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Eine Einführung in optische Beschichtungen
Edmund Optics GmbH

Eine Einführung in optische Beschichtungen

Eine optische Beschichtung besteht aus einer Kombination dünner Schichten. Diese erzeugen Interferenzeffekte, die genutzt werden, um die Transmissions- oder Reflexionseigenschaften eines Systems zu verbessern. Das Verhalten einer optischen Beschichtung hängt von der Anzahl der Schichten, der Dicke der einzelnen Schichten und der Differenz des Brechungsindexes zwischen den Schichten ab. Die gängigsten Beschichtungen für Präzisionsoptiken sind: Antireflexbeschichtungen (AR), hochreflektierende Beschichtungen (Spiegel), Strahlteilerbeschichtungen und Filterbeschichtungen. Antireflexbeschichtungen werden für die meisten Optiken verwendet. Sie maximieren die Transmission und reduzieren Geisterbilder. Hochreflektierende Beschichtungen wurden entwickelt, um die Reflexion einer Einzelwellenlänge oder eines ganzen Spektralbereichs zu maximieren. Strahlteilerbeschichtungen werden verwendet, um einfallendes Licht in einen definierten transmittierten und reflektierten Teil aufzuteilen. Filter werden in vielen verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt, um Licht bestimmter Wellenlängen zu transmittieren, zu reflektieren, zu absorbieren oder abzuschwächen. Edmund Optics bietet auch eine Vielzahl kundenspezifischer Beschichtungen an, um die Anforderungen jeder Anwendung zu erfüllen.

Sample Three Layer BBAR Coating Design

Bild 1: BBAR Beispielbeschichtungsdesign aus drei Schichten

Optische Beschichtungen werden für bestimmte Einfallswinkel und Polarisationsrichtungen des Lichts (z.B. s- oder p-polarisiert oder unpolarisiert) ausgelegt. Wenn eine Beschichtung, die für 0° Einfallswinkel ausgelegt ist, unter 45° verwendet wird, wird die Transmission / Reflexion von der spezifizierten Transmission / Reflexion abweichen. Ebenso verhält es sich bei der Polarisation. Die meisten Beschichtungen sind für unpolarisiertes Licht entwickelt. Nutzt man solch eine Beschichtung mit s- oder p-polarisiertem Licht werden die spezifizierten Eigenschaften nicht erreicht.

Optische Beschichtungen werden durch Auftragen dünner Schichten (typisch sind ¼ Lambda (QWOT) oder ½ Lambda (HWOT) der verwendeten Wellenlänge) dielektrischer und metallischer Materialien wie Ta2O5 und/oder Al2O3 hergestellt. Diese dünnen Schichten haben abwechselnd eine hohe und niedrige Brechzahl, um die benötigten Interferenzeffekte zu erzielen. Bild 1 zeigt eine einfache Darstellung einer Breitband-Antireflexbeschichtung.

Theorie der Beschichtungen

Beschichtungen kontrollieren die Reflexion und Transmission von Licht über die Eigenschaften der optischen Interferenz. Wenn zwei phasengleiche Strahlen zusammentreffen und die örtliche Lage der Wellenspitzen übereinstimmt, ergänzen sich die Amplituden zu höheren Amplituden. Wenn die Strahlen nicht in Phase sind (um 180° verschoben), führt die Überlagerung zu einem subtraktiven Effekt und die Amplituden verringern sich. Diese Effekte sind als konstruktive und destruktive Interferenz bekannt.

Die Reflexion der dünnen Schichten wird durch die Gleichungen 1-4 unten bestimmt.

(1)$$ \begin{bmatrix}B\\C\end{bmatrix}= \Bigg\{ \prod_{p=1}^q \begin{bmatrix} \cos \delta_p & i \, \sin \frac {\delta_p}{\eta_p}\\\ i\, \eta_p \, \sin \delta_p & \cos \delta_p\end{bmatrix} \Bigg\} \begin{bmatrix}1\\ \eta_{\eta}\end{bmatrix} $$
(2)$$ \delta_p = \frac {2 \pi \, N_p \, d_p \, \cos \theta_p}{\lambda} $$
(3)$$ Y = \frac {C}{B} $$
(4)$$ R = \left ( \frac {\eta_0 -Y}{\eta_0 +Y}\right) \left(\frac{\eta_0 -Y}{\eta_0 +Y}\right) $$

q

Anzahl der Schichten

δ

Phasenterm

η

die optische Admittanz der Schichten

Np

komplexer Brechungsindex

tp

physikalische Dicke der Schichten

λ

Wellenlänge

θp

Einfallswinkel

Y

die optische Admittanz des Schichtenstapels

R

Reflexion des Stapels

Während Wellenlänge des Lichts und Einfallswinkel meist feststehende Größen sind, können Brechungsindex und Dicke der Schichten variiert werden, um die Leistung zu verbessern. Eine Änderung dieser Größen hat einen Einfluss auf die optische Weglänge der Lichtstrahlen in der Beschichtung. Dies hat wiederum eine Änderung der Phase zur Folge. Der Effekt kann am einfachsten über eine Antireflexbeschichtung mit einfacher Schicht erklärt werden. Breitet sich Licht im System aus, treten Reflexionen auf jeder Seite der Beschichtung an den beiden Flächen mit Brechungsindexänderung auf. Um die Reflexion zu minimieren, benötigen wir beim erneuten Zusammentreffen der reflektierten Strahlteile eine Phasenverschiebung um 180°. Diese Phasenverschiebung entspricht einer Verschiebung der Sinuswelle um λ/2, die am einfachsten erreicht werden kann, indem die optische Dicke der Beschichtung auf λ/4 gesetzt wird (Bild 2).

180 Degree Phase Shift between Two Reflected Beams

Bild 2: 180° Phasenverschiebung zwischen zwei reflektierten Strahlen

Der Brechungsindex beeinflusst nicht nur die optische Weglänge (und so die Phase) sondern auch die Reflexionscharakteristiken jeder Fläche. Die Reflexion wird über die Fresnel-Gleichung definiert (siehe Gleichung), die die Reflexion an einer Grenzfläche mit Brechungsindexänderung bei normalem Einfall angibt.

(5)$$ R = \left (\frac {n_1 -n_2}{n_1 + n_2}\right)^2 $$

Der letzte Parameter, der in Betracht gezogen werden muss, ist der Einfallswinkel des Lichts. Wird der Einfallswinkel des Lichts verändert, ändert sich auch die optische Weglänge und die Phasenverschiebung der reflektierten Strahlung. Bei nicht normalem Einfall wird s- und p-polarisiertes Licht unterschiedlich an den Grenzflächen reflektiert und das optische Verhalten der beiden Polarisationsrichtungen verändert sich. Dieses Phänomen erlaubt die Entwicklung von polarisierenden Strahlteilern.

Beschichtungstechnologie

Abscheidung durch Verdampfen

Bei der Abscheidung durch Verdampfen werden die Ausgangsmaterialien in einer Vakuumkammer entweder durch hohe Temperatur oder durch Bombardierung mit Elektronenstrahlen verdampft. Der entstehende Dampf kondensiert auf den optischen Oberflächen. Durch die exakte Kontrolle von Temperatur, Vakuumdruck, Substratposition und Drehung während der Bedampfung wird eine einheitliche optische Beschichtung mit einer bestimmten Dicke erreicht. Die relative Empfindlichkeit der durch Verdampfung aufgebrachten Beschichtungen führt dazu, dass diese porös sind oder nur lose haften. Diese losen Beschichtungen nehmen leicht Wasser auf. Dadurch ändert sich der effektive Brechungsindex der Schichten und es kommt zu einer Verschlechterung der Eigenschaften. Durch Verdampfung aufgebrachte Beschichtungen können durch Ionenstrahlen verbessert werden, dabei wird ein Ionenstrahl auf die Substratoberfläche gerichtet. Dadurch erhöht sich die Adhäsionsenergie des Ausgangsmaterials gegenüber der Oberfläche, sodass dichtere, robustere Beschichtungen entstehen, die auch belastbarer sind.

Ionenstrahl-Sputtering (IBS)

Beim Ionenstrahl-Sputtering (IBS) wird ein hochenergetisches, elektrisches Feld zur Beschleunigung eines Ionenstrahls verwendet. Diese Beschleunigung verleiht den Ionen eine signifikante kinetische Energie. Beim Auftreffen auf das Ausgangsmaterial schlagen sie dieses aus dem Target heraus. Diese gesputterten Ionen des Ausgangsmaterials haben eine hohe Energie und erzeugen bei Kontakt mit der optischen Oberfläche eine dichte Beschichtung. IBS ist eine bewährte Technologie, die für ihre Wiederholbarkeit und Präzision bekannt ist.

Ion-Assisted E-Beam Deposition Process

Bild 3: Bei der ionenstrahlgestützten Abscheidung wird eine Ionenstrahlquelle auf die optische Oberfläche gerichtet, um die Adhäsion und Dichte der Beschichtung zu erhöhen.

Plasma-Sputtering

Plasma-Sputtering umfasst eine ganze Reihe von Technologien mit verschiedenen Bezeichnungen, beispielsweise Advanced Plasma Sputtering und Magnetron Sputtering. Gemeinsam ist diesem Verfahren die Erzeugung eines Plasmas. Die Ionen dieses Plasmas werden dann auf das Ausgangsmaterial beschleunigt und schlagen Ionen des Ausgangsmaterials mit hoher Energie heraus, die dann durch Sputtering auf der Optik abgeschieden werden. Zwar hat jedes Plasma-Sputtering-Verfahren spezifische Eigenschaften, Vor- und Nachteile, wir fassen diese Technologien aber trotzdem zusammen, weil das Konzept gleich ist und die Unterschiede in dieser Gruppe deutlich geringer sind als die Unterschiede zu anderen Beschichtungstechnologien, die in diesem Artikel vorgestellt werden.

Atomlagenabscheidung

Im Gegensatz zur Abscheidung durch Verdampfen muss das Material für die Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) nicht aus einem Feststoff verdampft werden, sondern wird direkt in Form eines Gases bereitgestellt. Trotz der Gase werden in der Vakuumkammer oft hohe Temperaturen eingesetzt. Bei der ALD-Technologie werden die Ausgangsmaterialien in Form nicht überlappender Impulse mit selbstlimitierenden Eigenschaften abgegeben. Chemisch ist der Prozess so gestaltet, dass pro Impuls nur eine Einzellage abgeschieden werden kann, die Geometrie der Oberfläche spielt keine Rolle. Infolgedessen isteine außergewöhnlich gute Kontrolle der Beschichtungsdicke und der Beschichtungsformen möglich, allerdings ist die Abscheidung aus dem gleichen Grund zeitaufwendig.

Strukturierte Oberflächen im Subwellenlängenbereich

Strukturierte Oberflächen, deren Abmessungen geringer sind als die Wellenlänge des Lichtes, sind in der Optik ein Forschungsgegenstand schon seit der Entdeckung von texturierten Mustern in Nachtfalteraugen. Zwar befindet sich die Oberflächentexturierung als Technologie noch in der Entwicklungsphase, anders als bei der traditionellen Dünnfilmbeschichtung mit der Abscheidung wechselnder Schichten mit niedrigem und hohem Brechungsindex wird dabei jedoch die Struktur einer Substratoberfläche modifiziert. Die texturierten Oberflächen können entweder nach dem Zufallsprinzip oder mit regelmäßigen Mustern texturiert sein, wie es bei einem Nachtfalterauge der Fall ist. Strukturierte Oberflächen mit regelmäßigen Mustern und Abmessungen im Subwellenlängenbereich können mit fotolithografischen Verfahren hergestellt werden, nach dem Zufallsprinzip strukturierte Muster durch modifizierte Plasmaätzung.

Herstellung der Beschichtungen

Planetary Substrate Holder

Der Herstellungsprozess für optische Beschichtungen ist sowohl arbeits- als auch kapital- und zeitaufwendig. Zu den Faktoren, die die Kosten der Beschichtung beeinflussen, gehören die Anzahl der zu beschichtenden Optiken, die Art der Optik, die Größe der Optik, die Zahl der Lagen pro Beschichtung und die Anzahl der beschichteten Oberflächen einer Optik. Der Abscheidungsprozess zum Auftrag der Beschichtung spielt als Kostenfaktor der Beschichtung sowie für die Eigenschaften der Beschichtung ebenfalls eine wichtige Rolle. Darüber hinaus sind umfangreiche Vorbereitungen erforderlich, um sicherzustellen, dass jede beschichtete Optik von höchster Qualität ist.

Die Reinigung und Vorbereitung der Optik vor der Beschichtung ist ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses. Ein optisches Element muss eine saubere Oberfläche haben, sonst haftet die Beschichtung nicht. Flecken auf dem Substrat, die zuvor nicht entfernt wurden, können sich zudem durch Aufbringen einer Beschichtung noch stärker bemerkbar machen. Aus diesem Grund hat Edmund Optics® penible Reinigungsprozesse eingeführt, um ein konsistentes, hochwertiges Endprodukt zu gewährleisten.

Es existieren viele verschiedene Technologien zur Abscheidung von Beschichtungen, jede hat ihre Vor- und Nachteile. Edmund Optics® implementiert viele dieser Beschichtungsverfahren. Nehmen Sie mit uns Kontakt auf, um zu klären, welches Beschichtungsverfahren für Ihre Anwendung am besten geeignet ist.

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Reicht die Transmission in Ihrer Anwendung nicht aus? Dann versuchen Sie es mit einer Antireflexbeschichtung auf Ihren Optiken.

EO bietet Beschichtungen aus Metall mit hohen Reflexionsgraden für Wellenlängen von 250 nm bis über 10 μm an. Erfahren Sie welche Beschichtung sich am besten für Ihr optisches System eignet.

Wir bieten eine Vielzahl von einlagigen und mehrlagigen Beschichtungen, bspw. Breitband-Antireflexbeschichtungen, V-Beschichtungen, polarisierende und metallische Beschichtungen sowie Beschichtungen für schmalbandige Bandpassfilter sowohl für das UV-Spektrum als auch für das sichtbare und IR-Spektrum.

Wir designen. Wir fertigen. Wir liefern. EO bietet den weltweit größten Lagerbestand an optischen Komponenten.

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