Substratmaterialien

Quarzglas

Allgemeine Informationen

Quarzglas (SiO₂) ist eines der wichtigsten Materialien in der optischen Industrie. Für die Herstellung von Hochleistungsoptiken wird Quarzglas von besonders hoher Qualität benötigt. Bei der Herstellung dieses hochqualitativen Quarzglases werden anstelle von natürlichem Quarzsand synthetische Rohstoffe eingesetzt. Quarzglas hat einen Brechungsindex von 1,46 (für λ = 500 nm) und eine Abbe-Zahl von 67,70. Es lässt Licht von 180 nm bis etwa 3 µm durch. Innerhalb dieses Transmissionsbereichs treten aufgrund der enthaltenen Hydroxylgruppen allerdings Absorptionsbanden auf. Quarzglas mit hohem OH-Gehalt ist für UV-Anwendungen geeignet. Für transmissive Komponenten im Wellenlängenbereich von 940 nm, 1390 nm und 2 µm - 3 µm empfiehlt sich Quarzglas mit niedrigem OH-Gehalt.

Herstellung

Für die Herstellung eines amorphen (blasen- und schlierenfreien) Quarzglases ohne Verunreinigungen gibt es verschiedene Ansätze, die das Endprodukt in Bezug auf die optischen Spezifikationen beeinflussen (siehe Tabelle).

Herstellverfahren	OH	Cl	Kationen	UV-Kante 50 %-Transmission	Beispiele für Handelsmarken
Elektrofusion von Quarzsand oder Bergkristall	< 20 ppm	0 ppm	50 – 300 ppm	220 nm	Infrasil® Vitreosil-IR®
Flammenschmelze meist aus Bergkristall	200 – 500 ppm	0 ppm	10 – 50 ppm	210 nm	Homosil® Optosil®
einstufiges CVD-Verfahren (Flammenhydrolyse) unter Verwendung org. Si-Verbindungen	600 – 1200 ppm	50 – 100 ppm	< 1 ppm	170 nm	Corning 7980® Suprasil 1® J-Plasma SQ®
zweistufiges Verfahren CVD-Abscheidung und Verdichtung, Einsatz org. Si-Verbindungen	< 20 ppm	< 200 ppm	1 – 2 ppm	170 nm	Suprasil 3001®

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

Die wichtigsten Eigenschaften von Quarzglas, die für die Produkte von LAYERTEC unerlässlich sind:

• Hohe chemische Reinheit
• Langlebigkeit
• Hitzebeständigkeit
• Geringer Wärmeausdehnungskoeffizient bei hohen Temperaturen
• Hohe Erweichungstemperatur
• Hohe Transparenz über einen breiten Spektralbereich (UV-IR)
• Hohe Strahlungsbeständigkeit

Im kurzwelligen und visuellen Bereich wird Quarzglas (mit höherem OH-Gehalt, z. B. Corning 7980^®) verwendet. Excimergrade-Materialien werden für transmissive Optiken für UV-Hochleistungslaser verwendet. Standard Quarzglas ist für transmissive Optiken im Infrarotbereich nur bedingt geeignet. Natürlich vorkommendes Quarzglas (z. B. Infrasil^®) und speziell hergestelltes Quarzglas (z. B. SUPRASIL 3001/3002/300^®, …​) haben einen extrem niedrigen OH-Gehalt (< 20 ppm) und können daher auch für den infraroten Wellenlängenbereich bis etwa 3 µm verwendet werden.

Calciumfluorid

Allgemeine Informationen

CaF₂ (Calciumfluorid, Flussspat, Fluorid) ist ein optisch homogenes Kristallmaterial mit kubischer Struktur. Der Brechungsindex von 1,43 (für λ = 500 nm) ist sehr homogen, die Abbe-Zahl beträgt 94,996. Das Material verfügt über einen weiten Transmissionsbereich von 0,125 µm bis 8 µm. Die Hauptanwendung als UV-Material setzt hohe Reinheiten und Kristallqualitäten voraus. Das Material ist bestens geeignet zur Korrektur der chromatischen Aberration im Spektralbereich von VIS bis NIR.

Herstellung

Während natürlicher Flussspat seine Bedeutung verloren hat, wird CaF₂ inzwischen aus reinsten Rohstoffen synthetisiert und über einen Züchtungsprozess zu großvolumigen Kristallen. Die Reinheit und Perfektion der Kristalle bestimmt über die Einsatzmöglichkeit des Materials.

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

Die mechanischen Eigenschaften von CaF₂ machen die Bearbeitung von Optiken zu einer Herausforderung. Das Material ist sehr weich (Mohs-Härte 4) und wird daher leicht zerkratzt. Es lässt sich leicht spalten (Spaltbarkeit 5 nach {111}). Aufgrund seines hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht bei schneller Bearbeitung oder hohen Temperaturgradienten die Gefahr der Rissbildung. Außerdem kann es nicht mit anderen Materialien verklebt werden. Unbeschichtete polierte Oberflächen reagieren mit Luftfeuchtigkeit und werden nach längerer Einwirkung trübe, da die Mikrorauheit zunimmt. Dies führt zu Streulicht und vermindert den Kontrast.

Wegen des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten sollten CaF₂-Substrate nach Möglichkeit auch mit Fluoridschichten versehen werden. Außerdem müssen die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten beachtet werden, um eine Rissbildung in den Substraten zu vermeiden.

Calciumfluorid wird bei LAYERTEC für spezielle Anwendungen im ultravioletten Bereich eingesetzt. Es wird unter anderem zu Laserspiegeln, Auskoppelspiegeln, Strahlteilern, Linsen, Fenstern für Excimerlaser und frequenzvervielfachte Festkörperlaser verarbeitet. In einer fluorhaltigen Umgebung ist die Lebensdauer von CaF₂-Optiken deutlich länger als die von anderen Materialien.

Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist bei der Anwendung darauf zu achten, dass die Produkte keinen Temperaturschwankungen und Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Die Optiken sollten mit Trocknungsmittel und unter konstanten Bedingungen gelagert werden. Daher sollte die Verpackung erst kurz vor dem Gebrauch geöffnet werden.

Saphir

Allgemeine Informationen

Der Saphir (Al₂O₃) ist eine Varietät des Minerals Korund. In der optischen Industrie wird die synthetische Form verwendet. Saphir ist ein anisotropes Material mit einer trigonalen Struktur und weist je nach Kristallachse und Einfallswinkel unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Diese müssen bei der Berechnung der Endprodukte berücksichtigt werden. Saphir ist im Bereich von 180 nm bis etwa 4 µm transparent. Der Brechungsindex des Materials beträgt 1,77 - 1,78 (für λ = 500 nm).

Herstellung

Zur Herstellung von Saphir werden verschiedene Züchtungsverfahren industriell genutzt. Neben HEM (heat exchanging method) und dem Czochralski-Verfahren (beide Züchtung aus der Schmelzphase) findet auch das Verneuil-Verfahren (Flammschmelzverfahren) Anwendung.

Aufgrund der Anisotropie ist die Kenntnis und Beachtung der Kristallorientierung für die erfolgreiche Anwendung entscheidend.

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

Die wichtigsten Eigenschaften von Saphir für die Verwendung als Substratmaterial:

• Extreme Härte (Mohs-Härte 9), kann nur mit wenigen Materialien (z.B. Diamant) weiterverarbeitet werden
• Kratzfestigkeit
• Hohe chemische Beständigkeit
• Sehr gute Wärmeleitfähigkeit
• Breiter Übertragungsbereich

Aufgrund seiner optimalen Wärmeleitfähigkeit und seiner besonders guten Transmissionseigenschaften im mittleren Infrarotbereich wird Saphir bei LAYERTEC vor allem für Hochleistungsbauteile im Spektralbereich von 2 – 3 µm eingesetzt.

Yttrium Aluminum Granat

Allgemeine Informationen

Yttrium-Aluminium-Granat (Y₃Al₅O₁₂ oder YAG) ist ein Kristallmaterial mit kubischer Struktur, das synthetisch hergestellt wird. Der Brechungsindex beträgt 1,84 (für λ = 500 nm). Es zeigt ein gutes Transmissionsverhalten im Bereich von 0,25 µm bis 4  µm. Undotiertes YAG ist im Bereich von 2 – 3 µm frei von Absorption, während Fused Silica gerade hier aufgrund des höheren Anteils an OH-Gruppen hohe Absorptionsbanden aufweist.

Herstellung

Der YAG-Kristall wird hauptsächlich nach dem Czochralsky-Verfahren hergestellt. Ein Kristallkeim wird in Kontakt mit der Schmelze gebracht und dann unter Drehen langsam nach oben bewegt. Es entstehen Einkristalle von mehr als 300 mm Länge und bis zu 100 mm Durchmesser.

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

YAG hat mehrere Eigenschaften, die für die Herstellung von Hochleistungsoptiken vorteilhaft sind. Seine chemische und mechanische Beständigkeit ist mit der von Saphir vergleichbar. Aufgrund seiner geringeren Mohs-Härte von 8,5 ist YAG jedoch leichter zu bearbeiten. Die hohe Wärmeleitfähigkeit und die geringen Absorptionsverluste des Kristalls ermöglichen es ihm, hohen Laserenergien standzuhalten. Der YAG-Kristall in dotierter Form eignet sich auch gut als aktives Medium für Laser (Yb:YAG 1030 nm, Nd:YAG 1064 nm, Tm:YAG 2,01 µm, Ho:YAG 2,1 µm, Er:YAG 2,94 µm).

Bei LAYERTEC wird undotiertes YAG vor allem im mittleren Infrarotbereich (MIR) bis ≈ 4 µm eingesetzt. Es hat gegenüber Saphir den Vorteil, dass es keine Doppelbrechung aufweist und daher die Kristallorientierung für viele Zwecke beliebig gewählt werden kann. In der hauseigenen Optikproduktion werden YAG-Substrate in verschiedenen Größen sowohl als flache Teile als auch als gekrümmte Substrate oder Linsen hergestellt.

Verschiedene Substratmaterialien für UV-, VIS- und NIR/IR-Optiken

	Quarzglas (UV)	Infrasil®1)	YAG (undotiert)	Saphir (C-cut)	CaF2	N-BK7®2)	Si
Wellenlängenbereich frei von Absorption	190 nm – 2,0 μm 3)	300 nm – 3 μm	400 nm – 4 μm	400 nm – 4 μm	130 nm – 7 μm	400 nm – 1,8 μm	1,4 – 6 μm
Brechungsindex bei
200 nm	1,55051				1,49516
300 nm	1,48779				1,45403
500 nm	1,46243	1,48799	1,8450	1,775	1,43648	1,5214
1 μm	1,45051	1,45042	1,8197	1,756	1,42888	1,5075
3 μm		1,41941	1,7855	1,71	1,41785		3,4381
5 μm				1,624	1,39896		3,4273
9 μm					1,32677
Absorbierend in der 3 μm-Region	ja	ja	nein	nein	nein	ja	nein
Absorbierend in der 940 nm-Region	Für Hochleistungsanwendungen bei 940 nm für die Quarzglasarten SUPRASIL 300®1) und SUPRASIL 3001/3002®1) sind empfohlen.
Doppelbrechung	nein	nein	nein	ja	nein 4)	nein	nein
Wärmeausdehnungskoeffizient [10–6 K–1] 5) (0 – 20°C)	0,5	0,5	7	5	18	7	2,6
Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturgradienten und Temperaturschock	hoch	hoch	hoch	hoch	niedrig	mittel	niedrig
GDD fs² pro mm
400 nm	98	98	240	150	68	120
800 nm	36	36	97	58	28	45
1064 nm	16	16	61	29	17	22
1500 nm	-22	-22	13	-25	1,9	-19
2000 nm	-100	-100	-59	-120	-21	-99
TOD fs3 pro mm
400 nm	30	30	75	47	19	41
800 nm	27	27	57	42	16	32
1064 nm	44	44	71	65	21	49
1500 nm	130	130	140	180	46	140
2000 nm	450	450	360	530	120	460
1) eingetragene Handelsmarke der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG
2) eingetragene Handelsmarke der SCHOTT AG
3) Absorptionsbande innerhalb dieses Wellenlängenbereichs, siehe Transmissionskurve
4) messbare Effekte nur im VUV-Wellenlängenbereich
5) Bitte beachten Sie, dass die verschiedenen Autoren in der Literatur nicht einheitlich sind. Außerdem kann der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kristallen auch von der Kristallorientierung abhängen. Daher sind die hier angegebenen Werte Näherungswerte.
Alle Werte dienen nur zu Informationszwecken. LAYERTEC übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit der angegebenen Werte.