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Lexikon der Optik: optische Schichten

optische Schichten, dünne Schichten oder Schichtsysteme, die der gezielten Beeinflussung der optischen Eigenschaften von Grenzflächen dienen. Sie werden zur Lösung einer Vielzahl von Aufgaben der angewandten modernen Optik eingesetzt. Wichtige technische Anwendungsbereiche umfassen optische Instrumente, Laser und Lasersysteme, optische Kommunikation und Datenspeicherung, Displays, photoelektrische und photothermische Wandler, Architekturglas, Brillen usw.

Schichten werden als dünn bezeichnet, wenn die Schichtdicke im Bereiche von solchen physikalischen Dimensionen liegt, daß abweichend von massiven Körpern besondere Wirkungen entstehen. In der Optik ist diese physikalische Dimension die Wellenlänge λ des Lichtes; die besonderen Wirkungen sind Interferenzerscheinungen. Die theoretische Grundlage ist die Optik dünner Schichten, die auf den Grundgleichungen der elektromagnetischen Theorie (Maxwellsche Gleichungen) beruht.

Die passive Schichtoptik verwendet Schichten mit stabilen, konstanten Eigenschaften. Schichten, deren Eigenschaften z.B. infolge elektro-, magneto- oder thermooptischer Effekte veränderlich sind, werden in der aktiven Schichtoptik eingesetzt. Die spektrale Anwendungsbreite von technisch hergestellten dünnen o. S. umfaßt den Wellenlängenbereich von einigen Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern.

Die Wirkungsweise o. S. beruht mindestens teilweise auf Interferenz. In der Natur existieren Interferenzeffekte in dünnen Schichten; sie sind die Ursache z.B. der Farben von Perlen, Fischschuppen, Schmetterlingen, Seifenblasen, Ölfilmen auf Wasser usw. Auf natürliche Weise entstehen dünne Schichten meist durch chemische Prozesse zwischen den Schichtträgern und der Umgebung, z.B. bei korrodierten Gläsern und oxidierten Metallen.

Das an der inneren und der äußeren Grenzfläche einer Einfachschicht reflektierte Licht interferiert konstruktiv, wenn der Gangunterschied ein geradzahliges Vielfaches der Wellenlänge, mλ, beträgt, oder destruktiv, wenn er ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ausmacht (2 m+1)·λ/2 (m=0, 1, 2, ...). Die Interferenzfarben werden durch den Gangunterschied bestimmt, der eine Funktion der Schichtdicke und des Einfallswinkels des Lichtes ist. In der Dünnschichtoptik sind die Interferenzeffekte häufig wesentlich komplexer, da o. S. in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelschichten bestehen.

In einer Vielfachschichtanordnung hängen die Intensitäten der an jeder Grenzfläche in einen reflektierten und einen gebrochenen Anteil aufgespaltenen Strahlen von den Brechzahlen der dort aneinandergrenzenden Schichten ab (Amplitudenteilung). Die Phasen sind empfindlich von den Schichtdicken abhängig. Die wesentlichen Parameter zur Konstruktion der gewünschten optischen Funktion sind somit die Brechzahlen und die Dicken der Einzelschichten sowie deren Anzahl. Die Zahl der in praxi verfügbaren Brechzahlen ist jedoch begrenzt. Aus produktionstechnischen Gründen sollten die einzelnen Schichtdicken in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen und die Anzahl der Schichten minimal sein. Somit ist die Zahl und der Bereich der zur Verfügung stehenden unabhängigen Variablen und damit auch die theoretische Leistungsfähigkeit von o. S. begrenzt.

Sehr vereinfacht lassen sich o. S. einteilen in Vergütungen sowie spektral- und polarisationsbeeinflussende Schichten. Eine Übersicht gibt die Abb.

1) Vergütungen haben das Ziel, die Reflexion und Transmission von optischen Funktionsflächen (Linsen, Spiegel, Prismen) in einem definierten Spektralbereich einem gewünschten Extremwert anzunähern (Entspiegelungen, Verspiegelungen) bzw. bestimmte R/T-Werte (R Reflexions- und T Transmissionsgrad) einzustellen (Neutralteiler). Das Substrat für die Vergütung ist in der Regel das optische Bauelement selbst.

Entspiegelungen (Antireflexbeschichtungen, AR-Beschichtungen; AR Abk. für Antireflex) vermindern die Reflexion (R → 0) und erhöhen folglich die Transmission (T → 1) optischer Funktionsflächen.

Auf eine Grenzfläche fallendes Licht wird dort um so mehr reflektiert, je größer der Unterschied der Brechzahlen der beiden Medien ist. Nach den Fresnelschen Gleichungen ist der Reflexionsgrad für Licht, das, aus einem Medium mit der Brechzahl n0 kommend, senkrecht auf ein Medium mit der Brechzahl n1 fällt, gegeben durch R = (n1-n0)2/(n1+n0)2 (Reflexion). Daraus ergibt sich beispielsweise für eine Luft-Glas-Grenzfläche (n0 = 1, n1 = 1,52 für BK-7) R = 4%, und für eine Luft-Germanium-Grenzfläche (n1 = 4,0) R = 36%. Die Transmissionserhöhung durch Entspiegelung (T-Belag) ist besonders für optische Systeme mit einer hohen Anzahl von Glas-Luft-Grenzflächen und für infrarot-optische Systeme von großer Bedeutung. Die damit einhergehende Minderung von unerwünschten Reflexen und Falschlicht (Geisterbilder) sorgt für eine Kontrasterhöhung im Bild.

Die ideale AR-Beschichtung ist eine brechzahlinhomogene Schicht mit einem kontinuierlichen Brechzahlübergang zwischen den beiden Medien. Für die technische Realisierung von Entspiegelungen gibt es zwei Wege. Durch subtraktive Verfahren, beispielsweise durch Auslaugen von höherbrechenden Glaskomponenten oder durch Aufrauhen, Ätzen bzw. Mikrostrukturierung (z.B. Pyramidenarrays), wird die Oberfläche so verändert, daß eine brechzahlinhomogene Schicht entsteht. Technisch wichtiger sind additive Verfahren, bei denen auf die Grenzfläche glasfremde Schichten aufgebracht werden.

Entspiegelungen können aus einer Einfachschicht oder aus Mehrfachschichten (MC-Belag, MC Abk. für engl. multi-coating) bestehen.

Die Entspiegelungsbedingung für eine Luft-Glas-Grenzfläche bei einer Wellenlänge λ0 erfordert bei einer Einfachschicht eine Schichtbrechzahl nS=(n0nG)1/2 und eine optische Dicke nSdS0/4 (nG Brechzahl des Glases und dS geometrische Dicke). Aufgedampfte Einfachschichten aus Magnesiumfluorid MgF2 mit nS=1,38 stellen aus optischer und technologischer Sicht einen guten Kompromiß dar. Je nach Substratglas und Wellenlänge werden technisch Restreflexionen von 1,2% bis 0,3% erreicht, was zu einer weiten Verbreitung solcher Schichten bei der Entspiegelung optischer Elemente aus Glas oder Plastik für Ferngläser, Kameras, Projektoren, Brillen, Solarzellen usw. geführt hat. Höherbrechende Einfachschichten werden zur Entspiegelung von infrarot-optischen Komponenten aus Germanium (z.B. Zinksulfid ZnS) oder Photodioden bzw. Solarzellen aus Silicium (z.B. Tantalpentoxid Ta2O5) eingesetzt.

Für die Verwendung von Entspiegelungen aus mehreren Einfachschichten, typisch sind 2 bis 8, gibt es zwei wesentliche Gründe: (1) weitere Minimierung der Reflexion in einem engen Spektralbereich und (2) Erweiterung des Spektralbereiches mit niedriger Reflexion. Nach der Form der R(λ)-Kurve werden Lösungen für (1) V-Entspiegelungen bzw. für (2) W-Entspiegelungen genannt. Die sehr wellenlängenselektiven V-Entspiegelungen, die extrem kleine Restreflexionen ermöglichen, werden häufig unter Verwendung von Schichtmaterialien mit hohen Laserzerstörungsschwellen zur Entspiegelung für bestimmte Laserlinien im Spektralbereich von UV bis IR benutzt. Die spektral breitbandigen W-Entspiegelungen ersetzen häufig die Einfachschichten in den klassischen Anwendungsbereichen.

Die Reflexion von Metallen wird durch das Aufbringen von dielektrischen Schichten vermindert. Bei schlecht reflektierenden Metallen (z.B. Titan) kann mit einer dielektrischen Schicht eine destruktive Interferenz und damit eine gute Entspiegelung erreicht werden. Zur Entspiegelung von hochreflektierenden Metallen muß die Reflexion der äußeren Grenzfläche, der dielektrischen Schicht, durch eine zusätzliche dünne Metallschicht gesteigert werden. Durch eine entsprechende Wahl der Schichtdicken der Metallschicht und der dielektrischen Schicht, die auch als Phasenanpaßschicht bezeichnet wird, kann jedes hochreflektierende Metall perfekt entspiegelt werden. Hat die Phasenanpaßschicht beispielsweise thermoplastische Eigenschaften, so kann mit Hilfe von Schreiblasern die Entspiegelung lokal zerstört werden, so daß der bestrahlte Bereich eine hohe Reflexion aufweist. Derartige Metallentspiegelungen werden z.B. in einigen Varianten bei der optischen Datenspeicherung eingesetzt.

Eine induzierte Resonanzabsorption (INDAB, induzierte Absorption) in dünnen absorbierenden Schichten wird erreicht, wenn durch eine entsprechende Gestaltung der angrenzenden Medien die Reflexion in das Superstrat und die Transmission in das Substrat jeweils sehr klein werden. Dadurch ergibt sich in der nahezu vollständig absorbierenden Schicht eine extrem hohe Volumendichte der absorbierten Strahlungsenergie und eine Steuerbarkeit der schichtinternen Absorptionsverteilung. INDAB-Schichten bewirken eine signifikante Steigerung der Effizienz bekannter photothermischer, photochemischer und photoelektronischer Energiewandlungsprozesse, wie sie z.B. bei der optischen Speicherung, der Mikrostrukturerzeugung, in Dünnschicht-Solarzellen und in trichromatischen CCD-Sensorarrays auftreten.

Verspiegelungen (HR-Beschichtungen, -Spiegel, -Reflektoren; HR Abk. für hochreflektierend) maximieren die Reflexion (R → 1) und minimieren die Transmission (T → 0) in einem bestimmten Wellenlängenbereich.

Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Klassifizierung von Verspiegelungen. Man unterscheidet (a) nach der Anordnung der Verspiegelungsschicht Vorderflächenspiegel oder Rückflächenspiegel, (b) nach dem Material der reflexionstragenden Schicht Metallspiegel oder dielektrische Spiegel, (c) nach der spektralen Breite der Reflexion Schmalbandspiegel oder Breitbandspiegel, (d) nach dem Reflexionsgrad hochreflektierende Spiegel (Vollspiegel) oder Teilspiegel (Neutralteiler, achromatische Teiler, Strahlteiler, partielle Reflektoren, Auskoppelspiegel) und (e) Spiegel mit kontrolliertem Phasenverlauf z.B. für Ultrakurzzeitanwendungen.

(a) Vorderflächenspiegel vermeiden die Transmission des Lichtes durch das Substrat, das somit weder optisch homogen noch transparent zu sein braucht. Beispielsweise sind die Primärspiegel von Teleskopen Vorderflächenspiegel. Rückflächenspiegel finden in bestimmten Prismen z.B. für die Bilddrehung oder die Strahlteilung Anwendung. Sie werden auch benutzt, wenn die reflektierende Schicht vor aggressiven Einflüssen geschützt werden soll, z.B. bei Spiegeln von Solarkonzentratoren.

(b) Metallspiegel aus dünnen Silber-, Aluminium-, Gold- oder Rhodiumschichten haben in einem breiten Spektralbereich ein hohes Reflexionsvermögen. Sie sind jedoch weich und anfällig gegenüber Umwelteinflüssen, wodurch häufig fluoridische oder oxidische Schutzschichten erforderlich sind, die jedoch mit Ausnahme von λ/2-Schichten die Metallschicht entspiegeln und so deren Reflexion mindern. Es ist aber mit zusätzlich auf die Metallschicht aufgebrachten dielektrischen Schichtsystemen auch möglich, die Reflexion über den Reflexionsgrad der Metallschicht hinaus zu steigern.

Dielektrische Spiegel bestehen aus Vielfachschichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl (Wechselschichtsystem). Haben die Einzelschichten alle die gleiche optische Dicke λ0/4, so interferieren wegen des zusätzlichen Phasensprunges alle reflektierten Wellen der Wellenlänge λ0 konstruktiv, und man erhält einen schmalbandigen Spiegel mit einem von der Anzahl und dem Brechzahlkontrast der Schichten abhängigen, unter Umständen sehr hohen Reflexionsgrad. Der Spektralbereich hoher Reflexion kann erweitert werden entweder durch Kombination von mehreren λ/4-Wechselschichtsystemen, die für verschiedene Wellenlängen konstruiert sind, oder durch ein Wechselschichtsystem mit gestaffelten Schichtdicken. Dielektrische Spiegel mit einem radial variablen Reflexionsgrad werden z.B. in der Lasertechnik zur Verbesserung der Strahlqualität benutzt (Gauß-Spiegel).

(c) Die Breite des Spektralbereiches hoher Reflexion wird durch den Schichtaufbau bestimmt, an dem eine (metallische) bis zu einigen zehn (dielektrische) Schichten beteiligt sein können. Besonders hohe Schichtzahlen erfordern Reflektoren für die Bereiche UV und EUV (extremes UV), in denen die verfügbaren Brechzahlkontraste klein sind.

Schmalbandspiegel mit einer hohen Reflexion für eine Wellenlänge sind typisch für Laseranwendungen. Breitbandigere Laserspiegel sind für durchstimmbare Laser oder Lasersysteme erforderlich, die bei verschiedenen Wellenlängen betrieben werden. Beispielsweise muß ein Spiegel für einen Krypton- oder einen Argonionenlaser im Spektralbereich von 458 bis 676 nm eine hohe Reflexion aufweisen. Die Spiegel von astronomischen Teleskopen müssen im Spektralbereich vom UV (320 nm) bis IR (2,5 μm) reflektieren. Aluminiumschichten mit einer hohen Reflexion im Spektralbereich von 120 nm bis 100 μm sind dafür eine brauchbare Lösung.

(d) Neutralteiler (Strahlteiler, partielle Reflektoren, Auskoppelspiegel, Graufilter) realisieren in einem bestimmten Spektralbereich ein definiertes Verhältnis von Reflexion und Transmission (R/T = const). Eine Anwendung ist die wellenlängenunabhängige Teilung oder Schwächung des Lichtes. Man unterscheidet Graufilter mit konstantem Transmissionsgrad über die gesamte Filterfläche hinweg und Graukeile, bei denen der Transmissionsgrad nach einer bestimmten Funktion vom Ort (linear, radial) abhängt.

Teiltransparente Metallschichten mit Schichtdicken bis zu wenigen 10 nm, die zur Verbesserung ihrer optischen Eigenschaften mit dielektrischen Schichten versehen sein können, sind ausgezeichnete Neutralteiler, die bei schräger Inzidenz nur geringe Polarisationseffekte zeigen. Nachteilig sind die hohen Lichtverluste infolge von Absorption, die auch die thermische Belastbarkeit begrenzt, sowie die Degradation von Metallschichten.

Neutralteiler, die vollständig aus dielektrischen Schichten bestehen, sind stabiler. Die Bandbreiten sind jedoch wesentlich kleiner und die Polarisationseffekte bei großen Einfallswinkeln wesentlich stärker. Die Konstruktion von nichtpolarisierenden dielektrischen Teilern bei schräger Inzidenz ist eine spezielle Designaufgabe, die streng nur für diskrete Wellenlängen lösbar ist. Auskoppelspiegel z.B. für Laser, die ein bestimmtes R/T-Verhältnis in einem engen Spektralbereiche aufweisen, bestehen aus einem entsprechend konstruierten λ/4-Wechselschichtsystem.

(e) Spiegel mit definiertem Phasenverlauf sind für Spezialanwendungen erforderlich, z.B. in Interferometern oder als CO2-Laserspiegel mit Phasenretarderfunktion. Gechirpte Spiegel mit einem definierten Phasenverlauf ϕ(λ) werden bei der Erzeugung extrem kurzer Laserimpulse (einige fs) eingesetzt.

2) Spektralbeeinflussende optische Schichten (Interferenzfilter, Spektralfilter, dichroitische Teiler) sind optische Bauelemente, die in einem definierten Spektralbereiche eine hohe Transmission und in dem restlichen Spektralbereiche eine hohe Dämpfung durch Reflexion und/oder Absorption aufweisen. Das Substrat ist in der Regel eine Planplatte, die lediglich eine Trägerfunktion für die dünnen, Interferenz hervorrufenden Schichten hat. Spezielle Verfahren gestatten auch die Herstellung von freitragenden Filterschichtsystemen. Manchmal dienen auch geeignete Funktionsflächen eines optischen Systems als Substrat.

Kantenfilter teilen polychromatisches Licht in einen längerwelligen und einen kurzwelligen Anteil, von denen der eine mit einem hohen Transmissionsgrad durchgelassen und der andere reflektiert und/oder absorbiert wird. Breitbandfilter realisieren die gewünschte spektrale Teilungsfunktion über einen relativ weiten Spektralbereich. In Abhängigkeit davon, ob der Transmissionsbereich im Kurzwelligen oder im Langwelligen liegt, unterscheidet man Kurzpaß- oder Langpaßfilter. λ/4-Wechselschichtsysteme sind die einfachsten Kantenfilter, da ihre Transmissionscharakteristik Serien von Paß- und Stopbänder aufweist. Allein durch Änderung der optischen Dicke eines λ/4-Wechselschichtsystems kann z.B. das erste Reflexionsband an eine beliebige Stelle des Spektrums gelegt werden, um so Kurzpaß- oder Langpaßfilter mit steilen Kanten und niedrigen Transmissionswerten in den Reflexionsbereichen zu erzeugen. Derartige Interferenzfilter haben wesentliche Vorteile gegenüber Kurzpaßfiltern auf Absorptionsbasis, die es mit ausreichend steiler kurzwelliger Durchlaßkante nicht gibt.

Rugate Filter sind Wechselschichtsysteme mit einer sinusförmigen Variation der Brechzahlen. Schichtsysteme mit solchen Eigenschaften unterdrücken alle Interferenzordnungen größer als 1.

Kantenfilter finden vielfältige Anwendungen in der Projektions- und Beleuchtungstechnik, z.B. zur Korrektur der Farbtemperatur, als Kaltlichtspiegel (hohe Reflexion im VIS und hohe Transmission im IR), als Wärmeschutzfilter bzw. Warmlichtspiegel (hohe Transparenz im VIS und hohe Reflexion im IR) sowie zur Beschichtung von Strahlungsquellen zwecks Reduzierung unerwünschter Strahlungsanteile im IR und/oder UV.

Wegen der Absorptionsfreiheit können bei dielektrischen (aus dielektrischen Schichten bestehenden) Filtern sowohl die reflektierten als auch die transmittierten Spektralanteile genutzt werden. Kantenfilter, die bei schräger Inzidenz in Transmission und Reflexion jeweils verschiedene Farben zeigen, werden als dichroitische Strahlteiler, dichroitische Spiegel, Spektralteilungsspiegel oder Farbspiegel bezeichnet. Sie finden bei der Farbteilung, z.B. in der Film-, Druck-, Kopier-, Strukturübertragungs- und Kameratechnik, Anwendung.

Bandpaßfilter sind Interferenzschichtbauelemente mit einer hohen Transmission in einem definierten Spektralbereich von λ1 bis λ2 und einer hohen Reflexion und/oder Absorption bei allen anderen Wellenlängen λ<λ1 und λ>λ2. Nach der spektralen Breite des Paßbandes unterscheidet man Breitband- und Schmalbandfilter. Diese Filter bestehen in der Regel aus einem Schichtsystem, das die Charakteristik des Paßbandes erzeugt, und Blockfiltern (in der Regel Kantenfilter), die unerwünschte Transmission bei den periodischen Seitenbändern durch Reflexion und/oder Absorption unterdrücken.

Breitbandpaßfilter können durch eine serielle Anordnung von einem Kurzpaßfilter und einem Langpaßfilter auf einem Substrat realisiert werden.

Schmalbandpaßfilter (Schmalband-, Linien-, Dünnschicht-Fabry-Perot-Filter) beruhen in ihrer einfachsten Ausführung auf dem Fabry-Perot-Etalon, das aus zwei identisch reflektierenden Oberflächen besteht, die planparallel in einem definierten Abstand angeordnet sind. Die einfachste Nachbildung dieses Etalons mit optischen Schichten besteht aus einer symmetrischen Anordnung: Glas | semitransparente Silberschicht | dielektrische λ0/2-Abstandsschicht | semitransparente Silberschicht | Glas. Anordnungen, bei denen eine dielektrische Abstandsschicht (D) zwischen zwei halbdurchlässigen Metallschichten (M) eingebettet ist, werden auch als MDM-Filter oder metalldielektrische Filter bezeichnet. Die λ0/2-Abstandsschicht erfüllt für die zu transmittierende Wellenlänge λ0 die Resonanzbedingung; außerhalb dieses Spektralbereiches wird die Resonanzbedingung verletzt, und die Transmission sinkt drastisch. MDM-Filter sind einfach zu fertigen und haben Bandbreiten z.B. von 10 bis 20 nm im VIS. Für MDM-Filter im UV-Bereich sind semitransparente Aluminiumschichten geeignet.

Ein weiterer Schmalbandfiltertyp ist das Filter mit induzierter Transmission (ITF, Abk. für engl. induced transmission filter), das aus einer Metallschicht besteht, die in dielektrische Wechselschichtsysteme eingebettet ist. Aufgabe der Wechselschichten ist es, bei einer bestimmten Wellenlänge die elektrische Feldstärke in der Metallschicht möglichst klein zu machen. Die Metallschicht hat somit bei dieser Filterwellenlänge eine maximale Transmission, die in der spektralen Umgebung steil abfällt.

Der wesentlichste Nachteil der metalldielektrischen Filter ist die geringe Transmission im Transparenzbereich, z.B. 20 bis 40% im VIS. Schmalbandfilter mit einer erhöhten Transmission und geringeren spektralen Breiten des Paßbandes können konstruiert werden, wenn die halbtransparenten Metallschichten durch dielektrische Spiegel ersetzt werden (dielektrische Schmalbandfilter).

Durch Verkitten zweier identischer Interferenzfilter erhält man Doppellinien-Filter oder Doppel-Bandpaßfilter mit im Vergleich zu den Einzelfiltern verbesserter Selektivität, aber auch mit geringerer Transmission im Durchlaßbereich.

Verlauffilter mit einer lateralen Änderung der spektralen Lage des Paßbandes entstehen durch eine laterale Dickenvariation der Abstandsschicht. Das Paßband verschiebt sich dann mit zunehmender Dicke der Abstandsschicht zu größeren Wellenlängen hin. Man unterscheidet lineare und zirkulare Verlauffilter.

Interferenzfilter finden vielfältige Anwendungen, etwa als kostengünstige Monochromatoren z.B. in Filterspektrometern, in optischen Instrumenten zur Bandbegrenzung oder Bandselektion z.B. in der Fluoreszenzmikroskopie und in der optischen Nachrichtentechnik für das Multiplexing.

Minusfilter (Bandstop-Filter, engl. notch oder rejection filter) eliminieren einen Wellenlängenbereich aus dem Spektrum. Idealerweise beträgt der Reflexionsgrad 100% im Bereich von λ1 bis λ2 (Reflexionsband, Stopband, engl. rejection band) und der Transmissionsgrad 100% in den Wellenlängenbereichen λ<λ1 und λ>λ2. Minusfilter sind im wesentlichen λ/4-Wechselschichtsysteme, bei denen die Reflexion in den Wellenlängenbereichen außerhalb des Reflexionsbandes geglättet ist.

3) Polarisationsbeeinflussende optische Schichten (Schichtpolarisatoren, Interferenzpolarisatoren) sind in ihrer breitesten Bedeutung Schichtsysteme, die einen Polarisationszustand des Lichtes in einen anderen überführen. Lineare Polarisatoren wandeln Licht mit einem beliebigen Polarisationszustand in linear polarisiertes Licht um.

Grundlage von Schichtpolarisatoren ist die bei nicht senkrechtem Lichteinfall vorhandene Abhängigkeit ihrer optischen Eigenschaften vom Polarisationszustand des auftreffenden Lichtes. Bei Kantenfiltern beispielsweise erhöht sich mit dem Einfallswinkel die Breite des Stopbandes für die p-Komponente (Reflexion), während sie sich für die s-Komponente verringert. Ursache ist der Brechzahlkontrast der effektiven Brechzahlen, der sich mit wachsendem Einfallswinkel für die p-Komponente verringert und für die s-Komponente erhöht. Somit ergibt sich zwischen dem Stopband der p- und der s-Komponente ein Bereich, in dem die Reflexion für die s-Komponente hoch und für die p-Komponente gering ist. Durch Nutzung des Brewsterschen Gesetzes für das Substrat kann die Reflexion der Substratrückfläche minimiert werden. Für p-polarisiertes Licht verschwindet die Reflexion an einer Grenzfläche beim Brewster-Winkel, während sie für das s-polarisierte Licht mit dem Einfallswinkel steigt. Dieser Effekt wird in Polarisationswürfeln genutzt, in denen ein λ/4-Wechselschichtsystem so gekippt ist, daß das Licht auf die Schichten unter dem Brewster-Winkel einfällt und so die s-Komponente reflektiert und die p-Komponente transmittiert wird.

4) Schichtherstellung. Bei der technisch wichtigen additiven Herstellung von optischen Schichten durch Aufbringen von glasfremden Schichten auf Substrate finden physikalische und chemische Beschichtungsverfahren sowie Mischformen Anwendung.

Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD, Abk. für engl. physical vapour deposition) wird eine feste Substanz in die Gasphase überführt, aus der sie dann auf einem Substrat kondensiert. Man unterscheidet dabei Aufdampf- und Sputterprozesse.

Bei der Hochvakuumbedampfung wird die schichtbildende Substanz durch direktes (stromdurchflossene Schiffchen, Spiralen) oder indirektes Erhitzen auf dem Wege der Verdampfung oder Sublimation in den gasförmigen Zustand gebracht. Bei der Elektronenstrahlverdampfung wird die schichtbildende Substanz, die sich in einem gekühlten Tiegel befindet, durch den Beschuß von Elektronen auf die erforderliche Temperatur gebracht. Beim Sputtern werden Atome oder Moleküle aus einem Target (Katode) durch Beschuß mit Ionen herausgeschlagen, die dann auf dem in Targetnähe angeordneten Substrat kondensieren. Beim konventionellen Sputtern (Diodensputtern) werden Ionen in einer Gleichspannungs- (DC-Sputtern) oder Hochfrequenzentladung (HF-Sputtern) eines Edelgases bei Drücken von ca. 0,1 bis 1 Pa erzeugt und beschleunigt. Beim Ionenstrahlsputtern wird ein Strahl monoenergetischer Ionen in einer Ionenstrahlquelle erzeugt und auf das Target geschossen.

Zu den chemischen Schichtabscheidungsverfahren zählen die naßchemischen Verfahren, bei denen geeignete Lösungen durch Tauchen, Schleudern oder Sprühen auf Schichtträger aufgebracht werden. Alkoholische Lösungen für die Herstellung von Oxidschichten enthalten z.B. ein Metallhalogenid, Wasser und Tenside. Da sich das Metallhalogenid mit dem Wasser unter Freisetzung von aggressiven Halogenwasserstoffen umsetzt, ersetzt man meist das Metallhalogenid durch geeignete metallorganische Verbindungen.

Eine sehr lange bekannte Technik ist die Herstellung von Metallschichten durch Reduktion von Metallsalzlösungen (Versilberungsflüssigkeiten), die auch heute noch für herkömmliche Spiegel eingesetzt wird. Metallschichten, wie z.B. Goldspiegel für CO2-Laser, werden auch durch galvanische Verfahren hergestellt.

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, Abk. für engl. chemical vapour deposition) werden gasförmige Reaktionspartner verwendet, die durch energetische Einwirkung umgesetzt werden (Thermolyse, Photolyse mit Lasern, Polymerisation usw.). Beim Plasma-CVD-Verfahren (PECVD, Abk. für engl. plasma-enhanced chemical vapour deposition) wird im Reaktionsgefäß zusätzlich eine z.B. mit Hochfrequenz oder Mikrowellen angeregte Entladung gezündet, um die chemische Umsetzung zu aktivieren. Eine Besonderheit ist das Impuls-PECVD-Verfahren, bei dem die Entladung gepulst wird, so daß mit jeweils einem Puls eine sehr dünne Schicht abgeschieden wird. Die Schichtdicke kann somit über die Pulszahl bestimmt werden. Auch Mischschichten und komplizierte Brechzahlprofile lassen sich mit diesem Verfahren erzeugen.



Optische Schichten: Schematische Darstellung der spektralen Charakteristiken Reflexion (R), Transmission (T) und Absorption (A) von optischen Schichten. λ Wellenlänge, s und p Polarisationskomponenten des Lichtes.

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