Oberflächennahe Schäden

Jede Optik weist unabhängig davon, wie sorgfältig die Fertigung erfolgt, ein gewisses Maß an oberflächennahen Schäden unmittelbar unter der Deckfläche auf wie Risse, Eigenspannungen, Verunreinigungen und Hohlräume.¹ Diese Defekte können durch den Fertigungsprozess entstehen oder auf Typ bzw. Qualität des verwendeten Materials zurückzuführen sein. Bei der Bestrahlung mit einem Laser können oberflächennahe Schäden Absorption und Streuung erhöhen, sodass Wärme entsteht und der Durchsatz sinkt. Diese Unregelmäßigkeiten der (qualitativen) Leistung können bei Hochleistungslasern oder einer hohen mechanischen Belastung von Systemen u. U. zu einem Systemausfall führen.

Durch den Schleif- und Poliervorgang entstehen oberflächennahe Schäden in einem Bereich von 0,1 µm bis zig Mikrometern unter der Polierabscheidungslage (Beilby-Schicht). Die Abscheidungslage ist eine Deckschicht der Optik, die durch eine chemische Reaktion beim Polieren über feine Oberflächenrisse verläuft.² Die Defektschicht unter der Abscheidungslage enthält den größten Teil der Risse und anderen Defekte unter der Oberfläche. Sie dehnt sich normalerweise 1–100 µm unterhalb der Optikoberfläche nach unten aus. Eine Deformationsschicht trennt diese Schicht dann vom fehlerfreien Substrat (Abbildung 1).

Abbildung 1: Oberflächennahe Schäden durch Fertigungsprozesse³

Beim Polieren können Verunreinigungen in die Abscheidungslage gelangen, sofern keine speziell für Laser geeigneten Polier- und Reinigungsprozesse verwendet werden. Durch Polieren mit immer feinerer Körnung kann der Umfang von oberflächennahen Schäden weiter verringert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Durch Polierung mit feinerer Körnung wird die Qualität der Optik verbessert. Allerdings steigt der erforderliche Zeitaufwand für die Polierung, sodass auch die Kosten steigen. Ein effektiver Polierprozess für Laseroptiken beseitigt tief reichende Schäden unter der Oberfläche, während ein ineffektiver Prozess die Schäden unter der Beilby-Schicht lediglich verdeckt.

Referenzen

1. Fine, Kevin R, et al. “OPTICS FABRICATION: Subsurface Damage Is Measured Nondestructively.” Laser Focus World, June 2006.
2. Finch, G. Ingle. “The Beilby Layer on Non-Metals.” Nature, vol. 138, no. 3502, 1936, pp. 1010–1010., doi:10.1038/1381010a0.
3. Collier, David, and Rod Schuster. “Superpolishing Deep-UV Optics.” Photonics Spectra, February 2005.