Optische Interferenzbeschichtungen

Grundlagen

Der Einfluss einer einzelnen dielektrischen Schicht auf den Reflexionsgrad einer Oberfläche ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Ein einfallender Strahl (a) wird an der Luft-Schicht-Grenzfläche in einen transmittierten Strahl (b) und einen reflektierten Strahl (c) aufgeteilt. Der transmittierte Strahl (b) wird wiederum in einen reflektierten Strahl (d) und einen transmittierten Strahl (e) aufgeteilt. Die reflektierten Strahlen (c) und (d) können interferieren. In Abb. 1 wird die Phase durch die Schattierung der reflektierten Strahlen dargestellt. Der Abstand von "hell zu hell" oder "dunkel zu dunkel" ist die Wellenlänge. Je nach Phasendifferenz zwischen den reflektierten Strahlen kann es zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz kommen. Der Reflexionsgrad an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien hängt von den Brechungsindizes der Medien, dem Einfallswinkel und der Polarisation des Lichts ab.

Im Allgemeinen wird sie durch die Fresnel-Gleichungen beschrieben:

Bei normalem Einfall (α = ß = 0°) können die Gleichungen auf diesen einfachen Ausdruck reduziert werden:

Der Phasenunterschied zwischen den Strahlen (c) und (d) (siehe Abb. 1) ist durch die optische Dicke n × t der Schicht gegeben (das Produkt aus dem Brechungsindex n und der geometrischen Dicke t). Außerdem ist eine Phasenverschiebung von π, d. h. eine Halbwelle, zu berücksichtigen, wenn Licht aus einem Medium mit niedrigem Brechungsindex an der Grenzfläche zu einem Medium mit hohem Index reflektiert wird. Eine ausführliche Erläuterung der Physik optischer Interferenzbeschichtungen finden Sie in der auf der Seite Literature zitierten Literatur. Im Folgenden finden Sie einige Regeln, die Ihnen helfen sollen, die optischen Eigenschaften der in diesem Katalog beschriebenen Beschichtungen zu verstehen:

• Schichten mit hohem Brechungsindex erhöhen den Reflexionsgrad der Oberfläche. Das Reflexionsmaximum für eine bestimmte Wellenlänge λ wird bei n × t = λ/4 erreicht. Nur im Falle einer optischen Dicke n × t = λ/2 ändert sich das Reflexionsvermögen der Oberfläche für diese Wellenlänge λ nicht.
• Schichten mit niedrigem Index verringern das Reflexionsvermögen der Oberfläche. Das Reflexionsminimum für eine bestimmte Wellenlänge λ wird bei n × t = λ/4 erreicht. Nur bei einer optischen Dicke n × t = λ/2 ändert sich der Reflexionsgrad der Oberfläche für diese Wellenlänge λ nicht.

Antireflexbeschichtungen (AR)

Eine einzelne Schicht mit niedrigem Brechungsindex kann als einfache AR-Beschichtung verwendet werden. Das häufigste Material für diesen Zweck ist Magnesiumfluorid mit einem Brechungsindex von n = 1,38 im VIS und NIR. Dieses Material reduziert den Reflexionsgrad pro Oberfläche auf R ≈ 1,8 % für Quarzglas und nahezu Null für Saphir.

AR-Beschichtungen für einzelne Wellenlängen, die aus 2 bis 3 Schichten bestehen, können für alle Substratmaterialien entwickelt werden, um den Reflexionsgrad für die jeweilige Wellenlänge auf nahezu Null zu reduzieren. Diese Beschichtungen werden vor allem bei Laseranwendungen eingesetzt. AR-Beschichtungen für mehrere Wellenlängen oder für breite Wellenlängenbereiche sind ebenfalls möglich und bestehen aus 4 bis 10 Schichten.

Spiegel und partielle Reflektoren

Das verbreitetste Spiegeldesign ist der sogenannte λ/4-Stapel, d. h. ein Stapel aus abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten mit gleicher optischer Dicke von n × t = λ/4 für die gewünschte Wellenlänge. Diese Anordnung führt zu einer konstruktiven Interferenz der reflektierten Strahlen, die an jeder Grenzfläche zwischen den Schichten entsteht. Die spektrale Breite des Reflexionsbandes und der maximale Reflexionsgrad für eine bestimmte Anzahl von Schichtpaaren hängen vom Verhältnis der Brechungsindizes der Schichtmaterialien ab. Ein großes Brechungsindexverhältnis führt zu einem breiten Reflexionsband, während mit Materialien mit einem niedrigen Brechungsindexverhältnis ein schmales Reflexionsband erzeugt werden kann.

Zur Veranschaulichung der Auswirkungen verschiedener Brechungszahlunterschiede vergleicht, Abb. 4 die Reflexionsspektren von λ/4-Stapeln, die aus 15 Paaren Ta₂O₅ + SiO₂ (Δn ≈ 0,66) und TiO₂/SiO₂ (Δn ≈ 0,91) bestehen, für 800 nm.

Der theoretische Reflexionsgrad nähert sich R = 100 % mit zunehmender Anzahl von Schichtpaaren, wenn man davon ausgeht, dass ideale Beschichtungen keine Absorptions- und Streuverluste aufweisen. Teilreflektoren mit mehreren diskreten Reflexionswerten zwischen R = 0 % und R = 100 % können mit einer geringen Anzahl von Schichtpaaren hergestellt werden (siehe Abb. 5). Durch Hinzufügen von Schichten zu einem Stapel, die von der λ/4-Dicke abweichen, kann der Reflexionsgrad auf jeden gewünschten Wert optimiert werden.

Abb. 5 zeigt auch, dass eine zunehmende Anzahl von Schichtpaaren zu steileren Rändern des Reflexionsbandes führt. Dies ist besonders wichtig für Kantenfilter, d. h. für Spiegel mit niedrig reflektierenden Seitenbändern. Extrem steile Flanken erfordern eine große Anzahl von Schichtpaaren, was ebenfalls zu einem sehr hohen Reflexionsgrad (HR) führt. Extrem hohe Reflexionswerte erfordern sehr geringe optische Verluste. Dies kann durch den Einsatz von Sputtertechnologien erreicht werden.

Dielektrische Breitbandbeschichtungen

Der erste Schritt zu breitbandigen Spiegeln und Auskopplern ist die Verwendung von Beschichtungsmaterialien mit einem großen Verhältnis der Brechungsindizes. Die Bandbreite kann durch spezielle Beschichtungsdesigns, d. h. durch die Verwendung von nicht-viertelwelligen Schichten, weiter erhöht werden.

Der einfachste Weg ist die Kombination von zwei oder mehr Viertelwellenschichten mit überlappenden Reflexionsbereichen. Dies führt jedoch zu einem Anstieg der optischen Verluste bei den Wellenlängen, bei denen sich die Bänder überschneiden. Darüber hinaus können Mehrfachstapel nicht für UKP-Laser verwendet werden, da sie zu Pulsverzerrungen führen.

LAYERTEC bietet spezielle volldielektrische Breitbandkomponenten für UKP-Laser bis zu einer Bandbreite von einer Oktave, d.h. 550 nm - 1100 nm (siehe Seite Oktavübergreifende Ultrakurzpuls-Laseroptik (400 – 500 nm Bandbreite)).

Eine noch größere Bandbreite kann mit Metallen erreicht werden. Der natürliche Reflexionsgrad von Metallen ist jedoch auf 92 - 99 % begrenzt (siehe Seite Metallische Beschichtungen), kann aber durch dielektrische Beschichtungen erhöht werden. Informationen zu breitbandigen metallisch-dielektrischen Spiegeln finden Sie auf den Seiten Breitband- und Scannerspiegel (300 – 2500 nm) und Vorderseiten-Silberspiegel (400 – 4000 nm).

Optische Verluste

Licht, das auf ein optisches Bauteil trifft, wird entweder reflektiert, transmittiert, absorbiert oder gestreut. Unter diesem grundlegenden Gesichtspunkt kann die Energiebilanz mit folgender einfachen Gleichung beschrieben werden

R + T + A + S = 1 (mit R …​ Reflexionsgrad, T …​ Transmissionsgrad, A …​ Absorption und S …​ Streuung).

In der Laserphysik und Feinoptik werden Absorption und Streuung als optische Verluste zusammengefasst, da der absorbierte und gestreute Anteil des einfallenden Lichts nicht mehr als Informationsträger bzw. als optisches Werkzeug genutzt werden kann. In der Praxis hängt der erzielbare Reflexionsgrad von den Absorptions- und Streuverlusten der Optik ab.

Die Streuverluste nehmen mit abnehmender Wellenlänge drastisch zu, was durch die Mie-Theorie (Streuung an Teilchen mit Durchmessern in der Größenordnung von λ, S ~ 1/λ²) und die Rayleigh-Theorie (Streuung an Teilchen mit Durchmessern < λ, S ~ 1/λ⁴) beschrieben werden kann. Je nach Oberflächen- und Volumenstruktur treten Mie- und Rayleigh-Streuung gleichzeitig auf. Die Streuverluste hängen entscheidend von der Mikrostruktur der Beschichtungen und damit von der verwendeten Beschichtungstechnologie ab. In der Regel weisen Beschichtungen, die durch Bedampfungstechniken hergestellt werden, deutlich höhere Streuverluste auf als Beschichtungen, die durch Magnetronsputtern oder Ionenstrahlsputtern hergestellt werden. Die starke Abhängigkeit der Streuverluste von der Wellenlänge ist der Grund dafür, dass Streuverluste im UV-Bereich ein großes Problem darstellen, während sie im NIR-Bereich und darüber hinaus weniger wichtig sind.

Die Absorption in optischen Beschichtungen und Substraten wird hauptsächlich durch die Bandstruktur der Materialien bestimmt.Übliche Oxidmaterialien weisen Bandlücken von 3 bis 7 eV auf, die Absorptionskanten im NUV und DUV entsprechen. Fluoride haben Bandlücken von 9 bis 10 eV, was zu Absorptionskanten im VUV-Spektralbereich führt (weitere Informationen finden Sie auf Seite Quarzglas ff). Einige Materialien zeigen auch Absorptionsbanden zusätzlich zur Grundabsorptionskante, wie die Absorptionsbande von Si-O-H-Bindungen in Quarzglas um 2,7 µm. Defekte in den Schichten bilden absorbierende Zustände in der Bandlücke der Materialien. Diese Defekte können durch Verunreinigungen oder durch die Bildung von nicht stöchiometrischen Verbindungen entstehen. Optische Beschichtungen müssen im Hinblick auf geringe Verunreinigungen und gute Stöchiometrie optimiert werden. Auch diese Art von Absorptionsverlusten nimmt mit abnehmender Wellenlänge zu.

Die Höhe aller Arten von Verlusten hängt von der Dicke des Schichtsystems ab. Jedes Schichtpaar erhöht den theoretischen Reflexionsgrad, in der Praxis erhöht es jedoch auch die optischen Verluste. Es gibt eine optimale Anzahl von Schichtpaaren, die den maximalen Reflexionsgrad erzeugt, insbesondere bei aufgedampften Beschichtungen mit relativ großen Streuverlusten.

Wellenlängenbereich	Materialien	Beschichtungstechnologie	Reflektion
≈ 200 nm	Fluoride	Bedampfung	> 98.0 %
≈ 250 nm	Oxide	IAD Sputtern	> 99,0 % > 99,7 %
≈ 300 nm	Oxide	IAD Sputtern	> 99,5 % > 99,9 %
≈ 350 nm	Oxide	IAD Sputtern	> 99,8 % > 99,95 %
VIS	Oxide	IAD Sputtern	> 99,9 % > 99,95 %
Verlustarme Spiegel VIS	Oxide	Sputtern	> 99,99 %
NIR	Oxide	IAD Sputtern	> 99,9 % > 99,98 %
Verlustarme Spiegel NIR	Oxide	Sputtern	> 99,998 %

Schichtspannung

Ein weiterer Effekt, der die Anzahl der Schichten begrenzt, ist die mechanische Spannung in der Beschichtung. Diese Spannung ergibt sich aus der Struktur der Schichten, aber auch aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Substrat und Beschichtung. Mechanische Spannungen können das Substrat verformen, aber auch zu Rissen in der Beschichtung oder zu einer verminderten Haftfestigkeit der Beschichtung führen.

Die Spannungen können durch die Wahl des Materials und die Optimierung der Prozesstemperatur, der Abscheidungsrate und - bei ionenunterstützten und Sputterverfahren - der Ionenenergie und des Ionenflusses begrenzt werden.

Winkelverschiebung

Ein besonderes Merkmal von Interferenzschichten ist die Winkelverschiebung. Sie bedeutet, dass sich die Merkmale mit zunehmendem Einfallswinkel zu kürzeren Wellenlängen verschieben. Dreht man ein optisches Bauteil von AOI = 0° auf AOI = 45°, so führt dies zu einer Verschiebung der Merkmale um etwa 10 %. Um eine optische Beschichtung zu entwerfen, muss der Einfallswinkel bekannt sein. Außerdem müssen Polarisationseffekte bei nicht-normalem Lichteinfall berücksichtigt werden (siehe unten).

Bitte beachten Sie, dass sich der Einfallswinkel bei gekrümmten Oberflächen ändert. Linsen in einem optischen System haben immer einen Bereich von Akzeptanzwinkeln, der durch die Form der Linse und durch die Konvergenz oder Divergenz des Strahls bestimmt wird. Wenn diese Eigenschaften bekannt sind, können AR-Beschichtungen erheblich verbessert werden. Neben der Verschiebung zeigen breitbandige AR-Beschichtungen oft einen erhöhten Reflexionsgrad bei AOI ≥ 30° (siehe Abb. 6a).

Die Winkelverschiebung bietet die Möglichkeit der Winkelanpassung einer Interferenzschicht. Dies ist besonders bei Filtern und Dünnschicht-Polarisatoren nützlich. Diese Optiken weisen extrem schmale Spektralbereiche mit optimaler Leistung auf. Es kann die Leistung verringern und die Kosten drastisch erhöhen, wenn die Spezifikationen für Wellenlänge und AOI festgelegt sind. Die Winkelanpassung (siehe Abb. 6b) ist der beste Weg, um die Leistung zu optimieren und die Kosten zu minimieren.

Polarisationseffekte

Neben der Winkelverschiebung treten bei nicht-normalem Lichteinfall auch Polarisationseffekte auf. Für optische Interferenzschichten ist es ausreichend, die Reflexionskoeffizienten für s- und p-polarisiertes Licht zu berechnen. Der Reflexionsgrad von unpolarisiertem Licht wird als Mittelwert von Rs und Rp berechnet.

Um die Bedeutung der Begriffe s-Polarisation und p-Polarisation zu erklären, muss eine Bezugsebene bestimmt werden (siehe Abb. 7 unten). Diese Ebene wird durch den einfallenden Strahl und durch die Oberflächennormale der Optik definiert. "S-polarisiertes Licht" ist der Teil des Lichts, der senkrecht zu dieser Bezugsebene schwingt ("s" kommt von "senkrecht"). "P-polarisiertes Licht" ist der Teil, der parallel zur Bezugsebene schwingt. Lichtwellen mit einer zu diesen Richtungen geneigten Schwingungsebene werden in einen p-polarisierten und einen s-polarisierten Teil aufgeteilt.

Der obere Teil von Abb. 7 zeigt den Reflexionsgrad einer Glasoberfläche gegenüber der AOI für s- und p-polarisiertes Licht. Der Reflexionsgrad für s-polarisiertes Licht steigt mit zunehmendem Einfallswinkel. Für p-polarisiertes Licht nimmt er zunächst ab, wobei R unter dem Brewster-Winkel 0 % erreicht und dann wieder zunimmt, wenn der Einfallswinkel über den Brewster-Winkel hinausgeht. Im Prinzip gilt das Gleiche für dielektrische Spiegel. Für AOI ≠ 0° ist der Reflexionsgrad für s-polarisiertes Licht höher und das Reflexionsband breiter als für p-polarisiertes Licht.

Bei Kantenfiltern, bei denen eine der Kanten des Reflexionsbandes zur Trennung von Wellenlängenbereichen mit hohem Reflexionsgrad und hohem Transmissionsgrad verwendet wird, führt der nicht-normale Lichteinfall zu einer Trennung der Kanten für s- und p-polarisiertes Licht, da die Polarisationen unterschiedliche Winkelverschiebungen erfahren. Für unpolarisiertes Licht wird die Kante also erheblich verbreitert.

Dokumentation der Beschichtungsperformance bei LAYERTEC

LAYERTEC liefert zu jeder gelieferten optischen Komponente ein Datenblatt mit Transmissions- und/oder Reflexionsgrad. Das Standardverfahren besteht darin, den Transmissionsgrad der Optik bei AOI = 0° zu messen. Anhand dieses gemessenen Spektrums wird das theoretische Design mathematisch verfeinert und daraus der Reflexionsgrad beim gewünschten AOI berechnet. Gesputterte optische Beschichtungen für den VIS- und NIR-Bereich weisen extrem geringe Streu- und Absorptionsverluste auf (beide in der Größenordnung von etwa 10^-5). Dies wurde durch direkte Messungen von Streuung und Absorption sowie durch hochpräzise Reflexionsmessungen (z. B. durch Cavity-Ring-Down-Spektroskopie) bestätigt. Der Reflexionsgrad von gesputterten Spiegeln kann durch Messung des Transmissionsgrads T und Anwendung der folgenden einfachen Formel angenähert werden

R = 100 % - T

aufgrund der sehr geringen optischen Verluste. In einem normalen Spektralphotometer kann der Transmissionsgrad mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 bis 0,2 % (je nach Absolutwert) gemessen werden, während Reflexionsmessungen in Spektralphotometern meist Fehler von etwa 0,5 % aufweisen. Daher ist die Bestimmung des Reflexionsgrads von gesputterten Schichten im VIS und NIR über Transmissionsmessungen wesentlich genauer als direkte Reflexionsmessungen. Bitte beachten Sie, dass diese Methode nur angewandt werden kann, wenn die optischen Verluste sehr gering sind, was einer der Vorteile von gesputterten Schichten ist. Die Methode wird auch für aufgedampfte Schichten im UV- bis NIR-Spektralbereich verwendet, wo die optischen Verluste nur etwa 10^-3 betragen und in die Reflexionsberechnung einbezogen werden können. Im DUV-Bereich weisen die Beschichtungen in der Regel Streuverluste in der Größenordnung von 10^-3 …​ 10^-2 auf, abhängig von der Wellenlänge. Deshalb werden z. B. Fluoridbeschichtungen für Wellenlängen unter 220 nm mit direkten Reflexionsmessungen geliefert. Direkte Reflexionsmessungen sind auch bei verlustarmen Spiegeln notwendig. LAYERTEC verfügt über einen Cavity ring-down Aufbau für spektral aufgelöste Messungen im Wellenlängenbereich von 210 bis 1800 nm.

Die Datenblätter sind verfügbar und können von der LAYERTEC Website heruntergeladen werden. Abb. 9 zeigt das Download-Fenster für Datenblätter. Um Fehler zu vermeiden, ist eine Registrierung für Chargen- und Teilenummer erforderlich.