Hochreflektierende Beschichtungen

Dies ist der Abschnitt 11.4 des Leitfadens für Laseroptiken.

Zum Minimieren von Verlusten bei der Reflexion von Lasern und anderen Lichtquellen werden hochreflektierende (HR) Beschichtungen verwendet. Absorption und Streuung bei der Reflexion führen zu einer geringeren Transmission und u. U. zu laserinduzierten Schäden. HR-Beschichtungen werden in gewöhnlichen Laseroptikanwendungen eingesetzt, z. B. Umlenkung des Laserstrahlwegs und Endspiegel von Laserhohlräumen.

Zum Erstellen reflektierender Komponenten werden bei vielen Anwendungen metallische Spiegelbeschichtungen verwendet. In vielen Laseranwendungen ist jedoch ein höheres Reflexionsvermögen erforderlich, als mit normalen metallischen Spiegelbeschichtungen möglich ist. Aus diesem Grund werden für Laserspiegel normalerweise mehrlagige dielektrische HR-Beschichtungen anstelle von metallischen Spiegelbeschichtungen verwendet, da damit ein höheres Reflexionsvermögen erreicht werden kann. Metallische Oberflächen reflektieren Licht, weil lose gebundene Elektronen bei einfallenden Lichtwellen ohne großen Widerstand oder große Behinderung frei schwingen. Allerdings absorbieren alle Metalle einen Teil des einfallenden Lichts. Dies macht metallische Spiegelbeschichtungen bei Verwendung mit Hochleistungslasern anfällig für Beschädigungen.¹

Dielektrische HR-Beschichtungen reflektieren Licht basierend auf einer konstruktiven Interferenz bei Fresnel-Reflexionen und verfolgen den vollständig entgegengesetzten Zweck von AR-Beschichtungen, indem anstatt der destruktiven Interferenz, um Fresnel-Reflexionen zu minimieren, die konstruktive Interferenz genutzt wird, um diese zu maximiere (Abbilding 1). Die konstruktive Interferenz entsteht durch wechselnde Lagen von Materialien mit hohen und geringen Brechungsindizes mit speziell ausgewählten Dicken, um das Reflexionsvermögen in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu maximieren. In einem dielektrischen λ/4-Spiegel, dem so genannten Bragg-Spiegel, entspricht die Dicke jeder Lage einem Viertel der Designwellenlänge. Die Dicke der Lagen hängt von der Wellenlänge im Material ab, nicht von der Wellenlänge im Vakuum.²

Abbildung 1: Dielektrische HR-Beschichtungen nutzen die konstruktive Interferenz von Fresnel-Reflexionen, um ein größeres Reflexionsvermögen als das von metallischen Reflektoren zu erreichen.

Dielektrische Schutzschichten verbessern auch die Handhabung von metallischen Spiegeln. Sie verlängern außerdem die Haltbarkeit der Metallbeschichtung, bieten Schutz vor Oxidation und erhöhen den Reflexionsgrad der Metallbeschichtung in bestimmten Spektralbereichen. Metallbeschichtungen ohne Schutzbeschichtung sind sehr empfindlich, sodass Handhabung und Reinigung mit hoher Sorgfalt erfolgen müssen. Die Oberfläche einer ungeschützten Metallbeschichtung darf niemals berührt oder mit anderen Mitteln als trockener Reinluft gereinigt werden. Für die Reinigung von Metallspiegeln mit einer dielektrischen Beschichtung kann Isopropylalkohol oder Aceton verwendet werden. Tabelle 1enthält eine Liste der Standardbeschichtungsoptionen für metallische Spiegel von EO. Tabelle 2 enthält eine Liste der dielektrischen HR-Standardbeschichtungen für Laser.

Tabelle 1: Reflexionsspezifikationen der Standardbeschichtungen für metallische Spiegel von EO

Tabelle 2: HR-Standardbeschichtungen für Laser
DWL	Reflexionsspezifikationen	LIDT, Puls $ \left( \frac{\text{J}}{\text{cm}^2} \right)$	LIDT, Dauerstrich $ \left( \frac{\text{MW}}{\text{cm}^2} \right) $
266 nm	R_abs >99,5 % @ DWL, R_avg >99,5 % 263 - 268 nm	2.5, 20 ns @ 20 Hz	1
343nm	R_abs >99,8 % @ DWL, R_avg >99,5 % 339 - 346 nm	6, 20 ns @20 Hz	1
355nm	R_abs >99,8 % @ DWL, R_avg >99,5 % 351 - 358 nm	6, 20 ns @20 Hz	1
515nm	R_abs >99,8 % @ DWL, R_avg >99,5 % 509 - 520 nm	15, 20 ns @20 Hz	1
532 nm	R_abs >99,8 % @ DWL, R_avg >99,5 % 523 - 537 nm	15, 20 ns @20 Hz	1
1030 nm	R_abs >99,8 % @ DWL, R_avg >99,5 % 1020 - 1040 nm	20, 20 ns, @20 Hz	1
1064 nm	R_abs >99,8 % @ DWL, R_avg >99,5 % 1046 - 1074 nm	20, 20 ns @20 Hz	1

Tabelle 2: Reflexionsspezifikationen und garantierte laserinduzierte Zerstörschwellen für dielektrische HR-Standardbeschichtungen für Laser von EO. Für andere Laserwellenlängen sind kundenspezifische Beschichtungen auf Anfrage verfügbar

Referenzen

Field, Ella S., et al. “Repair of a Mirror Coating on a Large Optic for High Laser-Damage Applications Using Ion Milling and over-Coating Methods.” Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2014, July 2016, doi:10.1117/12.2067920.
Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html

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