Rainer Schuhmann www.berlinerglas.de schuhmann@berlinerglas.de
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Berliner Glas - Business Unit Industrial Solutions Produkte: Optische Komponenten und Systeme
Inhalt Analyse und Qualitätsbewertung Allgemeines / Anwendungen Optische Wirkung dünner Schichten Spiegel Entspiegelung Winkelabhängigkeit Strahlteilersysteme Materialien Beschichtungsverfahren Besondere Eigenschaften Anwendungsbeispiele
Allgemeines Analyse und Qualitätsbewertung Wirkung dünner Schichten (einzeln oder als System): Beeinflussung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften optischer Flächen
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
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
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 %
Dielektrische Spiegel HR Coating Transmittance (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 Wavelength (nm) Transmittance (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength (nm) Spektrale Transmission eines hochreflektierenden Spiegels Spektrale Transmission eines Zwei-Wellenlängen-Spiegels
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=112.25 nm keine vollständige Entspiegelung möglich! Reflectance (%) 10 8 6 4 BK7 unbeschichtet AR auf BK7 F2 LaSF14A 2 0 400 500 600 700 Wavelength (nm) Spektrale Reflexion einer λ/4 Schicht
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 (%) 10 8 6 4 2 BK7 unbeschichtet AR auf BK7 0 400 500 600 700 Wavelength (nm) Spektrale Reflexion einer Breitband-AR-Schichtung
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 (%) 10 8 6 4 2 BK7 unbeschichtet AR auf BK7 0 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength (nm) Spektrale Reflexion einer 2WL-AR-Schichtung
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 (%) 10 8 6 4 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 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Incident Angle (deg) Winkelabhängige Reflexion einer Einfach-AR-Beschichtung
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 (%) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 R avg R p R s 0 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 Wavelength (nm) Spektrale Reflexion eines nicht-polarisierenden Strahlteilers
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 (%) 100 80 60 40 20 45 T p 45 T s 0 AOI 0 500 600 700 800 Wavelength (nm) Polarisationsaufspaltung eines Kantenfilters
Strahlteilersysteme Strahlteilerwürfel Teilung zu 0 und 90 Teilerschichtzwischen zwei Glasprismen unter 45 nichtpolarisierende Neutralstrahlteiler Polarisierende Strahlteiler hoher Effizienz mit PER > 10.000 : 1 breitbandig PER > 100.000 : 1 λ-selektiv PER polarization extinction ratio
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
Materialien für dielektrische Beschichtungen Auswahl Material Fluoride Transmissionsbereich [nm] Material Fluoride Brechungsindex Transmissionsbereich [nm] Brechungsindex NaF > 200 1.29-1.30 SiO2 200-9000 1.45-1.46 LiF 110-7000 1.30 Al2O3 200-7000 1.54 CaF2 150-12000 1.23-1.46 MgO 200-8000 1.7 AlF3 > 200 1.23 Y2O3 300-12000 1.89 MgF2 110-4000 1.32-1.39 LaO3 > 300 1.98 ThF4 200-15000 1.50 CeO2 400-12000 2.2 LaF3 250-2000 1.55 ZrO2 340-12000 1.97 CeF3 300-5000 1.63 SiO2 700-9000 2 ZnO > 400 2.1 TiO2 400-3000 1.9 Materialeigenschaften - Brechzahl abhängig vom Beschichtungsprozess - Absorption ist zu berücksichtigen - DUV-Anwendung: nur Fluoride
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
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
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
Technologie Sputter-Anlage APS-Anlage
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
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
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
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
Beispiel: Anti-Reflex-Laser-Beschichtung Laser Monochromat f40 / Ø8.0 / HFOV 5 3 Linsen 6 Glas-Luft-Flächen (Fused Silica) unbeschichtet Transmission vs. Wellenlänge
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
Inhalt Analyse und Qualitätsbewertung Allgemeines / Anwendungen Optische Wirkung dünner Schichten Spiegel Entspiegelung Winkelabhängigkeit Strahlteilersysteme Materialien Beschichtungsverfahren Besondere Eigenschaften Anwendungsbeispiele
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