Strahlteiler mit geringem Wellenfrontfehler

Im Rahmen eines Projekts der Europäischen Weltraumorganisation ESA hat das Fraunhofer IST einen breitbandigen Strahlteiler mit sehr geringem Wellenfrontfehler (20 nm rms) entwickelt.

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CFK-Spiegel für den Weltraum

Optische Spiegel für Weltraumanwendungen müssen wegen der ständig wechselnden thermischen Belastungen im Weltraum eine außerordentliche Stabiltität aufweisen. Am Fraunhofer IST wird daher an einer deutlich leichteren Alternative gearbeitet.

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Funktionsschichten für Wettersatelliten

Präzise und zuverlässige Wettervorhersagen können Leben retten und dabei helfen, die weltweiten Auswirkungen von Wetterkatastrophen zu mildern. Schichten des Fraunhofer IST sollen dabei helfen.

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Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Für einen effizienteren Betrieb von Gasturbinen bei höchsten Temperaturen müssen die eingesetzten metallischen Werkstoffe vor Heißgas-Korrosion und vor Überhitzung geschützt werden. Mit dem am Fraunhofer IST entwickelten Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) können neuartige und vielversprechende keramische Wärmedämmschichten für hochbelastete Bauteile hergestellt werden.

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Oberflächentechnik für die generative Fertigung

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Strukturen für Umströmungs­untersuchungen

Um thermische Schutzschilde von Wiedereintrittskörpern in der Raumfahrt richtig dimensionieren zu können, werden sie in Windkanaluntersuchungen untersucht. Hierfür wurden am Fraunhofer IST Mikrostrukturen mit unterschiedlicher Rauigkeit auf einer generischen Apollokapsel hergestellt.

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Breitbandiger Strahlteiler mit geringem Wellenfrontfehler

Schema des Strahlteilers und seiner Geometrie.
© Fraunhofer IST

Schema des Strahlteilers und seiner Geometrie.

Berechnete und gemessene Transmission und Reflexion des Strahlteilers. Die Abweichungen im NIR-Bereich sind durch die spektrale Auflösung des Spektrometers bedingt.
© Fraunhofer IST

Berechnete und gemessene Transmission und Reflexion des Strahlteilers. Die Abweichungen im NIR-Bereich sind durch die spektrale Auflösung des Spektrometers bedingt.

Hochaufgelöste Messung der Transmission unter einem Winkel von 30° (s- und p-Polarisation) im Bereich der Kante.
© Fraunhofer IST

Hochaufgelöste Messung der Transmission unter einem Winkel von 30° (s- und p-Polarisation) im Bereich der Kante.

In vielen optischen Instrumenten werden sogenannte Strahlteiler eingesetzt. Diese werden häufig zur Trennung einzelner Spektralbereiche verwendet, um das Licht den verschiedenen Spektrometern zuzuführen. Bei sehr hochwertigen Instrumenten darf der Wellenfrontfehler nur sehr klein sein, um Abbildungsfehler zu minimieren. Im Rahmen eines Projekts der Europäischen Weltraumorganisation ESA hat das Fraunhofer IST einen solchen breitbandigen Strahlteiler mit sehr geringem Wellenfrontfehler (20 nm rms) entwickelt.

Das Ziel: Beschichtung breitbandiger Strahlteiler

Das Ziel des Projekts war es, einen Strahlteiler mit einem Durchmesser von 120 mm zu entwickeln, der im Spektralbereich von 400 bis 900 nm bei einem Einfallswinkel von 30° eine hohe Reflexion von über 98 Prozent und gleichzeitig im NIR-Bereich von 920 bis 2300 nm eine Transmission von mehr als 92 Prozent aufweist. Um dies zu erreichen, wurde eine sehr hochwertige optische Beschichtung entwickelt, die aus einem dielektrischen Schichtstapel besteht, der mit Hilfe der Sputteranlage EOSS® (Enhanced Optical Sputtering System) abgeschieden wurde.

Minimierung von Wellenfrontfehlern

Wellenfrontfehler können bei optischen Beschichtungen mehrere Ursachen haben. Um diesen Fehler zu minimieren, muss zunächst ein sehr hochwertiges Substrat verwendet werden, das einen Root-Mean-Square (RMS)-Fehler von 2 nm aufweist. Eine weitere Fehlerquelle sind Schichtspannungen, die dazu führen können, dass sich das Substrat verbiegt. Selbst bei einem Substrat mit einer Dicke von 12 mm, würde eine nicht kompensierte Beschichtung zu einer Verbiegung von über 2 µm mit einem entsprechenden Wellenfrontfehler führen. Im vorliegenden Fall konnte mit einer doppelseitigen Beschichtung eine exzellente Spannungskompensation erreicht werden. Unter bestimmten Umständen können bei bestimmten Wellenlängen sehr große resonanzartige Wellenfrontfehler auftreten, die die Spezifikationen um ein Vielfaches überschreiten. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde ein ganz neues Schichtdesign entwickelt, welches sich durch einen sehr geringen Wellenfrontfehler auszeichnet.

Die Herstellung der Beschichtung mit der EOSS®-Anlage

Zur Beschichtung des Strahlteilers wurde die Sputteranlage EOSS® eingesetzt, mit der hochpräzise optische Interferenzfiltersysteme hergestellt werden können. Das Gesamtsystem besteht aus insgesamt 150 Schichten und ist auf beiden Seiten der Komponente 14,4 µm dick. Durch die Optimierung des Prozesses konnten die Verluste des Strahlteilers deutlich reduziert werden. Die Abscheidung des Filters musste mit höchster Präzision erfolgen, weil – bedingt durch die Polarisationsaufspaltung – eine Verbreiterung der Kante für s- und p-polarisiertes Licht auftritt. Das Schichtdesign wurde mit einer Toleranzsicherheit von weniger als 1 nm erstellt. Um einen kleinstmöglichen Wellenfrontfehler zu realisieren, wurde die Abweichung der Schichtdickenverteilung auf einen Wert von weniger als +/- 0,125 Prozent reduziert – weltweit ein Spitzenwert.

 

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