Weichbeschichtung

Eine weiche Beschichtung ist eine herkömmliche Art optischer Dünnschichtbeschichtung, die sich durch ihre empfindliche physikalische Beschaffenheit und Anfälligkeit gegenüber Umwelteinflüssen auszeichnet. Im Gegensatz zu modernen Hartbeschichtungen werden weiche Beschichtungen in der Regel durch standardmäßige thermische Aufdampfung ohne ionenstrahlunterstützte Verdichtung auf optische Komponenten aufgebracht. Aufgrund ihrer mechanischen Empfindlichkeit und Umweltsensibilität werden Optiken mit weichen Beschichtungen üblicherweise in Baugruppen abgedichtet oder zwischen Schutzglasschichten laminiert.

Wirkmechanismus

Weiche Beschichtungen beeinflussen Licht durch zwei primäre Mechanismen: einen gezielt erzeugten optischen Mechanismus und einen unvermeidbaren Umgebungsmechanismus.

Dünnschichtinterferenz

Grundsätzlich beruht die Funktionsweise einer weichen Beschichtung auf dem Prinzip der Dünnschichtinterferenz. Die Beschichtung besteht aus abwechselnden Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Beim Durchgang des Lichts durch diese mikroskopisch dünnen Schichten wird ein Teil des Lichts an jeder Grenzfläche reflektiert. Je nach Schichtdicke und spezifischem Brechungsindex erfahren bestimmte Wellenlängen konstruktive Interferenz und werden zurückreflektiert, während andere destruktive Interferenz erfahren und hindurchtreten.

Kapillarkondensation

Aufgrund ihrer porösen mikroskopischen Struktur unterliegen weiche Beschichtungen einem sekundären physikalischen Mechanismus, der Kapillarkondensation genannt wird. Mikroskopische Hohlräume in der Beschichtung wirken wie Schwämme und nehmen Wasserdampf aus der Umgebungsluft auf. Wenn Wasser (mit einem Brechungsindex von ungefähr n = 1.33) die Luft (Brechungsindex n = 1.0) in diesen Hohlräumen ersetzt, ändert sich der effektive Brechungsindex der gesamten Schicht. Dadurch verändern sich das Interferenzmuster und die optischen Eigenschaften.

Struktur und Zusammensetzung

Das charakteristische Verhalten weicher Beschichtungen hängt direkt mit ihrem physikalischen Aufbau und den bei der Abscheidung verwendeten chemischen Materialien zusammen.

Mikroskopische Struktur

Da weiche Beschichtungen durch konventionelle thermische Verdampfung hergestellt werden, treffen die verdampften Atome mit sehr geringer kinetischer Energie auf das Substrat.

• Säulenwachstum: Atome bleiben in der Regel genau dort haften, wo sie auftreffen. Dadurch entsteht eine mikroskopische Struktur, die Säulen oder vom Glas nach oben wachsenden Stalagmiten ähnelt.
• Geringe Packungsdichte: Dieses säulenförmige Wachstum hinterlässt mikroskopisch kleine Hohlräume oder Lücken zwischen den Säulen. Dadurch besteht ein erheblicher Anteil des Filmvolumens aus leerem Raum statt aus festem Material.

Chemische Zusammensetzung

Weiche Beschichtungen verwenden Materialien, die sich bei relativ niedrigen Temperaturen leicht verdampfen lassen.

• Materialien mit niedrigem Brechungsindex: Kryolith (Natriumaluminiumfluorid) wird aufgrund seiner hervorragenden optischen Transparenz sehr häufig verwendet, ist jedoch mechanisch weich und teilweise wasserlöslich. Magnesiumfluorid (MgF2) wird ebenfalls häufig verwendet.
• Materialien mit hohem Brechungsindex: Zinksulfid (ZnS) wird häufig mit Kryolith kombiniert. Es lässt sich leicht verdampfen, erreicht jedoch nicht die mechanische Härte moderner Metalloxide.
• Metallschichten: Bei Spiegeln oder Neutraldichtefiltern bestehen weiche Beschichtungen häufig aus blanken, ungeschützten Metallen wie Silber, Gold oder Aluminium.

Wesentliche Merkmale

Die Kombination aus herkömmlichen Materialien und poröser Struktur führt zu mehreren charakteristischen Betriebseigenschaften:

• Mechanische Empfindlichkeit: Weiche Beschichtungen weisen eine äußerst geringe Abriebfestigkeit auf. Sie halten den üblichen Reinigungsverfahren nach der „Drop-and-Drag“-Methode mit Linsenpapier und optischen Lösungsmitteln nicht stand. Physischer Kontakt, etwa durch Abwischen oder Berühren der Oberfläche, kann dauerhafte Wischspuren oder Kratzer hinterlassen.
• Feuchtigkeitsbedingte Verschiebung: Aufgrund von Kapillarkondensation ist die Leistung nicht konstant. Mit steigender Umgebungsfeuchte verschieben sich die Transmissions- und Reflexionsbänder üblicherweise zu längeren Wellenlängen hin (eine „Rotverschiebung“). Trocknet die Umgebung aus, verschieben sich die Bänder wieder zurück.
• Temperaturempfindlichkeit: Temperaturänderungen können aufgrund der Wärmeausdehnung oder Kontraktion der Beschichtungsmaterialien geringfügige Verschiebungen der spektralen Eigenschaften verursachen.
• Hohe optische Anfangsleistung: Trotz ihrer physikalischen Nachteile können weiche Beschichtungen so ausgelegt werden, dass sie sehr steile Übergänge zwischen Transmission und Sperrung des Lichts sowie eine hohe Sperrwirkung mit großer optischer Dichte (OD) erreichen.
• Kosteneffizienz: Sie sind im Allgemeinen kostengünstiger und schneller herzustellen als Hartbeschichtungen, da das thermische Aufdampfverfahren relativ einfach und gut zugänglich ist.

Anwendungen und Schutz

Aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit und mangelnden Umweltbeständigkeit werden weiche Beschichtungen nur selten als Optiken mit „erster Oberfläche“ (direkt der Außenumgebung ausgesetzte Oberflächen) verwendet.

Stattdessen werden sie fast immer laminiert. Dabei wird das beschichtete Substrat angeritzt, zugeschnitten und mit optischem Epoxidharz zwischen zwei Schutzglasscheiben versiegelt. Dieser Laminierungsprozess schließt Feuchtigkeit aus, stabilisiert dadurch die spektrale Leistung und verhindert, dass die empfindliche Schicht durch physischen Kontakt beschädigt wird.

Praxisbeispiele

1. Herkömmliche laminierte Bandpassfilter

Vor der weiten Verbreitung moderner Hartbeschichtungen basierten nahezu alle Schmalbandpassfilter, die bestimmte Wellenlängen aus breitbandigen Lichtquellen isolieren, auf Weichbeschichtungstechnologie.

• Aufbau: Sie bestehen aus empfindlichen, abwechselnden Schichten herkömmlicher weicher Materialien wie Zinksulfid und Kryolith, die auf ein Substrat aufgebracht werden.
• Der Schutz: Da diese porösen Schichten sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeitsschwankungen und mechanischem Abrieb sind, dürfen sie nicht ungeschützt bleiben. Das beschichtete Glas wird mit optischem Epoxidharz zwischen äußeren Schutzglasplatten eingebettet (laminiert), und die Kanten werden hermetisch abgedichtet, üblicherweise in einem schwarz eloxierten Metallring. Wenn Sie einen dicken, mehrteiligen Filter in einem Metallring in der Hand halten, handelt es sich wahrscheinlich um eine laminierte weiche Beschichtung.

2. Unbeschichtete Metallspiegel

Wenn eine hochreflektierende Oberfläche über einen breiten Spektralbereich benötigt wird, insbesondere im Infrarotbereich, werden häufig Metalle auf ein Glassubstrat aufgedampft.

• Aufbau: Eine einfache, dünne Metallschicht, etwa aus Gold, Silber oder Aluminium, wird auf das Glas aufgebracht.
• Die Empfindlichkeit: Ohne eine schützende, harte dielektrische „Deckschicht“ sind diese Metallschichten echte weiche Beschichtungen. Ein ungeschützter Goldspiegel ist beispielsweise mechanisch so empfindlich, dass selbst das leichte Ziehen eines üblichen Linsenreinigungstuchs über seine Oberfläche dauerhafte mikroskopische Kratzer (Putzspuren) hinterlässt, die seine Leistung dauerhaft beeinträchtigen.