Antireflexbeschichtungen

Dies ist der Abschnitt 11.3 des Leitfadens für Laseroptiken.

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Edmund Optics bietet alle transmittierenden TECHSPEC^® Optiken mit einer Vielzahl verschiedener Antireflexionsbeschichtungsoptionen (AR) an, die die Leistungsfähigkeit der Optik durch höhere Durchlässigkeit, besseren Kontrast und Beseitigung von Geisterbildern steigern. Die meisten AR-Beschichtungen sind außerdem sehr haltbar und beständig gegenüber physischen und umgebungsbedingten Beschädigungen. Aus diesen Gründen wird der Großteil der transmittierenden Optiken mit irgendeiner Form von Antireflexbeschichtung gefertigt. Bei der Spezifikation einer geeigneten AR-Beschichtung für die jeweilige Anwendung müssen Sie zunächst den vollen Spektralbereich des Systems kennen. Während eine Antireflexbeschichtung die (qualitative) Leistung eines optischen Systems erheblich verbessern kann, kann die Verwendung der Beschichtung bei Wellenlängen außerhalb des Designwellenlängenbereichs die Leistung des Systems u. U. deutlich verschlechtern.

Gründe für die Wahl einer Antireflexbeschichtung

Wenn Licht von Luft aus durch ein unbeschichtetes Glassubstrat fällt, wird aufgrund der Fresnel-Reflexion ca. 4% des Lichts an jeder Grenzfläche reflektiert. Dies führt dazu, dass insgesamt lediglich 92% des einfallenden Lichts durchgelassen werden, was in vielen Anwendungen extrem nachteilig sein kann (Abbildung 1). Zu viel reflektiertes Licht verringert den Durchsatz und kann in Laseranwendungen zur laserinduzierten Schäden führen. Um die Transmission eines Systems zu erhöhen und Risiken durch Reflexionen zu reduzieren, die rückwärts durch das System laufen und Geisterbilder erzeugen, werden Antireflexbeschichtungen auf optische Oberflächen aufgebracht. Rückstrahlungen destabilisieren Lasersysteme, da Licht ungewollt in den Resonator eintreten kann. AR-Beschichtungen sind besonders wichtig für Systeme mit mehreren optischen Elementen. Viele Systeme mit geringer Lichtverfügbarkeit enthalten AR-beschichtete Optiken, um eine effiziente Nutzung des wenigen Lichts zu ermöglichen.

Abbildung 1: Fresnel-Reflexionen treten an jeder Materialgrenzfläche auf. Bei jeder weiteren Grenzfläche unterliegt ein Teil jedes reflektierten Strahls ebenfalls einer Fresnel-Reflexion.¹

AR-Beschichtungen sind so konzipiert, dass die relative Phasenverschiebung eines reflektierten Strahls zwischen der oberen und unteren Grenzfläche einer dünnen Schicht 180° beträgt. Dadurch kommt es zu einer destruktiven Interferenz zwischen den beiden reflektierten Strahlen, sodass sich beide Strahlen gegenseitig auslöschen, bevor sie die Oberfläche verlassen (Abbildung 2). Die optische Dicke der Beschichtung muss ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4 sein, wobei λ die Designwellenlänge oder die für Höchstleistung optimierte Wellenlänge ist, um den gewünschten Wegunterschied von λ/2 zwischen den reflektierten Strahlen zu erreichen. In diesem Fall heben sich die Strahlen gegenseitig auf. Der Brechungsindex einer dünnen Schicht (n_f), der zum Auslöschen der reflektierten Strahlen erforderlich ist, kann über die Brechungsindizes des Einfallsmediums (n₀) und des Substrats (n_s) ermittelt werden.

(1)$$ n_f = \sqrt {n_0 \, n_s} $$

Abbildung 2: Brechungsindex und Dicke jeder Beschichtung müssen sorgfältig festgelegt werden, damit es zu einer destruktiven Interferenz zwischen den reflektierten Strahlen kommt.

Antireflexions-V-Beschichtungen sind ein AR-Beschichtungstyp, der die Transmission in einem sehr schmalen Wellenbereich um eine bestimmte Designwellenlänge (DWL) verbessert. Dieser Beschichtungstyp wird „V-Beschichtung“ genannt, weil die Kurve der Transmission über der Wellenlänge ein „V“ mit einem Minimum bei der Designwellenlänge bildet. V-Beschichtungen sind ideal, um eine maximale Transmission zu erreichen, wenn einfrequente Laser mit kleiner Linienbreite oder Lichtquellen mit kleiner Halbwertsbreite verwendet werden.¹ V-Beschichtungen weisen bei der Designwellenlänge ein typisches Reflexionsvermögen von weniger als 0,25% auf. Die Reflexionskurve für die Beschichtung weist jedoch lokal eine nahezu parabolische Form auf, sodass die Reflexion bei anderen Wellenlängen als der DWL erheblich größer ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Beispiel einer V-Beschichtung für Laser mit maximaler Transmission bei 266 nm.

Tabelle 1 veranschaulicht das Reflexionsvermögen und die garantierte laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) der V-Standardbeschichtungen von EO für Laser.

V-Standardbeschichtungen für Laser
DWL (nm)	Beschichtungsspezifikationen	Zerstörschwelle, gepulst $ \left( \tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2} \right) $
266	R <0.25% @ DWL	3 @ 266nm, 20ns, 20Hz
343	R <0.25% @ DWL	7.5 @ 343nm, 20ns, 20Hz
355	R <0.25% @ DWL	7.5 @ 355nm, 20ns, 20Hz
515	R <0.25% @ DWL	10 @ 515nm, 20ns, 20Hz
532	R <0.25% @ DWL	10 @ 532nm, 20ns, 20Hz
980	R <0.25% @ DWL	10 @ 980nm, 20ns, 20Hz
1030	R <0.25% @ DWL	15 @ 1030nm, 20ns, 20Hz
1064	R <0.25% @ DWL	15 @ 1064nm, 20ns, 20Hz

Tabelle 1: Reflexionsspezifikationen und garantierte laserinduzierte Zerstörschwellen der V-Standardbeschichtungen von EO für Laser (kundenspezifische Wellenlängen auf Anfrage verfügbar).

Da das Reflexionsvermögen schnell zunimmt, je weiter sich die Wellenlänge von der DWL entfernt, sind optische Komponenten mit V-Beschichtungen lediglich für die Verwendung genau oder sehr nah bei der beabsichtigten DWL der Beschichtung geeignet. Eine interessante Eigenschaft von V-Beschichtungen ist, dass die Form ihrer Transmissionskurven semiperiodisch ist, sodass das Reflexionsvermögen bei Harmonischen der DWL (z. B. λ₀/2 oder λ₀/4) ein lokales Minimum erreicht. Allerdings ist das Reflexionsvermögen nicht so optimal wie bei der DWL. V-Beschichtungen bestehen normalerweise aus nur zwei Beschichtungslagen. Einfache V-Beschichtungen können aus einer einzelnen Lage mit einer Dicke von λ/4 bestehen. Zum Anpassen der Bandbreite oder bei Nichtverfügbarkeit eines Beschichtungsmaterials mit einem geeigneten Brechungsindex sind u. U. aber mehr Lagen erforderlich. Mehrlagige Beschichtungen können auch unterschiedliche Einfallswinkel kompensieren, sind aber komplizierter und weisen tendenziell größere Bandbreiten auf. Bei falscher Dicke der V-Beschichtungslagen steigt das Reflexionsvermögen der Beschichtung und die DWL ändert sich. V-Beschichtungen von Edmund Optics erreichen normalerweise minimale Reflexionsvermögen, die erheblich kleiner als 0,25% sind. Alle Standard-V-Beschichtungen weisen jedoch ein spezifiziertes Reflexionsvermögen von <0,25% bei der DWL auf, sodass geringfügige Abweichungen der DWL durch Beschichtungstoleranzen abgefangen werden.

Breitbandige Antireflexbeschichtungen (BBAR) sind so konzipiert, dass die Transmission über einen wesentlich größeren Wellenbereich verbessert wird. Sie werden häufig für Lichtquellen mit großer Bandbreite und Laser verwendet, die mehrere Oberwellen erzeugen. BBAR-Beschichtungen erreichen normalerweise nicht so geringe Reflexionswerte wie V-Beschichtungen, sind aber aufgrund des breiteren Übertragungsbands vielseitiger einsetzbar. Neben der Auftragung auf transmittierende optische Komponenten wie Linsen und Fenster werden AR-Beschichtungen auch für Laserkristalle und nichtlineare Kristalle verwendet, um Reflexionen zu minimieren, da an der Grenzfläche zwischen Luft und Kristall Fresnel-Reflexionen auftreten.¹

Breitbandige Antireflexbeschichtungen (BBAR)

Edmund Optics bietet alle TECHSPEC^® Linsen mit einer optionalen einlagigen, dielektrischen Antireflexbeschichtung an, um Oberflächenreflexionen zu reduzieren. Darüber hinaus sind kundenspezifische Einlagen-, Mehrlagen-, V- und 2V-Beschichtungen für unsere serienmäßig produzierten Produkte und Sonderanfertigungen mit großen Stückzahlen verfügbar. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leistungsspektrum unter Fertigungsmöglichkeiten.

Abbildung 4: Wellenlängenauswahldiagramm

λ/4 MgF₂: Die einfachste verwendete AR-Beschichtung ist λ/4 MgF₂ mit einer Mittenwellenlänge von 550 nm (mit einem Brechungsindex von 1,38 bei 550 nm). Eine MgF₂-Beschichtung ist ideal für den breitbandigen Einsatz, auch wenn die Ergebnisse stark vom verwendeten Glastyp abhängen.

VIS 0° und VIS 45°: VIS 0° (für einen Einfallswinkel von 0°) und VIS 45° (für einen Einfallswinkel von 45°) bieten eine optimierte Durchlässigkeit für 425 bis 675 nm mit einem geringen mittleren Reflexionsvermögen bis 0,4% bzw. 0,75%. Die AR-Beschichtung VIS 0° ist für Anwendungen im sichtbaren Spektrum gegenüber MgF₂ vorzuziehen.

VIS-NIR: Unsere breitbandige Antireflexbeschichtung für das sichtbare Spektrum/Nahinfrarotspektrum wurde speziell für maximale Durchlässigkeit (>99%) im NIR-Bereich optimiert.

Telekom-NIR: Unsere breitbandigen Antireflexionsbeschichtungen für den Telekommunikations-/Nahinfrarotbereich sind besonders für gängige Telekommunikationswellenlängen von 1200 bis 1600 nm geeignet.

UV-AR und UV-VIS: Die von uns verwendeten UV-Beschichtungen für unsere Linsen und Fenster aus UV-Quarzglas ermöglichen eine höhere qualitative Leistung im UV-Bereich.

NIR I und NIR II: Unsere breitbandigen Antireflexbeschichtungen NIR I und NIR II bieten außergewöhnliche Leistung bei Nahinfrarotwellenlängen gebräuchlicher Faseroptiken, Laserdiodenmodule und LED-Leuchten.

SWIR: Unsere breitbandigen Antireflexbeschichtungen für den kurzwelligen Infrarotbereich eignen sich für Anwendungen von 900 bis 1700 nm.

Abbildung 5, Abbildung 6 und Tabelle 2 veranschaulichen die Standardoptionen für BBAR-Beschichtungen von EO.

Abbildung 5: AR-Standardbeschichtungen von EO für das sichtbare Spektrum.

Abbildung 6: AR-Standardbeschichtungen von EO für das Nahinfrarotspektrum (NIR) decken den Bereich von 400 bis 1600 nm ab. Kundenspezifische Beschichtungen über 2 µm hinaus sind ebenfalls möglich.

Abbildung 7: AR-Standardbeschichtungen von EO für das Infrarotspektrum (IR)

Tabelle 2: Reflexionsspezifikationen für BBAR-Standardbeschichtungen von EO

Antireflexbeschichtungen sind für die folgenden TECHSPEC^® Optiken verfügbar

Linsen

Prismen

Fenster

Referenzen

1. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html

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Weiterführende Informationen

• An Introduction to Optical Coatings
• Metallic Mirror Coatings Application Note
• Highly Reflective Coatings Application Note
• Laser Optics Lab: Coatings Video
• Understanding and Specifying LIDT of Laser Components Application Note
• Modifying Stock Optics Tip #4: Add A Coating To A Stock Lens Video
• Benefits of Hard Coatings Application Note
• High Reflectivity Mirrors for Laser Applications Webinar
• Laser Optics Lab Video Series