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Hintergrundinformationen zu optischen Spezifikationen
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Hintergrundinformationen zu optischen Spezifikationen

Summe, entspricht dem doppelten Wellenlängenfehler.

Abbildung 6: Der Passfehler der Oberflächengenauigkeit gekrümmter Oberflächen wird durch Vergleich zu einer Referenzoberfläche oder unter Verwendung eines Interferometers gemessen.
Abbildung 6: Der Passfehler der Oberflächengenauigkeit gekrümmter Oberflächen wird durch Vergleich zu einer Referenzoberfläche oder unter Verwendung eines Interferometers gemessen.

'Der Passfehler der Oberflächengenauigkeit gekrümmter Oberflächen hängt eng mit dem Krümmungsradius zusammen. Dies wird durch folgende Gleichung beschrieben, bei der ∆R der Radienfehler, D der Linsendurchmesser, R der Oberflächenradius und λ die Wellenlänge (typischerweise 632.8 nm) ist:

(3)

Passfehler der Oberflächengenauigkeit gekrümmter Oberflächen in Wellen = 
∆RD2
8R2 λ

Passfehler: Unregelmäßigkeit gekrümmter Oberflächen

Die Unregelmäßigkeit ("Irregularity") ist eine Spezifikation für die Oberflächengenauigkeit, die angibt, inwieweit die Form einer gekrümmten Oberfläche von der Form der Referenzfläche abweicht, unabhängig von der Abweichung des Krümmungsradius. Es werden also wortwörtlich die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche erfasst, man könnte auch sagen die "Welligkeit" der Oberfläche. Diese Größe wird genauso bestimmt wie die Abweichung des Radius (Brechkraft), allerdings wird hier nicht die Zahl der Ringe betrachtet, sondern die Form. Die Ringe sollten kreisrund sein, Aweichungen davon deuten auf Unregelmäßigkeiten der Oberfläche hin. Wenn durch die Abweichung des Radius mehr als 5 Interferenzringe erzeugt werden, ist es schwierig, Unregelmäßigkeiten zu erkennen, die kleiner sind als 1 Interferenzring. Daher ist es allgemein üblich, bei Oberflächen ein Verhältnis zwischen den beiden Abweichungen von etwa 5:1 anzugeben. In der ISO-Norm, werden die beiden Größen unter "Passfehler" zusammengefasst, währen in der MIL-Norm tatsächlich "Power" und "Irregularity" angegeben werden. Detailliertere Informationen über optische Planplatten und die Auswertung von Interferenzmustern zur Prüfung der Ebenheit von Flächen und der Genauigkeit von gekrümmten Oberflächen finden Sie im Abschnitt Optische Planplatten.

Oberflächenrauhigkeit

Die Oberflächenrauhigkeit ist ein Maß für kleine Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche. Sie sind in der Regel ein unerwünschtes Nebenprodukt des Poliervorgangs. Raue Oberflächen verschleißen schneller als glatte Oberflächen und sind für manche Anwendungen nicht geeignet, insbesondere für Anwendungen mit Laserlicht oder starker Wärme, da sich in den kleinen Rissen und Strukturen Hitzekeime bilden können. Die Fertigungstoleranzen liegen bei Standardprodukten im Bereich von 50 Å RMS (effektiv), bei Präszisionsprodukten bei 20 Å RMS (effektiv) und bei Produkten mit hoher Präzision bei 5 Å RMS (effektiv).

MATERIALSPEZIFIKATIONEN

Brechungsindex

Der Brechungsindex eines Mediums gibt das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit in dem Medium an. Typische Brechungsindizes für Glas und sonstige optische Materialien liegen bei 1,4 bis 4,0; Gläser für das sichtbare Spektrum haben geringere Brechungsindizes als Materialien, die für Infrarotlicht gedacht sind. Ein verbreitetes Glas für das sichtbare Spektrum ist beispielsweise N-BK7. Es hat einen Brechungsindex von 1,517, während Germanium, ein für das Infrarotspektrum häufig eingesetztes Material, einen Brechungsindex von 4,003 besitzt. Weitere Informationen über Infrarotmaterialien finden Sie im Abschnitt Das richtige Material für Infrarot-Anwendungen. Der Brechungsindex eines optischen Glases ist eine wichtige Eigenschaft, weil die Brechkraft einer optischen Fläche sich sowohl aus dem Krümmungsradius der Fläche, als auch aus der Differenz der Brechungsindizes, der beiden angrenzenden Medien ergibt. Inhomogenitäten, die der Glashersteller angibt, beschreiben die Schwankungen des Brechungsindex im Glas. Inhomogenitäten werden in verschiedene Klassen eingeteilt, wobei Klasse und Inhomogenität im umgekehrten Verhältnis stehen. Je höher die Klasse, umso geringer die Inhomogenitäten (Tabelle 3).

Tabelle 3: Spezifikationen der Inhomogenität
InhomogenitätsklasseMaximal zulässige Schwankung des Brechungsindex
0 +/- 50 x 10-6
1 +/- 20 x 10-6
2 +/- 5 x 10-6
3 +/- 2 x 10-6
4 +/- 1 x 10-6
5 +/- 0.5 x 10-6

Abbe-Zahl

Eine andere Materialeigenschaft des Glases ist die Abbe-Zahl, die die Dispersion eines Glases angibt. Sie wird aus den Brechungsindizes eines Materials bei den Wellenlängen f (486,1 nm), d (587,6 nm) und c (656,3 nm) bestimmt. Der exakte Zusammenhang lautet

Equation 3 (3)

 

Typische Werte für die Abbe-Zahl liegen zwischen 25 und 65. Gläser mit einer Abbe-Zahl über 55 (weniger starke Dispersion) werden als Krongläser bezeichnet, Gläser mit einer Abbe-Zahl unter 50 (stärkere Dispersion) als Flintgläser. Dispersion bedeutet, dass sich der Brechungsindex eines Materials mit der Wellenlänge ändert. Am deutlichsten wird diese Eigenschaft dadurch, dass eine Linse für verschiedene Lichtwellenlängen eine etwas abweichende Brennweite besitzt. Detailliertere Informationen über wichtige Materialspezifikationen, wie Brechungsindex und Abbe-Zahl finden Sie im Abschnitt Optisches Glas.

Laserzerstörschwelle

Die Laserzerstörschwelle gibt die maximale Laserleistung pro Flächeneinheit an, denen eine Oberfläche ohne Schaden widerstehen kann. Dabei werden Werte für Impulslaser und Dauerstrichlaser (CW-Laser) angegeben. Die Laserzerstörschwelle ist eine sehr wichtige Materialspezifikation für Spiegel, da Spiegel in Lasersystemen häufiger eingesetzt werden, als jede andere Optik. Es sollte jedoch für jede lasergeeignete Optik eine Zerstörschwelle angegeben sein. Beispielsweise hat ein Ti: Saphir-Laserspiegel mit einer Laserzerstörschwelle von 0,5 J/cm2 bei 150 Femtosekunden Pulslänge und einer cw-Leistung von 100 kW/cm2. Das bedeutet, der Spiegel kann einer Energiedichte von 0,5 J/cm2 von einem im Femtosekundenbereich gepulsten Laser widerstehen oder 100 kW/cm2 eines Hochleistungslasers im Dauerbetrieb. Vor allem bei stark fokussierten Laserstrahlen sollten Sie darauf achten, dass die Zerstörschwelle nicht überschritten wird.

Es gibt zwar noch viele weitere Spezifikationen für die Fertigung, die Oberfläche und die Materialien, wenn Sie jedoch die geläufigsten optischen Spezifikationen kennen, können Sie Verwirrung leicht vermeiden. Linsen, Spiegel, Fenster, Filter, Prismen, Strahlteiler, Beugungsgitter und Faseroptiken haben eine Vielzahl von Eigenschaften; wenn Sie wissen, wie diese zusammenwirken und die Gesamteigenschaften eines Systems beeinflussen, können Sie leichter die besten Komponenten für die Integration in Optik-, Bildgebungs- oder Photonik-Anwendungen auswählen.

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