UV-Optiken: Engere Toleranzen und andere Materialien

Das UV-Problem – strengere Oberflächenspezifikationen

Das Hauptproblem bei der Optikfertigung für das UV-Spektrum sind die Oberflächentoleranzen, die deutlich kleiner sein müssen als bei Optiken für das sichtbare und IR- Spektrum. Die standardmäßige P-V Unregelmäßigkeitstoleranz für Präzisionslinsen liegt bei λ/10, die benötigte physische Genauigkeit bei der Fertigung hängt damit von der Einsatzwellenlänge der Optik ab. Da diese Toleranz für eine feste Wellenlänge von 632,8 nm angegeben ist, bezieht sich λ/10 unabhängig von der Designwellenlänge auf diese.

Bei kurzen UV-Wellenlängen sind die Eigenschaften schlechter. Bei einer Linse für λ = 308 nm darf z.B. die Unregelmäßigkeitstoleranz nur halb so groß sein wie bei einer für 632,8 nm, wenn die Wellenfrontverzeichnung gleich bleiben soll. Das gleiche Prinzip gilt auch für optische Beschichtungen. Die Dicke einfacher Beschichtungen beträgt in der Regel ¼ oder ½ der Wellenlänge. Bei UV-Beschichtungen muss der Beschichtungsprozess exakter überwacht werden; schon kleine Produktionsschwankungen führen im UV-Spektrum zu deutlich größeren Fehlern als im sichtbaren oder IR-Spektrum.

Abbildung 1: Bei der Fertigung von UV-Optiken müssen engere Oberflächenspezifikationen eingehalten werden.

Durch die kurzen UV-Wellenlängen sind Absorption und Streuung in der Regel deutlich höher als bei sichtbarem oder IR-Licht. Oberflächenfehler wie Kratzer und Vertiefungen werden bei UV-Licht verstärkt, selbst geringste Fehler können zu Streuungen oder Absorptionen führen und den Systemdurchsatz verringern. Um Energieverluste zu minimieren, muss die Spezifikation für die Oberflächenqualität streng eingehalten werden. Die Standardoberflächenqualität für Präzisionslinsen im sichtbaren Spektrum liegt bei 40-20, bei UV-Anwendungen muss diese 10-5 betragen. Durch Streuung des Lichts kann es zu Energieverlusten, schlechterem Wirkungsgrad des optischen Systems und Fehlsignalen in Anwendungen mit Bildsensoren oder anderen Detektoren kommen. UVMaterialien haben eine größere Dispersion als solche für sichtbares oder IR-Licht und führen bei breitbandigen UV-Anwendungen zu signifikanten Aberrationen. Um dies zu vermeiden, besitzen viele optische Systeme für UV-Licht reflektierende Optiken, die eine Dispersion innerhalb des Materials verhindern.

Optische Substrate und Beschichtungen

Absorption und Streuung führen zu einem geringeren Durchsatz und können auch zu Schädigung und Zerstörung der Komponent führen. Eine zu starke UV-Absorption kann zum Ausbleichen des Substrats, zur Veränderung der chemischen Eigenschaften sowie zum Ausfall der Komponente führen. Um dies zu vermeiden, müssen UV-Substrate den gesamten gewünschten Wellenlängenbereich transmittieren und nahezu perfekt poliert sein. Die am häufigsten verwendeten UV-transmittierenden Substrate sind UV-Quarzglas, Kalziumfluorid (CaF₂) und Saphir. UV-Quarzglas wird als UV-Substrat aufgrund seiner Verfügbarkeit, des günstigen Preises und der vergleichbar zu anderen UV-transmittierenden Materialien einfachen Herstellung bevorzugt. UV-Quarzglas transmittiert Wellenlängen bis 193 nm und besitzt einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. CaF2 hat einen geringen Brechungsindex, geringe axiale und radiale Doppelbrechung und transmittiert Wellenlängen bis 180 nm, und ist daher für UV-Excimerlaser geeignet. Saphir eignet sich aufgrund seiner extremen Oberflächenhärte, hohen Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante und Beständigkeit gegen diverse Säuren und Basen ideal für raue Umgebungen. Durch die extreme Beständigkeit gegen UV-Ausbleichung werden hochwertige Saphire oft in UV-Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Einige Arten optischer Saphire transmittieren UV-Licht bis 150 nm. Ein Nachteil bei Saphiren ist die Doppelbrechung. Bei entsprechendem Schliff entlang der C-Achse des Kristalls wird diese jedoch minimiert.

UV-Absorption kann auch zum Ausbleichen und zur Beschädigung optischer Beschichtungen und nicht nur des Substrats führen. Aus diesem Grund werden für transmittierende und reflektierende Optiken im UV-Spektrum andere Beschichtungsmaterialien benötigt. Spiegelbeschichtungen für den tiefen UV-Bereich (DUV-Spiegel) sind besonders empfindlich gegen kleine Abweichungen der Beschichtungsdicke, weil im UV-Bereich Materialfehler zu relativ schmalbandigen Reflexionen führen.

Multiphotonen (MP)-Absorption

Licht passiert transmittierende Optiken nur ohne Absorption, wenn die Energie geringer ist als die Bandlückenenergie des Substrats und Elektronen aus dem Valenzband des Materials nicht so stark angeregt werden, dass sie in das Leitungsband springen. MP-Absorption tritt ein, wenn ≥2 Photonen spontan absorbiert werden und den Sprung eines Elektrons in das Leitungsband ermöglichen. Dadurch wird das Licht, das die Optik passieren würde, absorbiert. UV-Licht ist energiereicher als sichtbares oder IR-Licht, da seine Energie umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist. Die MP-Absorption kann im UV-Bereich und bei hoher Intensität erheblich sein, die Absorption erhöhen und einen sich selbst verstärkenden Prozess anstoßen, der die Optik beschädigt. Die Einzelphotonen-Absorption hängt linear von der einfallenden Lichtstärke ab. Die MP-Absorption dagegen hängt quadratisch von der Lichtintensität ab und dominiert bei hoher Intensität gegenüber der Linearen. Materialien mit hohem Brechungsindex sind wegen ihrer geringen Bandlückenenergie besonders empfindlich gegen MP-Absorption.