Beschichtung optischer Komponenten
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- Helmut Armbruster
- vor 8 Jahren
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Transkript
1 Rainer Schuhmann
2 Berliner Glas Business Units - Market Segments Semicon Medical Applications Geosystems/ Metrology Industrial Solutions Defense Technical Glass Lithography/ EUV Inspection equipment Ophthalmology Dentistry Dermatology Endoscopy Fluorescence diagnostic Geodesy instrumentation Photogrammetry Laser tracker Scanning devices Quality control devices Space Film technology Printing technology Laser technology Analytics Day/Night observation Distance measurement Thermal imaging TV & Public Monitor & Mobile Glass for Devices Surface Technology
3 Berliner Glas - Business Unit Industrial Solutions Produkte: Optische Komponenten und Systeme
4 Inhalt Analyse und Qualitätsbewertung Allgemeines / Anwendungen Optische Wirkung dünner Schichten Spiegel Entspiegelung Winkelabhängigkeit Strahlteilersysteme Materialien Beschichtungsverfahren Besondere Eigenschaften Anwendungsbeispiele
5 Allgemeines Analyse und Qualitätsbewertung Wirkung dünner Schichten (einzeln oder als System): Beeinflussung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften optischer Flächen
6 Funktionsarten dünner Schichten Optische Anwendungen Analyse und Qualitätsbewertung Verspiegelung Entspiegelung Strahlteilung Filter Metallspiegel breitbandig HR High Reflexion Coatings Laserspiegel extrem verlustarm AR Anti-Reflexion Coatings Linsen Planflächen superbreitbandig für diskrete Wellenlängen ST-Platten breitbandig verlustarm BS Beam Splitter Coatings ST-Würfel breitbandig polarisierend Breitband-Coatings Schmalband-Coatings V-coatings W-coatings Interferenzfilter Kantenfilter Notch-Filter PR Partial Reflexion Coatings Laser-Auskoppelspiegel Farbteiler-Prismensysteme
7 Funktion dünner Schichten Optische Wirkung: Interferenz Reflexionsgrade aus Fresnel-Gleichungen R L = S n S n S+ n L n L 2 R S = G n G n G+ n S n S 2 einfallendes Licht reflektiertes Licht an Grenzschicht Luft-Schicht an Grenzschicht Schicht-Substrat Konstruktive oder destruktive Interferenz: R = L S ϕ = 2 π λ R S G 2 n d Entspiegelung: S S Amplitudenbedingung Phasenbedingung n d n n S = G ϕ = π = λ S S 4 n n und n d Verspiegelung: S> G ϕ = π S S und = 4 λ d S Medium Luft n L = 1.0 Schicht n S Substrat Glas n G transmittiertes Licht Beachte: Phasensprung an Grenzflächen
8 Spiegel Spiegel Metallspiegel sehr breitbandig Rückflächenspiegel Schutz durch Substrat Vorderflächenspiegel mit zusätzlicher Schutzschicht (MgF 2 ) VIS bis IR: R > 85 % (Al), R > 96 % (Ag, Au) Dielektrische Spiegel prinzipiell: Reflexionserhöhung durch hochbrechende λ/4-schicht Problem: transparente hochbrechende Materialien Stapel mit etwa 20 bis 50 Schichten typisch: Wechsel aus niedrig-(l) und hochbrechenden (H) λ/4-schichten ([HL] N H-System ) für bestimmte λ-bereiche: R > 99.5 %
9 Dielektrische Spiegel HR Coating Transmittance (%) Wavelength (nm) Transmittance (%) Wavelength (nm) Spektrale Transmission eines hochreflektierenden Spiegels Spektrale Transmission eines Zwei-Wellenlängen-Spiegels
10 Entspiegelung AR Coating Einfachschicht Fresnelsche Formeln Amplituden-und Phasenbedingung für λ/4-schicht für Glasfläche (n 3 =1.5 BK7) in Luft (n 1 =1.0) bei λ=550nm ergibt sich Schicht mit n 2 =1.225 / d= nm keine vollständige Entspiegelung möglich! Reflectance (%) BK7 unbeschichtet AR auf BK7 F2 LaSF14A Wavelength (nm) Spektrale Reflexion einer λ/4 Schicht
11 Entspiegelung AR Coating Mehrfachschichten Schichtanzahl > 2 Wechsel zwischen niedrig-, mittel- und hochbrechenden Materialien (L, M, H) Standard: 3-Schichtsystem λ/4 M - λ/2 H - λ/4 L breitbandige Entspiegelung (Multi-Coating/ MC) 6 Schichten und mehr Reflectance (%) BK7 unbeschichtet AR auf BK Wavelength (nm) Spektrale Reflexion einer Breitband-AR-Schichtung
12 Entspiegelung AR Coating Mehrfachschichten Doppelschwerpunkt- AR-Beschichtung extrem niedrige Restreflexionen für 2 Wellenlängen R < 0.2 % Beispiel für YAG-Laser (1064 nm) und Justierlaser (633 nm) Reflectance (%) BK7 unbeschichtet AR auf BK Wavelength (nm) Spektrale Reflexion einer 2WL-AR-Schichtung
13 Winkelabhängigkeit der Reflexion an Grenzschicht gilt: R = R(α), T = T(α) Minimierung oder Nutzung durch spezielle Coatings Einfach-AR-Beschichtung Aufspaltung in senkrecht und parallel polarisierte Anteile Reflectance (%) R s R p für Standard-Coatingsgilt: R s (α) R p (α) R p,min = R p,min (α,λ) R s-band = R s-band (α) R p-band = R p-band (α) 2 R avg Incident Angle (deg) Winkelabhängige Reflexion einer Einfach-AR-Beschichtung
14 Strahlteilersysteme Teilung von Lichtbündeln in 2 oder mehrere Teilbündel Strahlteilerplatten Strahlteilerwürfel Teilerprismensysteme Polarisationseffekte i. A. R s R p durch spezielle Coatings Minimierung der Polarisationsaufspaltung für bestimmte λ Reflectance (%) R avg R p R s Wavelength (nm) Spektrale Reflexion eines nicht-polarisierenden Strahlteilers
15 Strahlteilersysteme Polarisation an einem Kurzpass-Kantenfilter nicht-polarisierend für α= 0 für α= 45 Aufspaltung in T s und T p polarisierender Strahlteiler für λ= 560 nm Transmittance (%) T p 45 T s 0 AOI Wavelength (nm) Polarisationsaufspaltung eines Kantenfilters
16 Strahlteilersysteme Strahlteilerwürfel Teilung zu 0 und 90 Teilerschichtzwischen zwei Glasprismen unter 45 nichtpolarisierende Neutralstrahlteiler Polarisierende Strahlteiler hoher Effizienz mit PER > : 1 breitbandig PER > : 1 λ-selektiv PER polarization extinction ratio
17 Dünne Schichten Materialien einfache Spiegel meist nicht transparente Metallschichten Schichtdicken ohne Bedeutung Entspiegelungen, hochwertige Verspiegelungen, Strahlteilungen spezielle, optisch transparente Dielektrika (Oxide, Fluoride, Sulfide) Schichtdicken in der Größenordnung der Lichtwellenlänge λ
18 Materialien für dielektrische Beschichtungen Auswahl Material Fluoride Transmissionsbereich [nm] Material Fluoride Brechungsindex Transmissionsbereich [nm] Brechungsindex NaF > SiO LiF Al2O CaF MgO AlF3 > Y2O MgF LaO3 > ThF CeO LaF ZrO CeF SiO ZnO > TiO Materialeigenschaften - Brechzahl abhängig vom Beschichtungsprozess - Absorption ist zu berücksichtigen - DUV-Anwendung: nur Fluoride
19 Beschichtungsverfahren Übersicht Thermisches Verdampfen: - Materialverdampfung und Konsensation auf Substrat - Materialien: Sulfide, Fluoride, wenig Oxide, Metalle Reaktives Verdampfen: - zusätzliche Zuführung von Sauerstoff - Materialien: Oxide Ionen-unterstützes Verdampfen - zusätzliche Erzeugung eines Plasma mittels Ionenquelle - Materialien: Oxide Sputtern - Herausschlagen Atomen aus Target durch Ionen (Plasma), Niederschlag auf Substrat - Materialien: Oxide, Nitride, Metalle Weitere: - IBS Ion Beam Sputtering - CVD Chemical Vapor Deposition - Dip Coating
20 Beschichtungsverfahren Thermisches Verdampfen Prinzip: - Überführung des Bedampfungsmaterialsmittels Heizwendel oder Elektronenstrahl in die Gasphase - Kondensation des Dünnschichtmaterials auf kühlerem Substrat Vorteile des Verfahrens: - hohe Flexibilität - preisgünstig Substratanordnung: - in Kalotte Prozessführung: - Substratheizung bis 300 C - Schichtdickenmessung über Schwingquarz (Aufdampfrate) - Photometer: Breitband-Monitoring in-situ-prozesskontrolle Online-Optimierung
21 Beschichtungsverfahren Ionen-unterstütztes Verdampfen Prinzip: - zusätzliches Einbringen von Argon-Gas - Argon wird ionisiert, Plasma entsteht - Ionenbeschuss: - zusätzlicher Energieeintrag - Anregung der Sauerstoffreaktion - dichtes Schichtwachstum Vorteile des Verfahrens: - kompakte Schichten (hohe Dichte) - keine Wasseraufnahme - kein thermischer Shift - höhere Brechungsindizes erreichbar - bessere Konstanz der Brechungsindizes - bessere Schichtdickenerreichbarkeit - Kalt-Bedampfungmöglich
22 Technologie Sputter-Anlage APS-Anlage
23 Besondere Eigenschaften Optische Eigenschaften - Reflexion, Transmission - Polarisation - Absorption (im Material, an Grenzschichten) Laserfestigkeit - Laserzerstörschwelle LIDT -Langzeitstabilität (Dosierung) Oberflächengüte -Mikrorauheit σ RMS - Streulicht TS, TIS Mechanische Eigenschaften: - Haftung - Spannungen (Stress) - Rissbildung - Verformung des Substrats - Umweltresistenz -Härte Temperaturstabilität: - Thermischer Shift durch Brechzahländerung
24 Beispiel: Breitband-Anti-Reflex-Beschichtung Transmission vs. Wellenlänge Doppel-Gauß-Objektiv f/1.5 HFOV 23 5 Krongläser 9 Glas-Luft-Flächen 2 Flintgläser 2 Kittflächen unbeschichtet Transmission vs. Apertur
25 Beispiel: Breitband-Anti-Reflex-Beschichtung Transmission vs. Wellenlänge Doppel-Gauß-Objektiv f/1.5 HFOV 23 5 Krongläser 9 Glas-Luft-Flächen 2 Flintgläser 2 Kittflächen AR Single Coating Transmission vs. Apertur
26 Beispiel: Breitband-Anti-Reflex-Beschichtung Transmission vs. Wellenlänge Doppel-Gauß-Objektiv f/1.5 HFOV 23 5 Krongläser 9 Glas-Luft-Flächen 2 Flintgläser 2 Kittflächen AR Multi-Coating Transmission vs. Apertur
27 Beispiel: Anti-Reflex-Laser-Beschichtung Laser Monochromat f40 / Ø8.0 / HFOV 5 3 Linsen 6 Glas-Luft-Flächen (Fused Silica) unbeschichtet Transmission vs. Wellenlänge
28 Beispiel: Anti-Reflex-Laser-Beschichtung Laser Monochromat f40 / Ø8.0 / HFOV 5 6 Linsen 6 Glas-Luft-Flächen (Fused Silica) Single Wavelength AR Coating 1090 nm / High Power Transmission vs. Wellenlänge
29 Inhalt Analyse und Qualitätsbewertung Allgemeines / Anwendungen Optische Wirkung dünner Schichten Spiegel Entspiegelung Winkelabhängigkeit Strahlteilersysteme Materialien Beschichtungsverfahren Besondere Eigenschaften Anwendungsbeispiele
30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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