HANDOUT. Vorlesung: Glasanwendungen. Optische Eigenschaften dünner Glasschichten

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Glasanwendungen Optische Eigenschaften dünner Glasschichten Leitsatz: , und Reflection is a commonplace phenomenon and the appearance of a solid is often dominated by reflection. As well as modifying the perceived colour of a body in terms of surface gloss, reflection as such can give rise to a surprising range of colours. The most vivid of these are associated with the presence of reflection by thin transparent films." Quelle: GlAn-1, S. 91

2 Glasanwendungen Optische Eigenschaften dünner Glasschichten Ziele Optische Eigenschaften dünner Glasschichten physikalisch begründen und anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele mechanistisch herleiten können. ð Reflexions-Brechungsgesetz herleiten können ð Farbe und Reflexion dünner Glasschichten begründen können ð Wirkungsweise von Antireflexschichten erklären können ð Anwendungsbeispiele dünner Glas-Mehrschichtsysteme mechanistisch ableiten können Inhalte Wechselwirkungen an Grenzflächen von Gläsern Reflexions-Brechungsgesetz Farbe und Reflexion dünner Glasschichten Interferenzfarben Antireflexschichten λ/4-schichten, Mehrfachreflexionen, gradierte AR-Schichten, AR- GRIN-Oberflächen Dünne Mehrschichtsysteme aus Glas Dielektrische Spiegel Interferenz-Filter, Bragg-Reflektoren, Faser- Bragg-Gitter, Wärmeschutzverglasung Lerntfafel 1

3 Wechselwirkungen an Grenzflächen von Gläsern (Wiederholung) Durchgang von Licht Durch eine ebene Grenzfläche, die zwei Medien mit Brechungsindex n e und n t trennt. Das Licht soll aus dem Medium mit Brechungsindex ne einfallen. u n ist der Einheitsvektor senkrecht auf der Grenzfläche. Die Winkel θ i sind die Winkel zwischen den Wellenvektoren k i und dem Normalenvektor. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Änderung der Lichtausbreitung durch Brechung: (a) Einfall vom optisch dünneren herm Brechung zum Lot, (b) Einfall vom optisch dichteren Medium her, Brechung zum Lot. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Zur Herleitung der Fresnel schen Gleichungen. Gezeigt ist der Fall der (transversal elektrischen)- TE- Polarisation (a), d.h. das elektrische Feld steht senkrecht auf der Streuebene, und der Fall der (transversal magnetischen)-tm-polarisation (b), d.h. das magnetische Feld steht senkrecht auf der Streuebene (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN )

4 Amplitudenreflexionskoeffizient für eine Luft/Glas-Grenzfläche (n Glas = 1,5) als Funktion des Einfallwinkels bei Einfall vom (a) optisch dünneren Medium (äußere Reflexion) und (b) optisch dichteren Medium (innere Reflexion) (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Reflexionsgrad für eine Luft/Glas-Grenzfläche (n Glas = 1,5) als Funktion des Einfallwinkels bei Einfall vom (a) optisch dünneren Medium (äußere Reflexion) und (b) optisch dichteren Medium (innere Reflexion) (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN )

5 Lichteinfall auf eine Grenzfläche unter dem Brewster-Winkel: (a) Transmittierter und reflektierter Strahl stehen senkrecht aufeinander. (b) Nimmt man an, dass der reflektierte Strahl durch oszillierende Dipole der Grenzschicht erzeugt wird, so erfolgt in Richtung k r (Schwingungsrichtung des Dipols) keine Emission, da die Abstrahlung eines Dipols eine cos 2 θ- Gesetz folgt. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Fortpflanzungsvektoren bei der inneren Reflexion. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Zur Veranschaulichung evaneszenter Wellen: Fällt aus einem optisch dichteren Medium Licht auf die Grenzfläche, so bildet sich für θ e >θ T im Bereich der Grenzschicht eine Oberflächenwelle aus. Nähert man ein zweites dichtes Medium dieser Grenzfläche (gestrichelter Bildteil), so kann dadurch ein Teil des Lichts den verbotenen Bereich des optisch dünneren Mediums durchtunneln und sich im zweiten Medium weiter ausbreiten. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN )

6 Typisches Beispiel für einen Strahlteiler auf der Basis des optischen Tunnelns. Ein solcher Strahlteiler wird zum Beispiel dazu verwendet, um durch ein Mikroskop hindurch zu fotografieren. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Phasenverschiebung bei Totalreflexion. Die Rechnung wurde für eine Glas/Luft-Grenzfläche (n e =1,5 und n t =1) durchgeführt. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Reflektivität verschiedener Metallschichten als Funktion der Wellenlänge. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN )

7 Reflexionsgrad einer absorbierenden Schicht bei Einfall aus der Luft (ne=1). Für einen festen Realteil n R =1,5 des Brechungsindex wurde der Imaginärteil γ von γ =0 bis γ =4 variiert. (γ entspricht der Dämpfung) (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN ) Lerntfafel 2 Farbe und Reflexion dünner Glasschichten Interferenzfarben dünner Schichten: Seifenblasen (links), MoO 3 -Schichten (Mitte). Beide Schichten werden in reflektiertem weißem Licht betrachtet. Die aus einer dünnen Schicht in Luft reflektierte Lichtintensität bei verschiedenen Wellenlängen als Funktion der optischen Wegdifferenz zwischen den beiden interferierenden Strahlen. [GlAn-1, S. 101]

8 Lerntfafel 3 Antireflexschichten Reflektivität einer λ/4 -Schicht aus Magnesiumdifluorid- Antireflexbeschichtung aus einer Glasoberfläche mit einem Brechungsindex von 1,52. Die Einsatzwellenlänge für diese Schicht liegt bei 550 nm bei senkrechter Inzidenz. [GlAn-1, S. 106] (a) Mehrfachreflexionen in einer Fotoresistschicht auf einem Siliciumsubstrat (a) und Antireflexbeschichtung zwischen Fotoresist und Silicium: Auslöschung der reflektierten Anteile durch (destruktive) Interferenz zur Steigerung des Wirkungsgrades. [GlAn-1, S. 107] Optische Eigenschaften von Si-O-N-Schichten bei λ=248 nm als Funktion der Zusammensetzung [GlAn-1, S. 107]

9 Ein schaumartig aufgebauter Oberflächenfilm kann als Antireflexbeschichtung wirken. Die Reflektivität der Schicht wird bestimmt, indem die Oberfläche in eine große Anzahl paralleler Schichten aufgeteilt wird und für jede Schicht der Brechungsindex bestimmt wird. Der mittlere Brechungsindex der muss der Wurzel des Brechungsindex des Substrates entsprechen, um ein ideales Antireflexverhalten zu erzielen. [GlAn-1, S. 108] Antireflektive GRIN Struktur an der Oberfläche des Auges eines Morpho- Falters (links). Die Oberfläche eines Mottenauges kann als Antifeflexschicht wirken (rechts). [GlAn-1, S. 109] Funktionsprinzip eines interferenzmodulierten Displays (IMOD): (a) Reflexion des Lichts mit zwei parallelen Spiegeln (a Fabry Perot Interferometer); (b) Veränderung des Abstandes der Spiegel bewirkt unterschiedlicher Pixelfarbe. [GlAn-1, S. 111]

10 Lerntfafel 4 Dünne Mehrschichtsysteme aus Glas Stapel einzelner dünner Schichten mit der Dicke λ /4 ( quarter-wave stack ) als effizienter dielektrischer Spiegel. Die Reflektivität nimmt mit zunehmender Anzahl der Schichtpaare zu und nähert sich schnell dem Wert 1,0 (n H : hoher Brechungsindex, n L : niedriger Brechungsindex).[GlAn-1, S. 112] Verlauf des Reflexionsgrades eines λ/4 -Mehrlagenstacks als Funktion der Wellenlänge bei senkrechter Inzidenz. [GlAn-1, S. 113] Reflektivität eines Stapels von4 λ/4-dünnschichten auf einem Glassubstrat an gegenüber Luft. Die Dicke der einzelnen Schichten ist konstant mit Ausnahme der Schicht, die der Glasseite gegenüber liegt mit Werten von (a) 30 nm, (b) 24 nm, (c) 18 nm, (d) 12 nm. Der Stapel (d) zeigt nahezu ideales Antireflexionsverhalten. [GlAn- 1, S. 114]

11 Silberfarbener Fritillary Schmetterling (Argynnis paphia). Die silberne Farbgebung der Flügel resultiert aus einer Reflexion eines ungeordneten Dünnschicht-Mehrlagen-Staples (verteilte Bragg-Reflektoren). [GlAn-1, S. 115] Transmissionsverläufe von dielektrischen Multilagenfilter: (a) Kurzpassfilter; (b) Langpassfilter; (c) Bandpassfilter. [GlAn-1, S. 116] FBGs. (a) Periodische Modulation des Brechungsindex im Kern einer optischen Faser. (b) Die einfachste Stufenmodulation des Brechungsindex. Dabei sind die Brechungsindizes des Mantels, des Kerns und der modifizierten Kern mit n 1, n 2 und n 3 bezeichnet. [GlAn-1, S. 117]

12 Herstellung von FBGs: (a) Interferenz zweier UV-Lichtstrahlen; (b) Beugungsmuster mit Hilfe einer Maske. [GlAn-1, S. 118] Schematische Darstellung des Hinzufügens und des Auslöschens eines optischen Signals aus einer Faser mit Hilfe eines FBG. [GlAn-1, S. 119] Beschichtungen für eine Wärmeschutzverglasung: (a) Die Beschichtung wird an der Innenseite einer Doppelverglasung angebracht (möglichst nahe zur Raumseite); (b) eine weiter Dünnschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex wird häufig zur Reduktion von Reflexionen erzeugt. Zusätzlich fungiert die Schicht als Farbunterdrückungsschicht. [GlAn-1, S. 120]

13 Blaue Farbe der Flügel des Schmetterlings P. icarus. Lediglich einige reflektierende Strukturen erzeugen eine blaue Farbe. Die blaue Färbung resultiert aus der Reflektivität als Folge des multiplen Aufbaus innerer poröser Schichten. Die gelb-braunen Strukturen tragen Melanin Pigmente. [GlAn-1, S. 123/124]