Optische Spiegel: ein Leitfaden

Dieser Leitfaden verschafft einen Überblick über verschiedene Arten von Spiegeln, geläufige Spiegelsubstrate und verschiedene Beschichtungen für Spiegel. Außerdem wird auf einige besondere Spiegel eingegangen.

Definition Optischer Spiegel

Ein optischer Spiegel ist ein präzisionsoptisches Bauteil, das aus einem optisch polierten Trägermaterial und einer hochreflektierenden Beschichtung besteht. Er kann verschiedene Formen und Abmessungen von weniger als einem Millimeter bis zu mehreren Metern haben.

Optische Spiegel sind in allen Anwendungen der Photonik zu finden: in der Astronomie in jedem Teleskop, in Lasern, in Bildverarbeitungsgeräten und in den meisten optischen Baugruppensystemen. Ihre Verwendung ist zwar recht einfach: sie reflektieren das Licht, aber ihr Anwendungsbereich ist breit gefächert, vom UV bis zum IR, sie können zur Übertragung von Licht mit Richtungsänderung, zur Fokussierung von Licht (zum Beispiel in einem Cassegrain-Teleskop) oder zum Pumpen von Licht in einem Laser verwendet werden.

Arten von Optischen Spiegeln

Formen

• Flache Spiegel: die einfachste Form von Spiegeln, ähnlich den Badspiegeln, nur mit höherer Präzision.
• Sphärischer Spiegel: bezieht sich auf Spiegel mit einem konkaven oder konvexen Krümmungsradius.
• Asphärische Spiegel: Spiegel mit komplexerer Form, die die optische Aberration des reflektierten Strahls abschwächen. Zum Beispiel: Off-Axis Parabolspiegel, die zur Kollimation eines Strahls im 90°-Winkel verwendet werden.
• Elliptische Spiegel werden in der Regel in einem Winkel von 45° verwendet, in welchem sie eine optimale kreisförmige freie Öffnung bieten.
• Konkavspiegel: Die konkave Form erhöht die Reflexion, die bei einem Einfallswinkel (AOI) von 0° mehr als 99 % betragen kann.
• Freiform-Spiegel
• Prismenspiegel, können entweder mit Außen- oder Innenreflexion verwendet werden.

Substratmaterialien

Spiegelsubstrate werden in der Regel aufgrund ihrer guten Formbeständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen, der einfachen Beschichtbar- und Polierbarkeit ausgewählt. Letzteres ist wichtig um eine gute Politur zu gewährleisten. Bei einigen Hochleistungslaseranwendungen kann das Substrat auch durch einen niedrigen Beschädigungsschwellwert einschränken und muss daher sorgfältig ausgewählt werden.

Die nachstehende Tabelle zeigt die gängigsten Substratmaterialien für Spiegelrohlinge:

Substratmaterial	Anmerkung
Floatglas	Sehr preiswertes Material mit akzeptablem Polier- und Ebenheitsgrad für Anwendungen mit geringen Anforderungen.
Quarz	Widerstandsfähiges Material mit guten optischen Bearbeitungseigenschaften. Wird sehr häufig verwendet.
N-BK7 / H-K9L	Das gängigste optische Glas, das bei hohen Anforderungen an die Oberfläche verwendet werden kann.
Zerodur	Material, das durch niedrige Temperaturen kaum beeinträchtigt wird und hauptsächlich für Raumfahrtanwendungen verwendet wird.
Metalle	Poliertes Aluminium oder Messing kann für einige Hochleistungslaseranwendungen verwendet werden. Sie lassen sich auch leichter bearbeiten als Glas und sind mechanisch stabiler.
Kunststoffe	Kunststoffsubstrate werden in optischen Anwendungen verwendet, aber die Schwierigkeit, eine gute Oberflächenqualität zu erhalten, und die leichte Abnutzung der Teile durch äußere Einflüsse schränken die Anwendungsgebiete ein. Kunststoff ist das billigste Substratmaterial.

Bei einigen Anwendungen, bei denen Spiegel möglicherweise große Abmessungen haben und das Gewicht des Teils eine wichtige Einschränkung darstellt, wie z. B. in der Raumfahrtindustrie, kann das Teil durch Nutzung einer formhaltenden Struktur auf der Rückseite des Substrats leichter gemacht werden.

Beschichtungen von Spiegel

Der wichtigste Teil eines optischen Spiegels ist seine hochreflektierende Beschichtung, die den einfallenden Strahl in eine reflektiert.

Breitbandige dielektrische Beschichtungen

Dank der Verbesserung der Vakuumbeschichtungsanlagen in den letzten 30 Jahren können Schichten aus dielektrischem Material mit Präzision auf den Nanometer genau auf Substrate aufgebracht werden.

Das Material und die Dicke der einzelnen Schichten ermöglichen es, auf verschiedene Wellenlängen abzustimmen, an denen der einfallende Strahl reflektiert wird.

Es ist zu beachten, dass die Reflexion eines solchen Spiegels mit zunehmender AOI abnimmt.

Metall beschichtete Spiegel

Beschitungs-Metall	Reflektion	Schadensschwelle	Anmerkung
Geschützes Silber*	Ravg>97,5% im Sichtbaren + NIR, Ravg>96% im MIR+FIR	3J/cm2	Sehr gute Reflexion im sichtbaren Bereich
Geschützes Aluminium*	Ravg>90% im Sichtbaren + NIR, Ravg>95% im MIR+FIR	0,3J/cm2	Zur Verbesserung der Reflexion im UV-Bereich (250 bis 400 nm) kann eine MgF2-Schicht hinzugefügt werden.
Verbessertes Aluminium	Ravg>95% auf dem sichtbaren + NIR, Ravg>85-90% auf MIR+FIR	Niedrig	Empfindlich gegenüber äußerer Umgebung, Handhabung und Reinigung
Geschützes Gold*	Ravg>96% im IR	2J/cm2	Ohne Überraschung die teuerste aller Metallbeschichtungen.

*Metallbeschichtungen werden mit SiO2-Schichten geschützt, um Korrosion zu vermeiden.

Laser Spiegel

Die entscheidende Spezifikation für optische Spiegel, die in Laseranwendungen eingesetzt werden sollen, ist ihre LIDT (Laser Induced Damage Threshold, oder kurz Damage Threshold).

Diese oft in J/cm2 gemessene Spezifikation definiert die Energie, die von einer Oberfläche aufgenommen werden kann. (zur Erinnerung: Watt definiert eine Leistung, so dass Werte in Watt in die Zeit integriert werden sollten, um in Energie umgerechnet zu werden).

Die LIDT sollte unter Angabe des Typs des Referenzlasers definiert werden: CW- oder Pulslaser, Pulsdauer, Frequenz und Leistung.

In der Regel ist die Beschichtung das Hindernis vor dem Substrat, aber bei Hochleistungslasern kann das Substrat auch durch den Lasereinsatz abgenutzt werden. Je geringer der Poliergrad und je höher der Anteil an Verunreinigungen im Material, desto geringer ist die LIDT der Substrate.

Hochpolierte Spiegel

Superpolierte Spiegel sind Spiegel mit einer sehr hohen Oberflächenqualität (Superpolieren) mit einem RMS von weniger als einem Angström und verlustarmen dielektrischen IBS-Beschichtungen. Sie werden häufig für Laseranwendungen eingesetzt.

Deformierbare Spiegel

Deformierbare Spiegel sind aktive optische Elemente, die in der adaptiven Optik eingesetzt werden. Sie bestehen in der Regel aus einer optischen Membran, Aktuatoren und einem elektronischen Steuergerät.

Ihr Haupteinsatzgebiet ist die Kompensation von Abbildungsfehlern, z.B. der Atmosphäre in der Astronomie, des Auges in der Augenheilkunde oder des Zellwassers in der Biomikroskopie.

Hauptlieferanten von deformierbaren Spiegeln sind ALPAO und ISP-System für Hochleistungsanwendungen.

Heiße Spiegel und kalte Spiegel

Was sind heiße spiegel und kalte Spiegel? Das ist ziemlich intuitiv (wenn auch manchmal verwirrend):

• Heiße Spiegel reflektieren den IR-Anteil eines einfallenden Strahls und übertragen den sichtbaren Teil davon.
• Kaltlichtspiegel lassen den IR-Anteil eines einfallenden Strahls durch und reflektieren den sichtbaren Teil davon.

Wo kann man optische Spiegel kaufen?

Wie die meisten optischen Komponenten können auch optische Spiegel von Herstellern und Vertreibern von Präzisionsoptiken gekauft werden. Es ist üblich, dass das Substrat und die Beschichtung an zwei verschiedenen Standorten hergestellt werden. Daher ist es gängige Praxis, den Spiegelrohling zu kaufen und die Beschichtung im eigenen Haus durchzuführen oder an einen anderen Lieferanten zu vergeben.

Zögern Sie nicht, Sinoptix zu kontaktieren, wenn Sie Fragen zu optischen Spiegeln haben oder ein Angebot anfordern möchten.