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Die Beschichtung macht den Unterschied

Linsen, Prismen, Spiegel und andere Optikkomponenten können ihre Funktion in photonischen Systemen oft nur dank mehrlagiger Beschichtungen erfüllen. Vielfalt ist in der Beschichtungstechnik Programm.

Wann immer die Photonik das Tor zu Zukunftsmärkten aufstößt, hat eine eher leise Disziplin ihre Hände im Spiel: Die Anbieter optischer Beschichtungen. So war es auch bei der weltweit beachteten lasergezündeten Kernfusion in der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien. Dass es im Dezember 2022 erstmals gelang, mit der Fusion von Deuterium- und Tritium-Kernen zu Helium ein 150-Faches an Energie zu erzeugen, als für die Zündung nötig war, war auch auf gut 7.000 Optiken von AMETEK ZYGO zurückzuführen. Nach Angaben des Beschichtungsspezialisten waren bei dem Experiment allein 3.000 Verstärkerplatten im Einsatz, die den Photonenpuls in 192 Laserstrahlrohren verstärkt und auf das winzige Brennstoffpellet fokussiert haben. Darüber hinaus habe man Drehspiegel, Vakuumfenster, kontinuierliche Phasenplatten und Gitter an die NIF geliefert. Die Optiken mussten im Sinne hoher Fluenz Höchstanforderungen an die Oberflächengüte erfüllen.

Das wird erst recht der Fall sein, wenn es gelingt, die Trägheitsfusionstechnologie in eine kommerzielle Nutzung als klimaneutrale Energiequelle zu überführen. Denn dafür müssten die Laserzündungen nicht nur einmal, sondern einige zehntausend Mal täglich erfolgen. Die eingesetzten Optiken müssten den thermischen Belastungen nicht nur standhalten, sondern trotz des andauernden Energieeintrags stabile optische Eigenschaften gewährleisten. Exakt das leisten jene aus Spiegeln aufgebauten optischen Systeme aus dem Hause ZEISS, die der niederländische Technologiekonzern ASML in seinen EUV-Belichtungsanlagen für die Fertigung von Mikrochips mit Strukturen im einstelligen Nanometerbereich einsetzt. Auch in diesem Fall war modernste Beschichtungstechnologie der Schlüssel zum Erfolg: Die Spiegel sind aus über 100 Einzelschichten mit Schichtdicken von wenigen Nanometern aufgebaut – und verfügen zudem über eigens entwickelte Schutzschichten gegen Oxidation. Trotz ihres komplexen Aufbaus sind die Spiegeloberflächen in einer solchen Präzision gefertigt, dass sie auf die Fläche Deutschlands skaliert, lediglich 0,1 mm vom Soll abweichen würden.

Eine wissensintensive Disziplin an den Grenzen zur Alchemie

Nicht nur in Highend-Anwendungen sprengt es oft die Grenzen der Vorstellungskraft, was in der Optik durch das Miteinander modernster Fertigungs-, Beschichtungs- und Messverfahren machbar ist. So wirbt ZYGO damit, sphärische, asphärische sowie Freiformoptiken herstellen zu können, die „Oberflächentoleranzen besser 100 Picometer“ aufweisen und darauf globale Oberflächenfehler im Bereich von zehn Pikometern zu erkennen. Zum Vergleich: In diesem Maßstab gleicht ein einzelnes Eisenatom einem massiven, zehn Meter großen Felsbrocken. Nicht nur die Maßstäbe lassen aufmerken: Auch die Vielfalt an Beschichtungsverfahren, die Adaptierbarkeit der Optiken an spezifische Anwendungen, Wellenlängen und Pulsdauern sowie die Vielfalt der möglichen Material-Kombinationen auf Seiten der Substrate wie auch der Beschichtungen zeugen von der Komplexität dieser Disziplin.

Entsprechend bemühen sich die Anbieter, ihr kompliziertes Technologiefeld zu erklären. Allen voran Edmund Optics, deren „Einführung in optische Beschichtungen“ allgemeinverständlich vermittelt, wie die Transmissions-, Reflexions- oder Polarisationseigenschaften von Optiken durch spezifische Beschichtungen einstellbar sind, welche physikalischen Gesetze hierfür maßgeblich sind und welche Verfahren mit welchen Stärken und Schwächen bereitstehen, um optische Komponenten zu beschichten. Eine Grundregel bei Alledem ist, dass es keine gibt: „Keine Beschichtungstechnologie ist die ideale Wahl für alle Anwendungen, da jede Technologie ihre einzigartigen Stärken hat, die sie für bestimmte Anwendungsfälle optimal machen“, heißt es in dem entsprechenden Kapitel. Ob also Bedampfung oder doch eher eins der Sputterverfahren zielführend ist, ist von Fall zu Fall – und oft nur iterativ zu klären.

Doch so komplex die Materie auch ist, so unverzichtbar sind optische Beschichtungen für die Photonik. Entsprechende Schichtaufbauten ermöglichen Spiegel, die 99,9999 Prozent des einfallenden Lichts reflektieren, Einzelwellen-genaue Filter für die optische Datenübertragung oder die Fluoreszenzmikroskopie, Antireflexbeschichtungen und das optimale Einstellen von Optiken für Anwendungen in jedweden Wellenlängenbereichen von Ultraviolett bis tief in den infraroten Bereich.

Hochspezialisierte Anbieter

Eine Folge der Vielfalt und Komplexität ist der hohe Spezialisierungsgrad der Anbieter im Markt, die ihre Prozessketten vom Design über die Fertigung und Beschichtung der Optiken bis zur abschließenden Vermessung rundum beherrschen. Während die Jenaer asphericon GmbH sich mit dieser Kette in erster Linie auf asphärische Linsen, Axicons und asphärische Zylinderlinsen sowie Spiegel, Reflektoren und modulare Laserstrahlformer, Strahlaufweiter, Faserkoppler und ultrapräzise gefassten Optiken spezialisiert hat, legt die Jenoptik-Tochter SwissOptic AG den Fokus auf kundenspezifische asphärische Linsen und Freiformflächen in Kleinserien von höchster Präzision. Auch hier reicht die Prozesskette von der Entwicklung über die Fertigung und Beschichtung bis zu den Prüfmessungen und Produktqualifikation. Hochspezialisiert ist auch die Sill Optics GmbH, die Laseroptiken und Abbildende Optiken nicht nur in höchster Präzision fertigt – sondern ihrer Kundschaft ebenso präzise erklärt, was diese Optiken ausmacht und wofür sie einsetzbar sind. Das Spektrum reicht allein bei den Laseroptiken von der Batterie- und Photovoltaikproduktion bis zum Quantenimaging in der Medizintechnik oder zum Trapped-Ion-Objektiv. Das für mehrere Wellenlängen farbkorrigierte Objektiv ist dazu in der Lage, einen Laserstrahl „sehr scharf auf ein in einer Vakuumkammer befindliches Ion zu fokussieren“. Und spätestens hier wird klar: Wann immer die Photonik Zukunftsmärkte in den Fokus nimmt, ist die Beschichtungstechnologie nicht weit.