auch große Stückzahlen in der kontinuierlichen Serienproduktion herstellen. Durch die Verbindung dieser Flexibilität mit unseren Entwicklungskapazitäten in Zusammenarbeit mit dem Warschauer Institut für Angewandte Optik ist DoroTEK ein Partner für jede Entwicklung, die optische Komponenten benötigt, von der Idee bis zur Serienfertigung. Im April 2005 hat Solaris Optics S.A. bei der TÜV Rheinland den Nachweis über die Erfüllung der Forderungen der ISO 9001:2000 erbracht. Im Juni 2008 erfolgte die Aktualisierung Die Angestellten von Solaris Optics, hoch qualifizierte und erfahrene Optiker und Feinmechaniker und Ihr Management, promovierte Wissenschaftler, sind stolz auf den erreichten Stand. Sie sind der Garant, dass die Entwicklung erfolgreich fortgeführt wird.

4 Inhaltsverzeichnis Seite Inhaltsverzeichnis 1 1. Optische Materialien Optische Gläser Optische Standardgläser Optische Spezialgläser Farb- und Filtergläser Glaskeramik Quarz / Fused Silica Optische Kristalle 6 2. Linsen und Linsensysteme Sphärische Einzellinsen Konvexlinsen Konkavlinsen Menisken Zylinderlinsen Achromate Linsensysteme Antireflexionsbeschichtungen Spiegel Planspiegel Sphärische Spiegel Spiegelbeschichtungen Metallische Spiegelschichten Dielektrische Spiegelschichten Planoptik Planparallele Platten Fenster / BREWSTER-Fenster Keilplatten Streuscheiben Prismen Dispersionsprismen Reflexionsprismen Strahlteiler Strahlteilerplatten Laser-Auskoppelspiegel Strahlteilerwürfel Pentagon-Strahlteiler Spezielle prismatische Strahlteiler Polarisatoren Brewster-Platten-Polarisator Dielektrische Polarisatoren Doppelbrechende Polarisatoren Verzögerungsplatten Keildepolarisatoren Filter Farbglasfilter Neutralfilter Interferenzfilter Elektro-optische Modulatoren KDDP Pockels Zellen LiNbO 3 Pockels Zellen 53 Stichwortverzeichnis 55 1

5 1. Optische Materialien 1.1. Optische Gläser Optische Standardgläser Optische Gläser sind anorganische Schmelzprodukte, die erstarren ohne zu kristallisieren und somit eine amorphe, homogene Struktur aufweisen. Sie besitzen eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich. Es werden die Hauptgruppen Kronglas und Flintglas unterschieden, die wiederum in verschiedene Glastypen eingeteilt sind. Glastypen werden durch die Hauptbrechzahl und die Abbesche Zahl, die die Dispersion im sichtbaren Spektralbereich beinhaltet, charakterisiert. Eine übersichtliche Darstellung der Einteilung liefert das Glasdiagramm. Die beiden Hauptgruppen unterscheiden sich primär durch die abbesche Zahl (< bzw. > 50) 1. Krongläser (ν e > 55), die eine schwache Brechung und kleine Dispersion aufweisen. 2. Flintgläser (ν e < 50), die Bleioxid enthalten und eine größere Dispersion besitzen. Dazwischen liegen noch einige Übergangsgruppen. Standardmäßig verwenden wir optische Gläser von Schott und Ohara. Es können aber auf Kundenwunsch auch Gläser anderer Hersteller verwendet werden. Schott-Glasdiagramm 2

6 Krongläser Flintgläser Kron K Flint F Schwerkron SK Schwerflint SF Schwerstkron SSK Leichtflint LF Bor-Kron BK Doppelleichtflint LLF Fluor-Kron FK Tiefflint TiF Phosphat-Kron PK Kurzflint KzF Phosphat-Schwerkron PSK Kron-Flint KF Fluophosphat-Schwerkron FPSK Barit-Flint BaF Lanthan-Kron LaK Barit-Leichtflint BaLF Lanthan-Schwerkron LaSK Barit-Schwerflint BaSF Barit-Kron BaK Lanthan-Flint LaF Eigenschaften ausgewählter Gläser aus dem SCHOTT-Sortiment : Material Dichte Mittlerer Ausdehnungskoeffizient ( C) Brechungsindex n e (546,1 nm) N-BK7 2,51 gcm -3 8, / K 1,51872 N-BAK1 3,19 gcm -3 8, / K 1,57487 N-BAK4 3,05 gcm -3 7, / K 1,57125 N-SK2 3,55 gcm -3 7, / K 1,60994 N-SK5 3,30 gcm -3 6, / K 1,59142 N-LaK10 3,69 gcm -3 6, / K 1,72341 F5 2,51 gcm -3 8, / K 1,51872 N-SF10 3,05 gcm -3 10, / K 1,73430 N-SF56 3,28 gcm -3 10, / K 1, Optische Spezialgläser Spezielle optische Gläser sind bezüglich bestimmter Anforderungen optimiert und besitzen meist eine exponierte Eigenschaft, die sie von den durchschnittlichen Werten der Standardgläser unterscheiden. Borosilikatglas besteht zu % aus Silziumdioxid (SiO 2) und enthält einen hohen Anteil (ca. 13 %) an Bortrioxid (B 2O 3). Das Glas zeichnet sich durch seinen geringen Ausdehnungskoeffizienten (~ / C für 20 C) und eine gute Temperaturbeständigkeit aus. Der Borgehalt bedingt eine hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Verbindungen. Im optischen Bereich sind die Verwendung des Glases als Spiegelsubstrat und für optische Fenster wesentlich. Borofloat 33 ist ein spezielles Borosilikatglass von SCHOTT. Der Name des Glases setzt sich aus Borosilikatglas und dem Micro-Floatverfahren, nach dem das Glas hergestellt wird, zusammen. Das Glas ist durch die geringe Eigenfluoreszenz im gesamten Lichtspektrum und eine hohe Temperaturabschreckfestigkeit charakterisiert. Es ist hochresistent gegenüber Wasser, starken Säuren, Laugen sowie organischen Substanzen. D263T Dünnglas ist ein farbloses Borosilikatglas der Firma Schott, hergestellt unter Verwendung reinster Rohmaterialien. Es ist in extrem dünnen Dicken verfügbar und weist eine leichte Biegsamkeit auf. Das Glas besitzt eine gleichmäßige optische Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich, ist aber auch für den IR-Bereich bis ca. 3 µm einsetzbar. Pyrex ist ein CORNING Borosilikatglas. Es ist wie das Borofloat prädestiniert für Anwendungen, bei denen hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen eine Rolle spielen. B270 Superwite ist ein farbloses, universell einsetzbares, kostengünstiges Kronglas (modifiziertes Kalk - Natron - Glas) mit hoher und gleichmäßiger optischer Durchlässigkeit im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Glasart Borofloat 33 B270 Superwite D263T Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient (20 C C) 3, /K 9, /K 7, /K Dichte 2,2 gcm -3 2,55 gcm -3 2,51 gcm -3 Transformationstemperatur 525 C 533 C 557 C Brechungsindex n e (546,1 nm) 1, ,5230 1,5231 Abbesche Zahl e 65,41 58,3 55 3

7 Farb- und Filtergläser Farb- und Filtergläser zeichnen sich durch die selektive Absorption im optischen Wellenlängenbereich aus. Nach dem Schott-Katalog lassen sich die Farbgläser entsprechend dem Transmissionsbereich in folgende Gruppen einteilen : UG BG VG GG OG RG N-WG KG NG Schwarz- und Blaugläser mit Durchlässigkeit im UV-Bereich Blau-, Blaugrün- und Bandengläser Grüngläser Nahezu farblose Gläser bis Gelbgläser mit IR-Durchlässigkeit Orangegläser mit IR-Durchlässigkeit Rote und schwarze Gläser mit IR-Durchlässigkeit Farblose Gläser mit unterschiedlichen Kantenlagen im UV-Bereich Nahezu farblose Gläser mit hoher Durchlässigkeit im Sichtbaren und mit effektiver Absorption im IR (Wärmeschutzfilter<) Neutralgläser mit gleichmäßiger Strahlungsschwächung im Sichtbaren Funktional können die Farbgläser in folgende Gruppen eingeteilt werden : Bandpassfilter bieten selektive Durchlässigkeit im gewünschten Wellenlängenbereich Langpassfilter sperren ungewünschte kürzerwellige Bereiche Kurzpassfilter sperren ungewünschte längerwellige Bereiche Neutralfilter weisen insbesondere im sichtbaren Bereich eine nahezu konstante Durchlässigkeit auf. Farbgläser werden oftmals auch in Kombination mit dielektrischen Schichten verwendet, um spezielle modifizierte Transmissionseigenschaften zu erzeugen Glaskeramik Glaskeramik ist ein Material, das eine kristalline Phase und eine Restglasphase enthält. Glaskeramiken besitzen eine hohe Homogenität und einen extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die Transmission liegt im Bereich 600 nm 2000 nm bei etwa 90 %. Damit eignet sich das Material weniger für transmissive Optik, jedoch ist eine direkte Prüfung der inneren Qualität auf Blasen, Schlieren oder Einschlüsse möglich. Durch seine Eigenschaften und die gute maschinelle Bearbeitbarkeit sind Glaskeramiken ein hervorragend geeignetes Material für präzise Spiegelsubstrate und werden daher z.b. bei reflektiven Komponenten in astronomischen Teleskopen verwendet. Eigenschaften der Glaskeramik ZERODUR (Schott) : Dehnungsklasse 0 0 ± 0, /K Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient Dehnungsklasse 1 0 ± 0, /K (0 C 50 C) Dehnungsklasse 2 (Standard) 0 ± 0, /K Dichte 2,53 gcm -3 Brechungsindex n e (546,1 nm) 1,5447 Abbesche Zahl 55,9 Eigenschaften der Glaskeramik CLEARCERAM-Z (Ohara) : Clearceram-Z HS 0 ± 0, /K Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient (0 C 50 C) Clearceram Z 0 ± 0, /K Regular Clearceram-Z HS 1,54899 Brechungsindex n e (546,1 nm) Clearceram Z Regular 1,54841 Clearceram-Z HS 55,0 Abbesche Zahl Clearceram Z Regular 55,5 4

8 Eigenschaften der Glaskeramik ULE (Corning) : Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient (5 C 35 C) 0 ± 0, /K Dichte 2,21 gcm -3 Brechungsindex n e (546,1 nm) 1,4828 Abbesche Zahl 53, Quarz / Fused Silica Quarz zeichnet sich insbesondere durch eine gute Transparenz vom UV- bis zum mittleren IR-Bereich aus. Das Material wird in zwei strukturellen Zuständen für optische Komponenten genutzt. 1. kristallines SiO 2 (kristalliner Strukturzustand, optische Eigenschaften abhängig von der Kristallorientierung) 2. amorphes SiO 2 (glasig erstarrte Schmelze - Quarzglas) Quarzglas ist ein Glas, das im Gegensatz zu den gebräuchlichen Gläsern keine Beimengungen von Soda oder Calciumoxid enthält, also aus reinem Siliziumdioxid (SiO 2) besteht. Es kann durch Aufschmelzung und Wiedererstarrung von Quarz oder Quarzsand oder künstlich hergestellt werden, daher auch die englischen Bezeichnung fused quartz oder fused silica. In der Präzisionsoptik wird vorrangig synthetisches Quarzglas (Fused Silica) eingesetzt, das einen hohen Reinheitsgrad und geringen Blasengehalt aufweist. Fused Silica hat einen geringen Ausdehnungskoeffizienten und ist beständig gegen die meisten chemischen Verbindungen. Weitere Vorteile sind eine hohe Zerstörschwelle gegenüber optischer Belastung (hohe Laserleistungsdichten) und die hohe Anwendungstemperatur von ca C. Kristallines Quarz unterscheidet sich in seinen optischen Charakteristika gegenüber dem Quarzglas durch seine piezoelektrischen Eigenschaften, der optischen Aktivität und der Doppelbrechung (siehe auch unter 1.4. Kristalle). Eigenschaften des Quarzglases (Daten der Heraeus Quarzglas GmbH) : Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient (0 C C) 0, /K Dichte 2,20 gcm -3 Brechungsindex n e (546,1 nm) Suprasil-Familie 1,46008 Herasil / Infrasil 1,46018 Abbesche Zahl d 67,8 Erweichungstemperatur Suprasil-Familie 1600 C Herasil / Infrasil 1730 C Max. Temperatur für kontinuierliche Anwendung Suprasil-Familie 950 C Herasil / Infrasil 1150 C Aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren resultierend, lassen sich die Quarzgläser der einzelnen Hersteller in verschiedene Sorten unterteilen. Die Heraeus Quarzglas GmbH fasst die einzelnen Sorten entsprechend ihren Grundeigenschaften in Familien zusammen. SUPRASIL Die SUPRASIL-Familie beinhaltet die synthetischen Quarzglas-Sorten. Sie sind alle praktisch frei von Blasen und Einschlüssen und zeichnen sich durch besonders hohe optische Durchlässigkeit im UVund im sichtbaren Spektralbereich aus. HERASIL Die HERASIL-Familie umfasst das klassische aus dem Bergkristall in der Knallgasflamme geschmolzene Quarzglas. HOMOSIL ist die Sorte mit der höchsten optischen Qualität. Es wird aus gezüchteten Kristallen in der Knallgasflamme geschmolzen und ist praktisch frei von Blasen und Einschlüssen und gleichzeitig äußerst homogen und optisch isotrop. INFRASIL Die INFRASIL-Sorten werden ebenfalls aus natürlichem, kristallinem Rohstoff, allerdings im elektrisch beheizten Ofen geschmolzen. Sie weisen einen sehr geringen OH-Gehalt auf und sind daher das bevorzugte Material für den IR-Spektralbereich. Neben dem Heraeus-Material verwenden wir standardmäßig auch das HPFS7980 der Firma Corning. Es können aber auf Kundenwunsch auch Quarzgläser anderer Hersteller verwendet werden. 5

9 1.4. Optische Kristalle Eine Auswahl der Kristallmaterialien, aus denen unsere optischen Komponenten gefertigt werden, ist nachfolgend aufgeführt. Zu beachten ist, dass die Werte für den Brechungsindex nur der Orientierung dienen sollen. Die Angaben der Kristallhersteller weichen geringfügig voneinander ab. Der konkret nutzbare Transmissionsbereich hängt letztlich auch von den Randbedingungen für die jeweilige Komponente im optischen System ab. Kristall Formel Dichte Schmelztemperatur Transmissionsbereich Brechungsindizees Lithiumfluorid LiF 2,64 gcm C 0,12-6,5 µm Kalziumfluorid CaF 2 3,18 gcm C 0,15-9,0 µm Bariumfluorid BaF 2 4,89 gcm C 0,18-12µm Magnesiumfluorid MgF 2 3,18 gcm C 0,13-7,0 µm Quarz SiO 2 2,64 gcm C 0,4-4,5 µm Saphir Al 2O 3 3,98 gcm C 0,17-5,0 µm Kalkspat CaCO 3 2,71 gcm C 0,22 3,0 µm Zinkselenid ZnSe 5,26 gcm C 0,55-18 µm Zinksulfid ZnS 4,09 gcm C 1,8-12,5 µm Germanium Ge 5,33 gcm C 1,8 23 µm Silizium Si 2,33 gcm C 1,2-15 µm Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) Kaliumdideuteriophosphat (KDDP) -3 Zersetzung ab KH 2PO 4 2,33 gcm 253 C 0,18-1,5 µm KD 2PO 4 2,35 gcm -3 0,2 2,0 µm Lithiumniobat LiNbO 3 4,61 gcm C 0,35-5,5 µm Kaliumtitanylphosphat (KTP) KTiOPO 4 3,01 gcm C 0,35-4,5 µm 0,5 µm - 1,39 5,0 µm - 1,33 0,5 µm - 1,44 5,0 µm - 1,40 10,0 mm - 1,30 0,5 µm - 1,48 5,0 µm - 1,45 10,0 µm - 1,40 0,5 µm - 1,38 5,0 µm - 1,34 0,5 µm - 1,55 5,0 µm - 1,42 0,5 µm - 1,77 1,0 µm - 1,64 0,5 µm - 1,66 1,0 µm - 1,75 1,0 µm - 2,49 5,0 µm - 2,43 10,0 µm - 2,41 1,0 µm - 2,30 5,0 µm - 2,24 10,0 µm - 2,20 2,0 µm - 4,10 5,0 µm - 4,02 10,0 µm - 4,00 2,0 µm - 3,45 5,0 µm - 3,43 Für λ = 1064 nm n o = 1,49 n e = 1,46 Für λ = 1064 nm n o = 1,49 n e = 1,46 Für λ = 1064 nm n o = 2,22 n e = 2,15 Für λ = 1064 nm n x = 1,74 n y = 1,75 n z = 1,83 6

10 2. Linsen und Linsensysteme 2.1. Sphärische Einzellinsen Konvexlinsen Konvexlinsen sind Sammellinsen mit einer positiven Brennweite. Ein paralleles Lichtbündel konvergiert nach dem Durchgang durch eine Linse konvexen Typs. Bikonvexlinsen besitzen zwei sphärische Flächen. Sind die Krümmungsradien beider Flächen identisch, spricht man von einer symmetrischen Bikonvexlinse, im anderen Falle von einer unsymmetrischen Bikonvexlinse. Ein Spezialfall der letzteren stellt die Plankonvexlinse dar, bei der eine Seite plan ist, d.h. der Krümmungsradius ist unendlich. Bikonvexlinsen eignen sich für optische Abbildungen, die Abbildungsmaßstäbe zwischen 0,25-5 beinhalten. Bei einer symmetrischen Anordnung von Objekt und Bild (bzgl. der Entfernung von der Linse) wird mit einer symmetrischen Bikonvexlinse die geringste sphärische Abberation erzielt. muss die sphärische Fläche dem parallelen Strahlenverlauf zugewandt sein. Im Vergleich zu der Plankonvexlinse läßt sich mit einer unsymmetrischen Bikonvexlinse die geringste sphärische Abberation mit einer Einzellinse realisieren. Bezogen auf ein Glas mit einem Brechungsindex von 1,5 sind die Wellenfrontqualität und die Fokussierbarkeit um ca. 7 % besser (paralleler Lichteinfall vorausgesetzt). Allerdings sind Plankonvexlinsen i.a. kostengünstiger. Zu beachten ist bei der Verwendung von Einzellinsen, dass nur die sphärische Abberation minimiert werden kann. Es besteht keine Möglichkeit, die chromatische Abberation zu beeinflussen. Um mit einer Bikonvexlinse für andere Anordnungen eine minimale sphärische Abberation zu verwirklichen, ist eine unsymmetrische Bikonvexlinse, die sog. Linse bester Form erforderlich. Das Radienverhältnis beider Flächen ist abhängig vom Brechungsindex und dem geforderten Abbildungsmaßstab. Es ist darauf zu achten, dass die stärker gekrümmte Fläche dem parallelen Strahlenverlauf zugewandt ist. Für Abbildungsmaßstäbe < 0,25 oder > 5 sind Plankonvexlinsen besser geeignet. Diese sind z.b. bei der Fokussierung eines Laserstrahls oder der Abbildung aus dem Unendlichen zu bevorzugen. Zur Minimierung der sphärischen Abbildungsfehler Symmetrische Bikonvexlinse 7

11 Unsymmetrische Bikonvexlinse Plankonvexlinse Technische Daten Konvexlinsen Material Durchmesserbereich Durchmessertoleranz Standardwerte mm -0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Brennweitenbereich ± 0,1 mm mm Toleranz der Brennweite ± 2 % Radiustoleranz ± 1 % Zentrierung 3 arcmin Formgenauigkeit (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Konvexlinsen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) Konkavlinsen Konkavlinsen sind Zerstreuungslinsen mit einer negativen Brennweite. Ein paralleles Lichtbündel divergiert nach Durchgang durch eine Konkavlinse. Auf Grund dessen erzeugen Konkavlinsen nur virtuelle Bilder, die durch die Linse hindurch, gegen die Einfallsrichtung des Lichtes, zu beobachten sind. Bikonkavlinsen besitzen zwei sphärische Flächen. Sind die Krümmungsradien beider Flächen identisch, spricht man von einer symmetrischen Bikonkavlinse, im anderen Falle von einer unsymmetrischen Bikonkavlinse. Ein Spezialfall der letzteren stellt die Plankonkavlinse dar, bei der ein Krümmungsradius unendlich ist, d.h. eine Seite ist plan. Wie bei den Konvexlinsen sind für Abbildungsmaßstäbe von 0,25 5 Bikonkavlinsen vorzuziehen. Anderenfalls eignen sich Plankonkavlinsen am besten, um die sphärische Abberation zu minimieren. Bei der Verwendung von Plankonkavlinsen ist darauf zu achten, dass die gekrümmte Fläche dem parallelen Strahlengang zugewandt ist. Plankonkavlinsen haben im Vergleich zu Bikonkavlinsen einen geringeren Öffnungsfehler. Vorrangige Einsatzgebiete für einzelne Konkavlinsen sind die Aufweitung von Laserstrahlung und die Parallelisierung divergenter Strahlung. Zu beachten ist bei der Verwendung von Einzellinsen, dass nur die sphärische Abberation minimiert werden kann. Es besteht keine Möglichkeit, die chromatische Abberation zu beeinflussen. 8

12 Symmetrische Bikonkavlinse Plankonkavlinse Unsymmetrische Bikonkavlinse Technische Daten Konkavlinsen Material Durchmesserbereich Durchmessertoleranz Standardwerte mm -0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Brennweitenbereich ± 0,1 mm Bikonkavlinsen : mm Plankonkavlinsen : mm Toleranz der Brennweite ± 2 % Radiustoleranz ± 1 % Zentrierung 3 arcmin Formgenauigkeit (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Konkavlinsen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) Menisken Menisken sind Linsen mit einer konvexen und einer konkaven Oberfläche. Abhängig vom Krümmungsradius werden positive, negative oder konzentrische Menisken unterschieden. a) Ein positiver Meniskus fokussiert das Licht. Der konkave Radius ist größer als der konvexe Radius. Er ist aplanatisch für das bzgl. der ersten Krümmungsfläche im Zentrum plazierte Objekt. 9

13 Positiver Meniskus Konzentrischer Meniskus b) Ein negativer Meniskus erzeugt einen divergenten Lichtstrahl. Der konvexe Radius ist in diesem Fall größer als der konkave Radius. Der Meniskus ist aplanatisch für das Objekt, dessen Bild im Zentrum der zweiten Krümmungsfläche liegt. d) Bei dem Durchgang eines parallelen Lichtstrahls durch einen Null-Meniskus wird die Divergenz nicht geändert. Die Strahlen erfahren einen parallelen Versatz. Menisken werden vorrangig in Linsensystemen oder als Kondensoren in Beleuchtungssystemen eingesetzt. Als Einzellinsen finden sie in Laserresonatoren eine spezielle Anwendung. Negativer Meniskus c) Beide Flächen sind konzentrisch. Diese Linse ändert nicht die Divergenz des Lichtes (Null- Meniskus). Objekt und Bild befinden sich im Zentrum der Krümmung. Null-Meniskus Technische Daten Menisken Material Durchmesserbereich Durchmessertoleranz Standardwerte mm -0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Brennweitenbereich ± 0,1 mm Positiver Meniskus : mm Negativer Meniskus : mm Toleranz der Brennweite ± 2 % Radiustoleranz ± 1 % Zentrierung 3 arcmin Formgenauigkeit (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Menisken können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) 10

14 2.2. Zylinderlinsen Zylinderlinsen besitzen eine sphärische Fläche, die nur in eine Richtung verläuft. Aus diesem Grund wird Licht nur in eine Richtung abgelenkt und punktförmige Objekte werden linienförmig abgebildet. In der Praxis haben plankonvexe und plankonkave Zylinderlinsen Bedeutung. Plankonvexe Zylinderlinsen erzeugen aus einem einfallenden Lichtbündel eine Fokuslinie. Wie bei sphärischen Linsen gilt, dass der gekrümmten Fläche der parallele Strahlengang zuzuwenden ist, um Abbildungsfehler zu minimieren. Plankonvexe Zylinderlinse Plankonkave Zylinderlinsen dienen der Aufweitung von Strahlung in eine Richtung (z.b. um unsymmetrische Ausgänge von Laserdioden zu kompensieren). Zylinderlinsen finden ihre Anwendung u.a. bei der Beleuchtung von linearen Detektoranordnungen oder Spaltblenden in der Spektroskopie und im Zusammenhang mit Scan-Techniken. In der Medizintechnik werden Zylinderlinsen zur Erzeugung von Markierungsmustern (Linien, Kreuze) angewandt. Plankonkave Zylinderlinse Technische Daten Zylinderlinsen Material Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm ± 0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Brennweitenbereich ± 0,1 mm Plankonvex-Zylinderlinse : mm Plankonkav-Zylinderlinse : mm Toleranz der Brennweite ± 5 % Radiustoleranz ± 5 % Keilfehler < 15 arcmin Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Zylinderlinsen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel :

15 2.3. Achromate Achromate bestehen aus zwei sphärischen Linsen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Typische Materialkombinationen sind z.b.: Flintglas + Kronglas CaF 2 + Quarzglas Achromate können positive oder negative Brennweiten haben und somit als Sammellinse oder Zerstreuungslinse in der optischen Abbildung fungieren. Wie bei den Einzellinsen ist zu beachten, dass die am stärksten gekrümmte Fläche dem parallelen Strahlengang zugewandt ist. Achromat als Kittglied Gegenüber Einzellinsen bieten Achromate eine größere Anzahl freier Parameter (2 Brechungsindizees, 3 Radien, 2 Dicken). Daraus resultiert die Möglichkeit einer besseren Optimierung der zu realisierenden Abbildung. Das betrifft : Verringerung der chromatischen Abberation Verringerung der sphärischen Abberation Minimale Fokussierung für eine Wellenlänge (beugungsbegrenzt) Vermeidung eines Komas Die Linsen können miteinander verbunden sein (Kittgruppe) oder aber in gefaßter Form, um einen definierten Luftabstand zu fixieren, geliefert werden. Die Achromate mit Luftabstand bieten zusätzlich freie Parameter (ein weiterer Radius, Breite des Luftspaltes), wodurch die Fehlerkorrektur noch ver- Achromat mit Luftspalt bessert werden kann. Weitere Vorteile, die aus dem Entfall des Klebers folgen, sind die höhere und spektral erweiterte Transmission und die stärkere Temperaturbelastbarkeit (größere Laserleistungsdichten), die der Achromat ausgesetzt werden kann. Eine bei Scantechniken häufig verwendete Form ist der streifenförmige Achromat. Eine andere Option ist eine zentrale oder auch dezentrale Bohrung im Achromaten. Technische Daten Achromate Material Durchmesser Durchmessertoleranz Standardwerte Kittglied : 5 80 mm Luftspalt : mm -0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Brennweitenbereich ± 0,2 mm mm Toleranz der Brennweite ± 2 % Radiustoleranz ± 1 % Zentrierung 3 arcmin Formgenauigkeit (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Achromate können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm), Optionen : Streifenform, Bohrungen 12

16 2.4. Linsensysteme Wir fertigen auf komplette Linsensysteme. Das schließt sowohl die Herstellung der einzelnen Linsen und Kittgruppen ein als auch die Vergütung und Montage in Fassungen. Wir fertigen nach Ihren Vorgaben, übernehmen aber auch die Berechnung und Konstruktion von Linsensystemen. Die Übermittlung der Idee oder Aufgabenstellung ist in der Regel ausreichend, um mit einem Projekt zu starten. Wir erfragen die notwendig zu wissenden Randbedingungen, erstellen einen Lösungsansatz und ein kostenfreies Angebot als Basis für die weitere Projektbearbeitung. Zu unseren Fertigungsmöglichkeiten gehören : Tripletts Apochromate Hochauflösende Objektive Mikroskopobjektive CCD-Kamera-Objektive Okulare Kondensoren Fernrohre Laseraufweitungssysteme Zoom-Module Spezielle Optik-Systeme Beispiele für Linsensysteme Triplett Expander (Kepler-Fernrohr) 13

17 Kondensor Expander (Umgekehrtes Galileo-Fernrohr) Objektiv Huygens Augenglas 14

18 3. Antireflexionsbeschichtungen Antireflexionsschichten verringern die Reflexionsverluste und erhöhen somit die Transmission optischer Komponenten, wie z.b. Linsen, Prismen und Fenster. Insbesondere bei Materialien mit einem großen Brechungsindex sind AR-Schichten erforderlich. Zu beachten ist, dass die Wirkung dieser abhängig ist von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel und dem Polarisationszustand des einfallenden Lichtes. Bei senkrechtem Lichteinfall gilt für die Reflexion R n R = n Glas Glas n + n Luft Luft Der Zusammenhang kann in Näherung auch für Einfallswinkel bis zu 50 angenommen werden. Aus dieser Formel resultieren die in der nebenstehenden Tabelle aufgeführten Reflexionsgrade für unbeschichtetes Material (senkrechter Einfall). Antireflexionsschichten bestehen aus einer oder mehreren dielektrischen Schichten. Der konkrete Aufbau wird durch die Substratart, die Wellenlänge, den Einfallswinkel und den Polarisationszustand 2 des Lichtes sowie den kundenspezifischen Anforderungen bestimmt. Material n (589,3 nm) Reflexion N-BK7 1,517 4,2 % N-BaK4 1,569 4,9 % N-SF11 1,784 7,9 % Quarzglas 1,459 3,5 % n (4200 nm) Si 3,424 29,9 % Ge 4,022 36,2 % ZnSe 2,195 14,0 % CaF 2 1,407 2,9 % Prinzipiell werden Breitband-AR-Beschichtungen und Linien-AR-Beschichtungen (V-Typ) unterschieden. Letztere sind optimiert bezüglich einer einzelnen Wellenlänge, was insbesondere in der Lasertechnik zum Einsatz kommt. Einen Spezialfall stellt die Zweipunkt-AR-Beschichtung dar, die gleichzeitig für zwei Wellenlängen optimiert ist, z.b. für die 1. und 2. harmonische Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers (532 nm und 1064 nm). Technische Daten Antireflexionsbeschichtungen (Auswahl) Bezeichnung der AR-Schicht Wellenlänge / Substrat Typische Restreflexion Einfachschicht V-Typ-AR-Schicht (Optimierung für eine Wellenlänge) Zweipunkt-AR-Schicht (Optimierung für zwei Wellenlängen) MgF 2, optimiert für den UV, VIS oder NIR-Bereich nm auf Quarzglas R < 0,25 % nm auf optischem Glas R < 0,2 % nm auf Si und Ge R < 0,3 % 10,6 µm auf ZnSe R < 0,2 % 400 & 800 nm R < 0,25 % 532 & 1064 nm R < 0,25 % 780 & 1064 nm R < 0,25 % Breitband-AR-Schicht Basic Breitband-AR-Schicht Wide nm auf Quarzglas und optischem Glas mit Bandbreite λ1 - λ2 : λ2 = 1,5 λ1 (z.b nm) nm auf optischem Glas mit Bandbreite λ1 - λ2 : λ2 = 2 λ1 (z.b nm) R (D) < 0,4 % R (D) < 0,5 % Breitband-AR-Schicht Very Wide nm auf optischem Glas mit Bandbreite nm R (D) < 0,6 % Breitband-AR-Schicht Si 3,0 5,5 µm auf Silizium R (D) < 1,5 % R (D) durchschnittliche Restreflexion innerhalb der spektralen Bandbreite 15

19 Reflexionskurven für Beispielanwendungen 3-Layer AR-Beschichtung auf N-BK7 MgF 2 Einfachschicht auf unterschiedlichen Gläsern V-Typ AR-Beschichtung für 532nm V-Typ AR-Beschichtung für 1064nm Breitband AR-Beschichtung für den VIS-Bereich Breitband AR-Beschichtung für VIS- und NIR 2-Punkt AR für 532 & 1064nm 2-Punkt AR für 780 & 1064nm 16

20 4. Spiegel Spiegel können hinsichtlich ihrer geometrischen Form des Substratmaterials und der Art der Spiegelschicht unterschieden werden. Oftmals werden Laserspiegel getrennt aufgeführt, da diese sich durch die spezielle Anwendung und eine besonders hohe optische Qualität auszeichnen. Spiegelformen : Planspiegel, Sphärische Spiegel Spiegelsubstrat-Materialien : B270, N-BK7, Zerodur, Pyrex, Quarzglas, Borofloat, Kupfer, Silizium u.a. Spiegelschichten : Metallisch Aluminium, Gold, Silber (optional mit Schutzschichten) oder dielektrisch Für die Auswahl des Spiegelsubstrates ist in kritischen Anwendungen, die eine hohe Formstabilität des Substrates erfordern, der Ausdehnungskoeffizient zu berücksichtigen. Die nachstehende Tabelle listet eine Auswahl möglicher Substrate und die Koeffizienten auf : Substratmaterial Ausdehnungskoeffizient Temperaturbereich B270 9, / K C N-BK7 8, / K C Zerodur 0, / K C Quarzglas 0, / K C Borofloat 3, / K C Silizium 3, / K C Kupfer 16, / K 20 C 4.1. Planspiegel Planspiegel werden in den unterschiedlichsten Formen und Größen entsprechend kundenspezifischer Anforderungen hergestellt. Optional können die Spiegel auch mit Bohrungen versehen werden. Auswahl der Formen Rechteck- oder Kreis-Form Elliptische Formen 17

21 Wir produzieren Spiegel mit Formgenauigkeiten (Passe) im nm-bereich und Politurgüten, die sich im Sub-Nanometer-Bereich bewegen. Insbesondere für Anwendungen im UV-Bereich sind spiegelnde Oberflächen mit einer extrem geringen Rauheit für ein gutes Reflexionsverhalten von Bedeutung. Die Rauheit kann über folgende Angaben beschrieben werden: Die mittlere Rauheit R a gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen (bezogen auf die Mittellinie) minimal wird. Der quadratische Mittenrauhwert R q (englisch rms-roughness = root-mean-squared roughness: Wurzel des Mittelquadrates) wird aus dem Mittel der Abweichungsquadrate berechnet und entspricht dem quadratischen Mittel Beispiel einer Rauheitsmessung (RMS < 0,7 nm): Technische Daten Planspiegel Substratmaterial Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm -0,1 bis -0,3 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Planität (633 nm) ± 0,1 mm 1 λ pro Zoll Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Planspiegel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) Optional mit Bohrungen 4.2. Sphärische Spiegel Die aktive Fläche sphärischer Spiegel ist Teil einer Kugelfläche. Fällt paralleles Licht auf die innere, konkave Seite des Spiegels, wird es reflektiert und in dem Brennpunkt des Spiegels vereinigt. Der Spiegel wird als Hohlspiegel oder Konkavspiegel bezeichnet. Trifft paralleles Licht auf die äußere, konvexe Spiegelseite, wird es reflektiert und divergiert. Spiegel in dieser Anwendung werden als Wölbspiegel oder Konvexspiegel bezeichnet. Plankonkavspiegel 18

22 Technische Daten Sphärische Spiegel Material Durchmesserbereich Durchmessertoleranz Standardwerte mm -0,1 bis -0,3 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Brennweitenbereich ± 0,1 mm mm Toleranz der Brennweite ± 1 % Radiustoleranz ± 1 % Zentrierung 3 10 arcmin Formgenauigkeit (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Sphärische Spiegel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) 4.3. Spiegelbeschichtungen Metallische Spiegelschichten Metallbeschichtungen sind in ihrer reflektierenden Wirkung nur geringfügig von der Wellenlänge, der Polarisation und dem Winkel des einfallenden Lichtbündels abhängig. Wichtige Materialien sind Aluminium, Silber und Gold. Aluminiumschichten sind empfindlich gegenüber einer allmählichen Oxydation. Aus diesem Grund werden sie in der Regel mit einer Schutzschicht aus z.b. SiO 2 oder MgF 2 überzogen. MgF 2 findet für den UV- und VIS-Bereich Anwendung und SiO 2 für den VIS-NIR-Bereich. Gold beschichtete Spiegel können je nach Anwendung mit und ohne Schutzschicht geliefert werden. Silberbeschichtungen werden vorrangig bei Rückflächenspiegeln aufgetragen. Abhängig von der Wellenlänge liegt die Reflexion zwischen 85 und 98 % eingesetzt. Metallische Spiegelschichten Wellenlängenbereich UV VIS, NIR IR, FIR Standardbeschichtung Aluminium (optional MgF 2-Schutzschicht) Aluminium, Silber (optional mit SiO 2- oder Y 2O 3-Schutzschicht) Gold (optional mit Y 2O 3-Schutzschicht) 19

23 Dielektrische Spiegelschichten Dielektrische Spiegel weisen im Vergleich zu metallischen Spiegeln einen höheren Reflexionsgrad auf und sind mechanisch stabiler, so dass keine Schutzschicht erforderlich ist. Es ist zu beachten, dass dielektrische Schichten eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen und in ihrem Reflexionsverhalten auch abhängig sind vom Polarisationszustand und dem Einfallswinkel. Mit dielektrischen Beschichtungen ist eine sehr große Vielfalt von Reflexionskurven realisierbar. Prinzipiell unterscheiden sich die Schichten nach der Wellenlängenabhängigkeit (V-Typ, Breitband). Spezielle Charakteristika, wie z.b. Optimierung für zwei Wellenlängen oder Kombination mit einer Strahlteilerwirkung können realisiert werden. Dielektrische Spiegelschichten (V-Typ) Spektralbereich Wellenlängenbereich Reflexionsgrad Einfallswinkel 0 UV nm >98,0 % nm >99,5 % VIS nm >99,7 % NIR nm >99,7 % Einfallswinkel 45 UV nm > 97,0 % nm > 98,0 % VIS nm >99,0 % NIR nm >99,0 % Beispiele für Reflexionskurven VIS Spiegel, Einfallswinkel 0 VIS Spiegel, Einfallswinkel 45 UV Spiegel, Einfallswinkel 0 UV Spiegel, Einfallswinkel 45 20

24 5. Planoptik 5.1. Planparallele Platten Planparallele Platten dienen vorrangig als Fenster oder als Substrate für Planspiegel, Filter, Strahlteiler u.a.. In optischen Systemen übernehmen sie die Aufgabe der Erzeugung eines parallelen Strahlversatzes. Eine besondere Gruppe hochwertiger Planplatten sind die Etalons, die als Referenz für Ebenheit oder Parallelität dienen. Planparallele Platten können in den unterschiedlichsten Größen und Formen geliefert werden. Eine Auswahl ist nachfolgend aufgeführt. Rechteck- oder Kreis-Form Elliptische Formen Technische Daten Planparallele Platten Substratmaterial Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm -0,1-0,5 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Parallelität Planität (633 nm) ± 0,1 mm < 3 arcmin 1 λ pro Zoll Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Planparallele Platten können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) ; Parallelität 1 arcsec 21

25 5.2. Fenster / BREWSTER-Fenster Für einfache Fenster gelten die Parameter und Toleranzen der planparallelen Platten. Um Reflexionsverluste zu vermeiden, ist die Vergütung mit einer Antireflexionsschicht in Betracht zu ziehen (siehe auch Kapitel 3). Eine spezielle Fensterart sind die Brewster- Fenster, die die polarisierende Wirkung bei Lichteinfall im Brewster-Winkel ausnutzen. Brewstersches Gesetz: Aus den Fresnelschen Reflexionsgleichungen folgt, dass bei einem definierten Einfallswinkel a β der reflektierte Strahl vollständig linear polarisiert ist (Polarisationsebene entspricht der Einfallsebene). Der transmittierte Strahl enthält beide Komponenten. Brewster-Fenster haben vor allem als Abschluß von aktiven Lasermaterialien (Gaslaser) Bedeutung erlangt, um für eine Polarisationsrichtung Reflexionsverluste zu senken. Die Transmission eines Brewster-Fensters kann ohne Antireflexbeschichtung für einen parallel zur Einfallsebene polarisierten Strahl nahezu 100 % betragen. Technische Daten Fenster / Brewster-Fenster Substratmaterial Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm -0,1-0,5 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Parallelität Planität (633 nm) ± 0,1 mm < 1 arcmin 1 λ pro Zoll Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Brewster-Fenster können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) ; Parallelität 1 arcsec 22

26 5.3. Keilplatten Keilplatten finden z.b. bei störenden Reflexionen an der Rückseite von optischen Fenstern Anwendung. Durch den definierten Keilwinkel werden diese Reflexionen abgelenkt. Mit Keilen ist es auf einfache Art möglich, optische Weglängen durchzustimmen. Keilplatten entsprechen in Ihrer Funktionsweise Prismen mit einem kleinen brechenden Winkel, die dementsprechend eine geringe Ablenkung δ des Lichtes erzeugen. mit δ = ( n 1)γ δ = Ablenkungswinkel γ = Keilwinkel n = Brechungsindex des Keilmaterials Technische Daten Keilplatten Substratmaterial Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm -0,1-0,5 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Kennzeichnung der dicksten Stelle Keilwinkelgenauigkeit Planität (633 nm) ± 0,1 mm Kerbe ± 3 arcmin 1 λ pro Zoll Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Brewster-Fenster können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) ; Winkelgenauigkeit 1 arcsec 23

27 5.4. Streuscheiben Streuscheiben werden in Beleuchtungssystemen zur Verbesserung der Homogenität der Ausleuchtung und als Abbildungsschirm zur Beobachtung realer Abbildungen im optischen Strahlengang verwendet. Streuplatten werden auf einer Seite optisch poliert und die zweite Seite wird mit einer definierten Rauhigkeit gefertigt, die eine diffuse Streuung des Lichtes bedingt. Technische Daten Streuscheiben Substratmaterial Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte B mm -0,1-0,2 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Dickentoleranz Fassung ± 0,1 mm Diffusionsplatten können, angepasst an die Anforderungen auch aus anderen Materialien, z.b. N-BK7 oder Quarzglas gefertigt werden. Eine andere Möglichkeit Streuscheiben zu fertigen basiert auf dem Milchüberfangglas. Das von der Schott-DESAG AG hergestellte Milchüberfangglas ist ein maschinengezogenes Zweischichtglas, bestehend aus einem farblosen Grundglas, das als Trägermaterial einer dünnen weißfarbigen Überfangschicht dient. Der Transmissionsgrad liegt im visuellen Spektralbereich um 30 %. Das Glas ist annähernd ideal streuend, d.h. die winkelabhängige Streuung stellt sich grafisch angenähert als Kreis dar. 24

28 6. Prismen Prismen stellen die differenzierteste Gruppe optischer Komponenten dar. Im allgemeinen sind Prismen transmittierende optische Komponenten, die durch zwei Flächen begrenzt werden, die durch eine dritte Fläche (die Basis) geschnitten werden und den sogenannten Brechungswinkel γ einschließen. Von der Anwendung her lassen sich zwei Prismengruppen unterscheiden : Dispersionsprismen Reflexionsprismen 6.1. Dispersionsprismen Beim Durchgang durch ein Dispersionsprisma wird ein einfallendes Lichtbündel durch die Brechung an zwei nichtparallelen Flächen von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Da die Stärke der Ablenkung von der Wellenlänge abhängt, ist es möglich, polychromatisches Licht spektral zu zerlegen. Die spektrale Auflösung wird u.a. bestimmt durch die Dispersionsstärke. Unter der Dispersion des Glases wird die Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge dn /dλ verstanden. Ein Maß für die Dispersion liefert die Abbesche Zahl ν e. Eine hohe Abbesche Zahl bedeutet geringe Dispersion. ne 1 ν e = n n F ' C' n e - Hauptbrechzahl λ= 546,1 nm n F ' - Brechzahl bei λ = 479,99 nm n C ' - Brechzahl bei λ = 643,85 nm 25

29 Typische Materialien für Dispersionsprismen Material ν e n e N-BK7 63,96 1,51872 F2 36,11 1,62408 N-SF10 28,19 1,73430 Quarzglas 69,00 1,46018 Die Gläser sind allerdings nur für den sichtbaren und nahen infraroten Bereich (bis 2 µm) geeignet. Für den ultravioletten Spektralbereich bis 200 nm werden CaF 2, LiF oder Quarzglas verwendet. Typische Materialien für den IR-Bereich sind CaF 2, Silizium, Germanium, KBr und NaCl. Strahlendurchgang durch ein Dispersionsprisma γ ε 1 ε 2 δ - Brechender Winkel - Einfallswinkel - Ausfallswinkel - Ablenkwinkel Formelauswahl für die Berechnung des Strahlengangs beim Durchgang durch ein Dispersionsprisma Bündelablenkung δ Es gelten die Winkelbeziehungen : δ 1 = ε 1 ε 1 δ 2 = ε 2 ε 2 γ = ε 1 + ε 2 δ = δ 1 +δ 2 Daraus folgt für die Ablenkung δ δ = ε 1 + ε 2 γ Minimale Ablenkung δ min δ min. = 2 arc sin (n sin γ 2 ) γ entspricht einem symmetrischen Strahlendurchgang ε 1 = ε 2 = γ 2 Winkeldispersion (Maß für die Auffächerung) γ 2 sin dδ dδ dn' d = = 2 n' dλ dn' dλ γ dλ n' sin 2 Für dn /dλ kann näherungsweise n / λ eingesetzt werden. Spektrales Auflösungsvermögen λ = δ d λ a d dλ λ = b dn dλ dλ a Lichtbündelbreite b Basis des voll ausgeleuchteten Prismas Beispiele für einige optische Gläser Material Spektrale Auflösung N-BK7 125 F2 273 N-SF γ=60 ; a=2 mm ; n =(n F +n C )/2 26

30 Fraunhoferlinien Hg Hg Hg Cd H Hg H e N a Cd H He K i h g F F e d D C C r A Wavelengths UV violet blue blue green green yellow green yellow orange red Spectral colors nm Auf Grund ihrer exakt definierten Wellenlängen werden die Fraunhoferlinien oft zur Bestimmung der Brechzahl und der Dispersion (Abbesche Zahl) von optischen Materialien genutzt. Gleichseitiges Dispersionsprisma (60 -Prisma) Gleichseitige Prismen zeichnen sich durch die drei 60 Winkel aus. Dieser Prismentyp ist die Standard- variante für die Dispersion eines polychromatischen Lichtstahls. Gleichschenkliges Dispersionsprisma (30 -Prisma) Gleichschenklige Prismen weisen einen Brechungswinkel von 30 auf. LITTROW-Prisma LITTROW-Prismen verbinden die spektrale Zerlegung des Lichtes mit einer Umkehrung des Strahlengangs. Die Umkehrung erfolgt über die Reflexion an der verspiegelten Rückseite. 27

31 PELLIN-BROCA-Prisma Das PELLIN-BROCA-Prisma ist ein Dispersionsprisma, das neben der spektralen Zerlegung eine zusätzliche Strahlablenkung um 90 realisiert. Eine Drehung des Prismas um die Achse A ermöglicht ein Durchstimmen der Wellenlänge. Licht, das im Brewsterwinkel einfällt, verlässt dieses auch wieder im Brewsterwinkel, daher passiert ein Lichtstrahl der parallel zur Einfallsebene polarisiert ist das Prisma ohne wesentliche Reflexionsverluste. BREWSTER-Prisma Wenn mit polarisiertem Licht gearbeitet wird, empfiehlt sich die Verwendung von BREWSTER-Prismen. Für die parallel zur Einfallsebene polarisierte Komponente treten nahezu keine Reflexionsverluste auf, wenn die Einstrahlung im Brewsterwinkel α B erfolgt. AMICI-Prisma (Geradsichtprisma) AMICI-Prismen bewirken eine spektrale Zerlegung polychromatischen Lichtes, wobei für eine definierte zentrale Wellenlänge keine Strahlablenkung erfolgt. Die Prismen bestehen aus zwei unterschiedlichen Materialien A und B. Typische Materialkombinationen sind A - Flintglas und B - Kronglas. 28

32 Technische Daten Dispersionsprismen Material Maßbereich (Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm ± 0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Winkelgenauigkeit Pyramidalfehler ± 10 arcmin ± 10 arcmin Planität (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Prismen können, angepasst an die Anforderungen auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : ; λ/10 (633 nm) ; Winkelgenauigkeit ca. 3 arcsec 6.2. Reflexionsprismen Reflexionsprismen entsprechen in ihrer Wirkungsweise ebenen Spiegeln. Sie dienen der Strahlablenkung oder der Änderung der Bildlage (Drehung bzw. Umkehr) gegenüber der Objektlage. Reflexionsprismen bestehen aus Glaskörpern mit allseitig planen Flächen. Diese Flächen können verspiegelt sein, oder aber ihre reflektierende Wirkung durch die Totalreflexion erhalten. Es gibt eine große Vielfalt an Prismen, die sich in verschiedene Funktionsgruppen einteilen lassen: 1. Ablenkung des Lichtes ohne Änderung der Bildlage 2. Ablenkung des Lichtes mit Seitenvertauschung 3. Ablenkung des Lichtes mit vollständiger Umkehr der Bildlage (Seiten- und Höhenvertauschung) 4. Ablenkung und Bilddrehung (typisch 90 ) Nachfolgend ist eine Auswahl an Prismen aufgeführt. Diese erhebt bei weitem keinen Anspruch auf Vollständigkeit und deckt auch nicht unsere Fertigungsmöglichkeiten ab. Wenn Sie spezielle Prismen benötigen, übermitteln Sie uns bitte Ihre Anforderungen oder die zu realisierende Aufgabenstellung. Halbwürfelprisma Das Halbwürfelprisma wird vor allem zur 90 - Umlenkung verwendet. In diesem Fall erfolgt der Strahleintritt durch eine Kathetenfläche und die Reflexion an der verspiegelten Hypotenuse. Der Lichteinfall durch die Hypotenuse mit zweimaliger Reflexion an den beiden Katheten bewirkt eine Strahlumkehr (PORRO-Prisma). 29

33 BAUERNFEIND-Prisma BAUERNFEIND-Prismen dienen der Strahlablenkung ohne Seiten- und Höhenvertauschung des Bildes. Der Ablenkwinkel δ hängt ab vom Winkel γ zwischen der Eintritts- und der ersten Reflexionsfläche. Typische Ablenkwinkel sind 45 und 60 (45 - bzw. 60 -Prisma). In jedem Fall muß die längere Kathetenfläche des Prismas verspiegelt werden, da keine Totalreflexion auftritt. DOVE-Prisma Dieses Prisma bewirkt eine Drehung des Bildes, ohne dass ein parallel zur Hypotenuse einfallendes Lichtbündel eine Richtungsänderung erfährt. Wird das Prisma gegenüber dem Objekt gedreht, erfährt das Bild eine Drehung um den doppelten Drehwinkel. Pentagon-Prisma Das Pentagon-Prisma dient der 90 -Ablenkung. Sein Vorteil gegenüber dem Halbwürfelprisma besteht darin, dass die Ablenkung unempfindlich gegenüber einer geringfügigen Änderung des Einfallswinkels ist. Das Bild ist weder seiten- noch höhenvertauscht. Im Pentagon-Prisma erfolgt keine Totalreflexion. Aus diesem Grund müssen die reflektierenden Flächen verspiegelt werden. 30

34 Dachkantprisma Das Dachkant-Prisma, auch bezeichnet als AMICI- Dachkant-Prisma oder Rechtwinkeldachprisma, dient der Strahlumlenkung um 90 mit Bildumkehr. Es stellt eine Kombination aus einem gewöhnlichen, rechtwinkligen Prisma und einer auf der Hypotenusenseite aufgesetzten Dachkante dar. Durch den Dachkant-Prismenteil, wird das Bild in der Mitte gespalten und die Seiten werden vertauscht. Tripelprisma Bei einem Tripelprisma sind drei Reflexionsflächen senkrecht zueinander angeordnet (wie die Seitenflächen einer Würfelecke). Die Einfallsstrahlen werden unabhängig vom Einfallswinkel parallel zu sich, aber mit entgegengesetztem Richtungssinn, reflektiert. Zur Erhöhung der Intensität der reflektierten Strahlung ist die Anordnung von mehreren Prismen nebeneinander möglich. Aus diesem Grund wird die Eintritts- und Austrittsfläche in einer hexagonalen Form gefertigt. In diesen Prismen wird die Totalreflexion ausgenutzt. Eine Verspiegelung ist deshalb möglich aber nicht notwendig. Rhomboid-Prisma (Off-Set-Prisma) Das Rhomboid-Prisma dient dem parallelen Versatz des Bildes, ohne seine Orientierung und die Strahlrichtung zu ändern. 31

35 ABBE-KÖNIG-Prisma Dieses Prisma nutzt das Umkehrsystem nach ABBE-KÖNIG und wird für eine Bildaufrichtung. eingesetzt. Es besteht aus zwei verkitteten Prismen mit einer zusätzlichen Dachkante zur vollständigen Bildumkehr. Technische Daten Reflexionsprismen Material Maßbereich (Kantenlänge) Maßtoleranz Standardwerte mm ± 0,1 mm Aktive Fläche (Freie Apertur) 90 % Winkelgenauigkeit Pyramidalfehler ± 10 arcmin ± 10 arcmin Planität (633 nm) λ/4 Oberflächenqualität (scratch dig) Beschichtung Fassung Prismen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 20-10; λ/10(633 nm), Winkelgenauigkeit ca.3 arcsec 32