Herausforderungen in der Optik

Quarzglas für optische Anwendungen und Photonik ©Jürgen Fälchle - stock.adobe.com

Die Auswahl von Werkstoffen und Technologien, die in optischen Systemen verwendet werden, hängt von der Wellenlänge des in dem System verwendeten Lichts ab.

Der Einsatz von Quarzglas kann sich insbesondere im ultravioletten (<300 nm) und im Infrarot-Bereich (800-3500 nm) oder dann, wenn eine sehr hohe optische Homogenität gefordert ist, als sehr vorteilhaft erweisen. Voraussetzung ist in jedem Fall die Auswahl des optimalen Quarzglas. Während in der Software häufig mit allgemeinen Eigenschaften von Quarzglas gerechnet wird, unterscheidet der Experte verschiedene Quarzglasklassen. Die Unterscheidung basiert auf der Rohstoffquelle (natürlicher Quarzsand und Quarzkristall oder synthetische, gasförmige Si-O Komponenten) und Herstellungsverfahren (OH-Gehalt). Zusätzlich kann jede Quarzglasmaterialqualität, ob für UV-Transmission, IR-Transmission, Breitband-Transmission in ihrer Homogenität in einer, zwei oder drei Ausbreitungsrichtungen optimiert werden.

Für noch kürzere Licht-Wellenlängen (EUV) ist Quarzglas nicht mehr transparent; in diesem Fall müssen reflektive Systeme (plane oder gekrümmte Spiegel) benutzt werden.

Die Anzahl der optischen Konzepte, Verarbeitungs- und Bearbeitungsverfahren ist praktisch unbegrenzt. Im Folgenden gehen wir auf einige Anwendungen ein, bei denen Quarzglas das Material der Wahl ist.

Luft- und Raumfahrt

Der Erfolg der Astronomieprojekte im Rahmen der Rosetta-/Philae-Mission ist nicht zuletzt dem Einsatz von Quarzglas zu verdanken ©Stéphane Masclaux - stock.adobe.com
Rosetta-/Philae-Mission

Viele Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt erfordern den Einsatz extrem hochwertiger Werkstoffe. Sie müssen in hohem Maße widerstandsfähig, stoßfest und sehr leicht sein, und vor allem eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aufweisen.

Viele Flugzeuge und Raumfahrzeuge sind mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, die mithilfe optischer Elemente unzählige Dinge erfassen, verfolgen oder identifizieren können. Bei vielen Anwendungen handelt es sich im Grunde um die kleinere Remote-Version eines Laboraufbaus am Boden. Oft spielt die Fernerfassung eine wichtige Rolle. Aus größerer Entfernung wird Licht mit einem Spektrometer analysiert. Dazu muss dieses Licht möglicherweise gestreut werden, um eine homogene Lichtstärke zu erzielen oder jede Winkelabhängigkeit zu beseitigen. Für die Streuung von Licht (Diffusor) kommen viele Materialien wie z. B. Kunststoff, geschliffenes oder opakes Glas in Frage.

Die Sensoren benötigen möglicherweise eine einfache transparente Abdeckung, die UV- bis NIR-Strahlung durchlässt, oder einige optische Komponenten (z. B. Linsen oder Prismen). Hier ist es wichtig zu verstehen, welche Quarzglassorte welche Transmissionsleistung für einen bestimmten Wellenlängenbereich bietet. Aber nicht nur der absolute Transmissionswert ist wichtig; es kann auch interessant sein, zu wissen, womit in Hinsicht auf die Blasen- oder Einschlussgröße und -dichte zu rechnen ist. Dies sollte bekannt sein, um beurteilen zu können, ob im freien Durchgang der Optik Streudefekte oder Schlieren vorhanden sind.
Weitere Informationen zur Transmissionsleistung

Da sich die Sensoren in der Luft (oder im Weltraum) befinden, ist es für einen Techniker schwierig oder unpraktisch, Wartungsarbeiten während des Fluges durchzuführen. Daher ist es von größter Wichtigkeit, Werkstoffe zu verwenden, die den Einsatzbedingungen mindestens für die Dauer des Fluges standhalten können. Bei Raumfahrtanwendungen können das mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte sein. Insbesondere im Weltraum dürfen die Werkstoffe, die einer hohen Dosis ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, keine signifikanten Alterungserscheinungen oder eine Verschlechterung von Eigenschaften aufweisen. Zur Auswahl der optimalen Materialien sollte daher auf jeden Fall bekannt sein, wie Quarzglas durch Licht mit hoher Intensität und kosmische Strahlung geschädigt werden kann.
Weitere Informationen zu den Eigenschaften von Quarzglas

Quarzglas kann überraschend stoßbeständig sein, wenn es richtig gehandhabt wird und einige allgemeine Konstruktionsregeln beachtet werden.

Materialien von Heraeus kommen seit Jahren in vielen verschiedenen Luft- und Raumfahrtprojekten zum Einsatz.
Sehen Sie hier einige Beispiele.

Astronomie

VISTA-Teleskop
VISTA-Teleskop (Quelle: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO)

Die Astronomie beschäftigt sich mit der Beobachtung und Untersuchung von Himmelskörpern (Galaxien, Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden und Kometen) und Prozessen (Supernovae, Explosionen, Gammastrahlenausbrüche und kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung). Für ihre Forschung setzen Wissenschaftler erd- und satellitengestützte Geräte ein.

Die bekanntesten Mittel für astronomische Studien sind Teleskope. Je nach Wellenlänge verwenden sie reflektive Optiken (Spiegel) oder transmissive Optiken (Linsen/Strahlteiler). Einige Schlüsselkomponenten in Teleskopen bestehen aus Quarzglas. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das Teleskop im Bereich des sichtbaren Lichts bis in den nahen Infrarotbereich eingesetzt wird.

Je größer das Teleskop, desto besser die Auflösung. Aus diesem Grund werden Teleskop-Arrays gebaut. Das bedeutet, einzelne Teleskope, die in einem Abstand von mehreren Metern oder Kilometern voneinander aufgestellt sind, werden zusammengeschaltet, um so hochauflösende Bilder zu erzeugen. Dabei ist es wichtig, die Bilderzeugung zu synchronisieren. Dies geschieht in der Regel durch die Nutzung eines faseroptischen Kommunikationsnetzes.

Wissenschaftler setzen bei ihren Forschungsarbeiten aber nicht nur Teleskope ein, sondern auch spezielle Detektoren, um Teilchen oder Phänomene zu untersuchen, die ihren Ursprung im Weltraum haben. Ein weiteres Beispiel ist der Gravitationswellendetektor (auch als Gravitationsobservatorium bezeichnet), der Gravitationswellen durch eine sehr präzise Interferometrie misst.

Heraeus unterstützt seit Jahren viele verschiedene Luft- und Raumfahrtprojekte. Insbesondere die Fähigkeit Materialien mit einem Durchmesser von über 1400 mm zu liefern macht uns zu einem wichtigen Partner im Bereich Astronomie.
Sehen Sie hier einige Beispiele.

Endkontrolle von optischen Elementen. Quelle: Lawrence Livermore National Laboratory Credit: Lawrence Livermore National Laboratory
Endkontrolle von optischen Elementen. Quelle: Lawrence Livermore National Laboratory

Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF)
Die anspruchsvollste Anwendung für Hochenergielaser ist die Forschung auf dem Gebiet der Trägheitsfusion. Die auf diesem Gebiet eingesetzten Laser arbeiten mit kurzen Impulsen, die Nano-, Femto- oder Picosekunden dauern. Durch Verwendung mehrerer Strahlen erreichen diese Systeme eine Gesamtenergieleistung im Megajoule-Bereich im nahen Infrarot- (NIR) und Ultraviolett-(UV) Bereich.

Heute werden diese Lasersysteme meist als Festkörper-Neodym-Glaslaser auf einer Wellenlänge von 1053 nm und auf einer frequenzverdreifachten UV-Wellenlänge von 351 nm eingesetzt. Optiken in Fusionsanwendungen erfordern große (300-400 mm +) Quarzglasrohlinge mit geringer Absorption, guter optischer Homogenität sowohl bei der Gesamtindexvariation in P-V als auch den in RMS gemessenen Grenzen der Subapertur-Indexgradienten.

Defekte in den Optiken von Hochenergielasern sind ein wichtiges Entwurfskriterium. Kurze UV-Impulse können hohe Leistungsdichten erzeugen, die optische Komponenten beschädigen oder zerstören können, insbesondere bei Verzerrungen im Quarzglas. Daher wird für diese Optiken Quarzglas benötigt, das bis in den Mikrometerbereich hinein keine Blasen oder Einschlüsse aufweist. Der Bedarf an sogenannten „einschlussfreien“ Materialien hat dazu geführt, dass Spezifikationen für Blasen und Einschlüsse weit über die gängigen DIN- und ISO-Normen hinausgehen und Heraeus ein spezielles Verfahren mit der Bezeichnung „Automatic Bubble and Inclusion Inspection“ (ABII) entwickelt hat, durch das große optische Rohlinge bis zu einer Auflösung von 10 Mikrometer als „defektfrei“ zertifiziert werden können.

Forschung und kommerzielle Anwendungen
Die laufende Entwicklung kleinerer Ti:Saphir-Laser mit hoher Spitzenleistung profitiert von den Erfahrungen aus der Fusionsanwendung. Das benötigte Quarzglas muss die gleichen Anforderungen erfüllen:

  • Homogenität des Brechungsindexes
  • Geringe Absorption
  • Defektfrei

Zu den Heraeus-Marken, die ideal für HE-Anwendungen geeignet sind, zählen Suprasil® 312 (Linsen und Fenster) und Suprasil® 313 oder Spectrosil® 2000 (Schutzschilde).

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Lasermaterialbearbeitung

Einsatzgebiete von Lasern in der Materialbearbeitung umfassen das Schneiden, Schweißen oder Kennzeichnen. Wie gut ein Material eine bestimmte Energie absorbiert, ist von dem wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten des Materials beschrieben. Die Wellenlänge des Lasers sollte so gewählt werden, dass sie im hohen Absorptionsbereich des zu bearbeitenden Materials liegt.
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Um Licht von der Laserquelle zum gewünschten Arbeitspunkt zu leiten, muss ein optischer Pfad erzeugt werden. Dieser Pfad besteht aus Faseroptiken, Linsen, Prismen, Spiegeln, Fenstern oder einer Kombination dieser optischen Komponenten. Das verwendete Material hängt von der Wellenlänge des Lasers ab. Beispielsweise ist für CO2 Laser, die bei 10,6 µm im Infrarot (IR) Spektralbereich arbeiten, Zinkselenid das für transmissive Optiken am besten geeignete Material.
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Nicht-reine Quarzgläser (auch bekannt als optische Gläser) können im sichtbaren Spektralbereich von 400 nm bis 2.000 nm verwendet werden. Für Laseranwendungen mit höherer Leistung ist der Absorptionskoeffizient von optischem Glas jedoch zu hoch. Die Absorption führt zu einer lokalen Wärmeentwicklung, die ihrerseits das optische Bauteil verzerren oder zerstören kann. In diesen Fällen und auch für Anwendungen im UV- und tieferen UV-Bereich (DUV) ist Quarzglas das optimale Material, das es eine geringere Absorption, höhere Temperaturstabilität und hohe Widerstandsfähigkeit aufweist. Je nach Wellenlänge des Lasers muss die richtige Quarzglassorte gewählt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
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Faserlasersystem

Insbesondere Hochenergie- und Hochleistungslaser können Fehler in optischen Bauteilen, die den Brennpunktes erzeugen, hervorrufen. Bestimmte Quarzglassorten sind gegenüber laserinduzierte Schäden sehr widerstandsfähig, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Laseroptik wesentlich erhöht.

Bei der Bearbeitung kann die Laseroptik durch Dämpfe und aus der Bearbeitungsebene geschleuderte Bruchstücke beschädigt werden. Daher verwenden viele Optiken in der Laserbearbeitung Fenster mit Antireflexionsbeschichtung als Abdeckplatten oder Schutzglas. Diese kleinen Scheiben sind ein Verbrauchsmaterial, aber ihre Eigenschaften üben erheblichen Einfluss auf die Leistung und Lebensdauer des Gesamtsystems aus.
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In Mikrolithographiewerkzeugen kommen Quarzglasrohlinge zum Einsatz

Seit Erfindung der integrierten Schaltkreise (Halbleiterchips) ist die Mikrolithographie der entscheidende Prozessschritt in der Fertigungskette für die Elektronik. In diesem Schritt wird Licht zur Strukturierung von Silizium oder eines anderen halbleitenden Materials verwendet, indem die winzigen Strukturen einer Maske auf den mit einem Fotolack („Photoresist“) beschichteten Wafer abgebildet werden. Nach der Entwicklung dient dieser Fotolack als Vorlage für nachfolgende Prozesse, wie z. B. Dotieren und Ätzen, um die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters lokal zu verändern. Diese Funktionalisierung des Wafers ist die Grundlage für die Erzeugung aller elektronischen Einheiten (Transistoren, Kondensatoren, ...) auf dem Chip.

Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung integrierter Schaltungen (Mooresches Gesetz) erfordert eine extrem genaue optische Abbildung der Maske auf den Wafer mit nur minimalen Aberrationen, die dicht bei den theoretischen Grenzen liegen. Die Breite der kleinsten Strukturen von den technisch anspruchvollsten Chips beträgt weniger als ein Zehntel der verwendeten Wellenlänge! Das optische Design und die Herstellung solcher Projektionsoptikmodule (s. Foto) zählen zu den anspruchsvollsten Vorgängen in der Optik.

Neben der Qualität der Optik spielt die Abbildungswellenlänge eine entscheidende Rolle. Da die minimale Merkmalgröße einer abgebildeten Struktur mit kürzeren Wellenlängen immer weiter abnimmt, kommen bei der Herstellung moderner Halbleiterchips ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm (tiefes Ultraviolett, im Englischen „Deep Ultraviolet“, DUV) als Lichtquelle zum Einsatz.

Das optische Material der Wahl für die Mikrolithographie ist synthetisches Quarzglas, da es die oben genannten Anforderungen hinsichtlich eines störungsfreien optischen DUV-Systems perfekt erfüllt. Synthetisches Quarzglas weist eine sehr hohe DUV-Transmissivität (Durchlässigkeit) und eine geringe Absorption auf, so dass keine Bildfehler durch Erwärmung der Linse auftreten. Es lässt sich mit ausgezeichneter optischer 3D-Homogenität (niedrige Brechungsindexvariationen) und vernachlässigbarer Spannungsdoppelbrechung herstellen. Eine weitere Anforderung an das optische Material ist die Beständigkeit gegen UV-Strahlung. Obwohl die bei Wafer-Steppern für die Mikrolithographie verwendeten Impulsenergiedichten relativ niedrig sind (<1 mJ/cm²), behalten nur optimierte Quarzglassorten ihre hervorragenden Anfangseigenschaften über die gesamte erwartete Lebensdauer von etwa 10 Betriebsjahren.
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Commercial Optics

Die Nachfrage kann von kleinen Mengen für die Forschung und Entwicklung, bis hin zu großen Mengen von Komponenten für OEM-Geräte reichen. Der entscheidende Faktor sind die Herstellungskosten. Weitere Faktoren sind Verfügbarkeit, reproduzierbare Qualität und Zuverlässigkeit des Materials.

Entwicklungsherausforderungen
Häufig müssen Entwickler das Leistungsvermögen (wobei hier sowohl die optische Leistung als auch deren Beitrag zur Systemleistung gemeint ist) gegen die Gesamtkosten abwägen. Dies kann eine komplexe Aufgabe sein, insbesondere unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Eigenschaften, die für verschiedene Quarzglassorten spezifiziert werden. Um bei der Auswahl des optimalen Materials zu helfen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die folgenden Schritte durchzuführen:

  • Auswählen des verwendeten Wellenlängenbereichs
  • Festlegen der optischen Hauptfunktion (Lichtdurchlässigkeit oder -reflexion)
  • Berücksichtigen zusätzlicher Anforderungen (Absorption, Einschlüsse, Blasen, Fluoreszenz)

Um die optische Leistung simulieren zu können, müssen einem Entwickler viele Eigenschaften des in Frage kommenden Quarzglases bekannt sein. Heraeus führt eine Vielzahl von Messungen durch und publiziert deren Ergebnisse, die bei diesen Simulationen hilfreich sein können.
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Beispiel: Einfluss der Homogenität auf die Systemleistung
Die Variation des Brechungsindexes kann ein wichtiger Aspekt einer Spezifikation sein, ist bei einigen anderen Anwendungen aber kaum von Bedeutung. Dies hängt jeweils von der Funktion des optischen Bauteils ab. Allgemein gilt: Wenn die Optik fokussiert (Licht, einen Laserstrahl oder ein Bild), so ist die Indexvariation und ihr Beitrag zum transmittierten Wellenfrontfehler (Transmitted Wave Front Error, TWE) bei refraktiven Optiken oder zum reflektierten Wellenfrontfehler (Reflected Wave Front Error, RWE) bei reflektiven Optiken ein wichtiges Entwurfskriterium.

Wenn optische Leistung oder Energie übertragen (z. B. eine Fensterabdeckung mit Leistungsdetektor) oder ohne Spezifikation bezüglich der Wellenfrontqualität reflektiert werden soll, dann ist die Indexvariation ggf. nur von geringer Bedeutung, während die Absorption der wichtigste Faktor sein kann.

Wie diese kurze Einführung gezeigt hat, ist keine einzelne Quarzglassorte in der Lage, allen Anwendungsanforderungen gleichermaßen gerecht zu werden. Bei Heraeus bieten wir viele Quarzglassorten an, die für viele verschiedene Anforderungen optimiert wurden. Hier finden Sie einen ersten Überblick über die verfügbaren Sorten und ihre wichtigsten Eigenschaften. Wenn Sie Hilfe benötigen, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung.

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Trennsäge für Quarzglas

Ein Hersteller von optischen Elementen ist bestrebt, ein gutes Produkt so schnell wie möglich zu den niedrigsten Kosten zu liefern. Dabei muss er einiges bedenken:

  • Was ist das richtige Material?
  • In welcher Form liegt das Material vor?
  • Wie schnell kann das Material beschafft werden?

Die Wahl des richtigen Materials:
Auf den ersten Blick scheint Quarzglas alle Qualitätsanforderungen abzudecken, aber es gibt Unterschiede, die die Leistung beeinflussen können. Die Transmission in einem bestimmten Wellenlängenbereich, der Gehalt an Blasen oder Einschlüssen, oder eine geringe Toleranz bei Verzerrungen von Wellenfronten, um nur einige Beispiele zu nennen. Und wie immer spielen auch die Kosten der unterschiedlichen Sorten eine wichtige Rolle. Die technisch beste Lösung kann möglicherweise nicht zu einem wettbewerbsfähigen Preis angeboten werden. Daher ist die Auswahl des optimalen Materials für eine bestimmte Anwendung Erfahrungssache. Heraeus hat die Erfahrung, Sie bei der Auswahl der geeignetsten Lösung zu unterstützen.

Die Form des Materials ist wichtig:
Viele Unternehmen, die optische Komponenten herstellen, verfügen über alle erforderlichen Werkzeuge, die zur Formgebung des Materials benötigt werden. Sie können das Material schneiden, bohren, zerspanen, schleifen und polieren. Die Möglichkeiten für Produktionsprozesse sind praktisch unbegrenzt. Um kurze Produktionszyklen zu unterstützen, haben wir eine Materialsorte entwickelt, die in endkonturnaher Form, meist als Stäbe, geliefert wird. Dadurch ist der Optikhersteller in der Lage, Bearbeitungszeiten zu verkürzen und Kosten zu senken, um seinen Kunden das Produkt so schnell wie möglich zur Verfügung zu stellen. Aber unsere Materialien sind auch wie folgt erhältlich:

  • In Rohform als runder oder rechteckiger Block,
  • Als geschnittene, geschliffene oder polierte Rohlinge
  • Als CnC-bearbeitetes Werkstück in jeder ungewöhnlichen oder speziellen Form

Schnelle Lieferung:
Die Lieferzeit kann der entscheidende Faktor sein, um sich von Ihren Mitbewerbern abzuheben. Sie können schnelle Bearbeitungszeiten bieten, haben aber nicht das richtige Material auf Lager? Dann können unsere lagerhaltigen Materialien die Lösung für eine schnelle Materialbeschaffung sein.
Finden Sie Ihr benötigtes Material mit der richtigen Geometrie in unserer Bestandsliste.

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Spektroskopie für optische Anwendungen

Spektroskopie ist ein weites Feld der optischen Metrologie; sie beschäftigt sich mit der Untersuchung von Materie mittels elektromagnetischer (EM) Strahlung.

Quarzglasoptiken werden in einem Wellenlängenbereich von UV-VIS-NIR (von 180 nm bis 3500 nm) verwendet. Dies kann indirekte Nachweisverfahren wie etwa die Kernteilchen-Detektion von blau emittiertem Cherenkov-Licht oder die Emission aus der Bestrahlung anderer EM-Quellen auf szintillierenden oder fluoreszierenden Materialien umfassen.

Für Optiken, die in der Spektroskopie verwendet werden, gelten die gleichen Entwurfskriterien wie für kommerzielle Optiken (Spiegel, Fenster, Linsen und Substrate) mit besonderem Augenmerk auf Fluoreszenz und Absorption. Der Grund dafür ist, dass sonst niemand zwischen der Substanz und der Optik unterscheiden kann.

Wenn zum Beispiel bestimmte Bereiche des EM-Spektrums von der Optik absorbiert werden, ist es schwierig oder unmöglich, eine potentielle Absorption durch die untersuchte Substanz zu beobachten. Ein ähnlicher Effekt tritt dann auf, wenn das optische Material eine Fluoreszenz aufweist. In diesem Fall kann die Optik jede Absorption der untersuchten Substanz verdecken.

Die Spektroskopie ist auch ein Fernerfassungsverfahren. Insbesondere in einer feindlichen Umgebung können spektroskopische Analysen sehr wichtig sein. Das ist etwa dann der Fall, wenn radioaktive Strahlung vorhanden ist. Auch die Spektroskopie selbst verwendet radioaktive Strahlung als Energiequelle für das detektierte Licht.

Verunreinigungen im Quarzglas oder stöchiometrische Variationen in der chemischen Si-O-Zusammensetzung können eine Quelle für Absorption und Strahlungsverdunkelung sein. Auch die Expositionsbedingungen und -dauer über die gesamte Lebenszeit sind wichtige Faktoren.

Wir können Ihnen bei der Auswahl der optimalen Quarzglassorten für Ihre Anwendung helfen. Bitte wenden Sie sich an uns.

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