CH694408A5 - Schwach absorbierende Beschichtungen für optische Elemente, insbesondere von Infrarot Lasersystemen. - Google Patents

Description

  



   1. Gebiet der Erfindung 



   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschichtungen gemäss Anspruch 1, wie z.B. antireflektierende Beschichtungen für CO 2 -Laseroptiken, optische Elemente mit solchen Beschichtungen gemäss Anspruch 21 und Infrarot-Lasersysteme mit mindestens einem solchen optischen Element gemäss Anspruch 27. 2. Beschreibung verwandter Technik 



   Optische Elemente ("Optiken") sind Schlüsselkomponenten von Lasersystemen grosser Leistung. Solche Optiken (z.B. Linsen, Reflektoren und Strahlteiler) fokussieren, reflektieren und verarbeiten den Laserstrahl in einer Vielzahl von Arten, abhängig von der polierten Krümmung ihrer Oberflächen und der Natur der Dünnfilm-Beschichtungen, die auf den polierten Oberflächen der Optiken abgelagert wurden. Die Dünnfilm-Beschichtungen sind oft verantwortlich für die ganze oder eine grosse Mehrheit der Absorption von einfallender optischer Strahlung durch die Optik. Absorbierte optische Strahlung wird in Wärme umgewandelt, und, um eine Erwärmung der Optik zu minimieren, sollten Dünnfilm-Beschichtungen so ausgelegt sein, dass die Absorption einfallender optischer Strahlung so gering als möglich ist. 



   Kohlendioxid(CO 2 )-Laser erzeugen Laserstrahlen hoher Leistung und werden verbreitet für industrielle Verfahren angewandt, wie z.B. zum Schneiden und Schweissen. Diese Laser verwenden viele optische Elemente, wie Resonatorspiegel, Strahlumlenkungsoptiken und Fokussieroptiken. Für optische Elemente, die optische Strahlung transmittieren, wie z.B. eine Fokussierlinse oder einen Auskoppel-Spiegel (Ausgangskoppler), sind antireflektierende ("AR") Beschichtungen essenziell, insbesondere bei hoher Leistung. Ohne AR-Beschichtungen würde    ein grosser Prozentsatz der optischen Strahlung reflektiert anstatt transmittiert. Zum Beispiel wird von Zinkselenid (ZnSe), dem verbreitetsten verwendeten Material für Transmissionsoptiken für CO 2 -Laser, 17% pro Oberfläche reflektiert. 



   AR-Beschichtungen müssen sorgfältig ausgelegt und hergestellt werden, sonst wird signifikante optische Energie in der Beschichtung absorbiert werden, was unglücklicherweise Hitze erzeugt. Ein bedeutendes, mit der Hitze verknüpftes Problem ist der "thermische Linseneffekt", der bewirkt wird durch die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex, die thermische Ausdehnung der Optik und, zu geringerem Grad, die temperaturinduzierte Belastungsabhängigkeit des Brechungsindex. Der thermische Linseneffekt kann die Brennweite signifikant verschieben und dadurch bewirken, dass der Brennpunkt sich von seiner beabsichtigten Position wegbewegt, ein höchst unerwünschtes Resultat für viele Anwendungen, wie z.B. Präzisions-Laserschneiden von Metall.

   Darüber hinaus kann die thermische Linse auch Abweichungen erzeugen, die den Laserstrahl verzerren und die Grösse des Brennpunktes erhöhen, was die Schnittgeschwindigkeit und -qualität beeinträchtigen kann. 



   Eine typische schwach absorbierende AR-Beschichtung umfasst ein relativ dickes Flourid-Material mit tiefem Brechungsindex, gefolgt von einem relativ dünnen hochbrechenden Material, wie z.B. ZnSe abgelagert über ein hochbrechendes Substrat gebildet aus einem Material wie ZnSe. Für die Betriebswellenlänge von CO 2 -Laseroptiken (10,6 Mikrometer) ist das üblichste Fluorid mit tiefem Brechungsindex Thoriumfluorid (ThF 4 ). Unglücklicherweise ist Thorium (Th) radioaktiv, und deshalb werden weltweit seit vielen Jahren Suchanstrengungen durchgeführt nach einem geeigneten Ersatz, was durch viele Publikationen belegt wird, wie z.B. Rahe et al. "Absorption Calorimetry and Laser Induced Damage Threshold Measurements of AR-coated ZnSe and Metal Mirrors at 10.6     mu m.", Symposium on Laser-Induced Damage in Optical Materials, SPIE Vol. 1441, p 113 (1990).

   Die am meisten untersuchten Ersatzkandidaten sind andere Fluoride, wie z.B. BaF 2 , YbF 3 , PbF 2 , YF 3 , CeF 3 , NaF, PrF 3 . Ein grosser Teil der Forschung hat sich auf die Entwicklung von antireflektierenden ("AR") Beschichtungen für ZnSe-Optiken konzentriert, aus verschiedenen Gründen: AR-Beschichtungen sind diejenigen Schichten, die am empfindlichsten sind auf Absorption im Fluorid-Beschichtungsmaterial, AR-beschichtete ZnSe-Linsen sind die gebräuchlichste CO 2 -Laseroptik, Auskoppler sind die kritischsten Optiken in Hochleistungs-CO 2 -Lasern, und die Leistung industrieller Anwendungen zur Materialverarbeitung mit CO 2 -Lasern hängen in kritischer Weise von der Absorption der AR-Beschichtungen auf dem ZnSe-Auskoppler und den ZnSe-Linsen ab. 



   Nur zwei Fluoride sind bekannt, die tiefere Absorptionswerte als ThF 4  besitzen, und diese sind PbF 2  und BaF 2 . PbF 2  kann dank seinem hohen Brechungsindex eine gute einschichtige AR-Beschichtung niederer Reflektion bilden, aber eine zweite hochbrechende Schicht verbessert die tiefe Reflektivität der Beschichtung nicht wesentlich. Ohne Schutz von einer äusseren Schicht würde sich die Absorption der PbF 2 -Schicht schnell auf Werte erhöhen, die jenseits von dem liegen, was normalerweise für konventionelle zweischichtige ThF 4 -basierte Beschichtungen akzeptabel ist. Ein anderer Nachteil einer PbF 2 -basierten Schicht ist es, dass sie schwer herzustellen und zu verarbeiten ist, und ausserdem wird angenommen, dass ihre anfänglichen Absorptionswerte höher sind als jene einer BaF 2 -basierten AR-Beschichtung.

   Der Brechungsindex von BaF 2  ist so, dass BaF 2 -basierte AR-Beschichtungen viel tiefere Reflektivität haben, inklusive theoretischer Reflektivität von Null, äquivalent zu ThF 4 -basierten AR-Beschichtungen. In einer Studie, durchgeführt von Manfred Rahe für seine Doktorarbeit mit Titel "Untersuchungen zur Herstellung und Charakterisierung von Hochleistungsoptiken für den CO 2 -Laser", Seite 117, wurde beobachtet, dass die Absorption von BaF 2 -basierten Beschichtungen ursprünglich bei einer Hälfte derjenigen einer ThF4-basierten Beschichtung lag. Der tiefe Absorptionswert der BaF 2 -basierten Beschichtung erhöhte sich jedoch schnell, so dass ihre Absorption in weniger als 20 Tagen diejenige der ThF 4 -basierten AR-Beschichtung überstieg, und sodann erhöhte sie sich weiter mit viel schnellerer Rate.

   Basierend auf der anfänglich tiefen Absorption, wie sie von Rahe beobachtet wurde, würde eine geeignete BaF 2 -basierte Beschichtung einen grossen Vorteil in Anwendungen der Materialverarbeitung mittels CO 2 -Laser bringen, bessere Strahlqualität liefern und eine Verarbeitung bei höheren Geschwindigkeiten und/oder bei höheren Leistungspegeln erlauben. 



   BaF 2 -basierte Beschichtungen zeigen jedoch, wie Rahe beschrieb, ein schlechtes "Alterungs"-Verhalten; d.h. die Absorption erhöht sich schnell innerhalb von Tagen und erreicht jene konventioneller ThF 4 -basierter Beschichtungen und übersteigt diese sodann. Dieser unglückliche Anstieg der Absorption wird der Chemisorption von Wasser in der BaF 2 -Schicht zugeschrieben. Eine Studie von Ristau et al. in "Round Robin Test on Optical Absorption at 10.6 mm", veröffentlicht in SPIE Vol. 2714, Symposium on Laser-Induced Damage in Optical Materials", 1995, diskutiert das Alterungsverhalten in Abschnitt 4.3 und zeigt in Fig. 13 einen Graphen, der das Alterungsverhalten illustriert.

   Ristau et al. berichten, dass es, wie oben beschrieben, einen signifikanten Alterungseffekt in typischen AR-Beschichtungen mit BaF 2 /ZnSe gibt, welchen sie einem Adsorptions- oder Chemisorptionsprozess von Wasser zuschreiben, oder, einfach gesagt, einer Adsorption von Wasser. Eine viel kleinere, akzeptable Erhöhung der Adsorption über die Zeit wurde auch für konventionelle ThF 4 /ZnSe-Beschichtungen beobachtet. Eine konventionelle Beschichtungstechnik zum Schützen einer Fluorid-basierten Schicht, wie z.B. ThF 4 ,    vor Wasseradsorption ist es, sie so schnell wie möglich mit einem zweiten Material, wie z.B. ZnSe, zu beschichten, und dann der Schicht von hochbrechendem Material zu vertrauen, dass sie die Adsorption des überall vorhandenen Wasserdampfs in die Molekularstruktur der Fluorid-basierten inneren Schicht verhindert.

   Ein Beispiel einer solchen konventionellen BaF 2 -basierten AR-Beschichtung auf ZnSe für 10.6 Mikrometer (die Wellenlänge von CO 2 -Lasern) ist eine Schicht aus BaF 2  von 11425 Angstrom (A< DEG >) d.h. 1142,5 mm, bedeckt mit einer Schicht aus ZnSe von 1915  . Ein Beispiel einer konventionellen ThF 4 -basierten Beschichtung ist ähnlich, mit einer Schicht aus ThF 4  von 10233   bedeckt mit einer Schicht aus ZnSe von 2387  . In beiden Beispielen hat die äussere ZnSe-Schicht eine ungefähr ähnliche Dicke.

   Weil (1) die äusseren Schichten sowohl der ThF 4 - als auch der BaF 2 -basierten Schichten ungefähr gleiche Dicke haben und (2) vom schnellen Anstieg der Absorption angenommen wird, dass er von Wasser erzeugt wird, ist es nicht klar, wieso die konventionelle ZnSe-Schicht ThF 4 , aber nicht BaF 2  geschützt hat, obwohl angenommen wird, dass die grössere Wasserlöslichkeit von BaF 2 gegenüber ThF 4 verantwortlich ist. 



   In McNally et al, "Survey of Available Potential Replacements for Thorium Fluoride", Annual Tech. Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters, Vol. 35, Seiten 169-73 (1992), wurden Aufdampfungsfluoride, inklusive BaF 2 , studiert. Der Artikel zog die Schlussfolgerung, dass solche Fluoride kein guter Ersatz für ThF 4  in den meisten Infrarotanwendungen wären, insbesondere jenen bei 10,6 Mikrometer.

   Zusammenfassend ist BaF 2  nicht in effizienter Weise als Dünnfilm-Beschichtungsmaterial für CO 2 -Optiken eingesetzt worden, und es wäre von Vorteil, eine effektive und praktikable schwach absorbierende BaF 2 -basierte Dünnfilm-AR-Beschichtung und andere Beschichtungen, wie z.B. teilreflektierende Beschichtungen für Auskoppler, Strahlteiler, Totalreflektoren und verschiedene andere Typen von Be   schichtungen, wie sie in Hochleistungs-C0 2 -Lasern verwendet werden, bereitzustellen. Zusammenfassung der Erfindung 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Beschränkungen des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtung gemäss Anspruch 1, ein optisches Element mit einer solchen Beschichtung gemäss Anspruch 21, sowie ein Infrarot-Lasersystem mit einem solchen optischen Element gemäss Anspruch 27 gelöst. Die Beschichtung eliminiert das radioaktive Element Thorium aus gewissen schwach absorbierenden Infrarotoptiken, die mit Hochleistungs-CO 2 -Lasern verwendet werden. Zusätzlich kann die Beschichtung eine tiefere Absorption als konventionelle ThF 4 -basierte Beschichtungen erreichen, was die Leistung verbessert und die Lebensdauer der Optik verlängert. Ausserdem kann die schwach absorbierende Dünnfilm-Beschichtung, die hier beschrieben wird, eine schwache Absorption über grosse Zeiträume aufrechterhalten. 



   Eine solche schwach absorbierende Beschichtung wird von der hier beschriebenen antireflektierenden ("AR")BaF 2 -Beschichtung für eine vorgegebene Wellenlänge ( lambda ) im Bereich von 9,2 bis 11,2 Mikrometer bereitgestellt, bei welcher eine innere Schicht aus BaF 2  mit einer dicken Abdeckung aus ZnSe vor Wasseradsorption geschützt wird, sodass die anfänglich tiefe Absorption der BaF 2  basierten AR-Beschichtungen über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wird. Die schwach absorbierende Beschichtung wird auf einem Substrat abgelagert und besitzt eine innere Schicht, die auf dem Substrat ausgeformtes BaF 2  aufweist, und eine äussere Schicht, die über der inneren Schicht bis zu einer vorgegebenen Dicke ausgebildet ist, die ausreicht, um eine Adsorption durch die innere Schicht im Wesentlichen zu vermeiden.

   Im Allgemeinen ist die vorgegebene Dicke grösser als etwa 11 000  ,und in einer Ausführung einer zweischichtigen schwach absorbierenden Beschichtung für Antireflektion bei 10,6 Mikrometer hat die äussere Schicht eine physische Dicke im Bereich zwischen etwa 24 600   und 22 800  ,und vorzugsweise    etwa 24 000  . In der bevorzugten Ausführung der zweischichtigen AR-Beschichtung definiert die äussere Schicht eine Deckschicht und eine Abwesentheitsschicht, und die innere Schicht ist relativ dünn. Die bevorzugte äussere Schicht besteht im Wesentlichen aus ZnSe. 



   Zusätzlich zu den zweischichtigen Beschichtungen der bevorzugten Ausführung können mehrschichtige, gestapelte Beschichtungen aus mehr als zwei Schichten gebildet werden. Zum Beispiel kann eine teilreflektierende, schwach absorbierende Beschichtung gebildet werden, indem vier oder mehr Schichten verwendet werden, die aufeinander gelegt werden, um den gewünschten Grad an Reflektivität zu erhalten. Eine total reflektierende Beschichtung kann auch gebildet werden. 



   Die hier beschriebene, effektivere schwach absorbierende Beschichtung reduziert in vorteilhafter Weise die Betriebstemperatur des optischen Elements und/oder erlaubt den Durchtritt einer höheren Laserleistung. Eine tiefere Temperatur reduziert in vorteilhafter Weise thermische Linseneffekte, die durch den temperaturabhängigen Brechungsindex und die thermische Expansion der Optik bewirkt werden, wodurch die Verzerrung des CO 2 -Laserstrahls vermindert und eine vorhersagbare Fokussierung verbessert wird, indem eine unerwünschte Bewegung der Brennweite der Linsen vermindert wird. Die tieferen Temperaturen reduzieren auch eine lokale thermische Ausdehnung der Oberflächen der Optik, die anderenfalls einen CO 2 -Laserstrahl signifikant verzerren könnten. 



   Das Vorhergehende wird, zusammen mit anderen Zielen, Merkmalen und Vorteilen dieser Erfindung, klarer werden, wenn auf die folgende Beschreibung, die Ansprüche und die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Kurze Beschreibung der Figuren 



   Für ein vollständigeres Verständnis dieser Erfindung wird nun auf die folgende detaillierte Be   schreibung der Ausführungen Bezug genommen, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen illustriert sind, wobei: Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Substrat und eine darauf ausgeformte zweischichtige Beschichtung; Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Substrat und eine darauf ausgeformte vierschichtige Beschichtung; Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein Substrat und eine darauf ausgeformte mehrschichtige, gestapelte Beschichtung; Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Transmissionsoptik, die für geringe Absorption beschichtet ist gemäss der hier beschriebenen Erfindung; und Fig. 5 ist ein Diagramm eines Lasersystems, welches eine gemäss der hier beschriebenen Erfindung beschichtete Optik verwendet. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung 



   Diese Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführung in der folgenden Beschreibung beschrieben, unter Bezug auf die Figuren, in welchen ähnliche Ziffern gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen. Definitionen 



   Chemische Elemente und Verbindungen werden mit ihren Standardabkürzungen bezeichnet. "Zn" bezieht sich zum Beispiel auf Zink, "Se" auf Selen, "ZnSe" auf Zinkselenid, "Th" auf Thorium, "Ba" auf Barium, "F" auf Fluor, "ThF 4 " auf Thoriumfluorid und "BaF 2 " auf Bariumfluorid. 



   Für die Zwecke dieses Texts ist ein optisches Element, manchmal "Optik" genannt, so definiert, dass es Transmissionsoptiken, wie z.B. Linsen, Reflektionsoptiken, wie z.B. Spiegel, teilreflektierende Optiken und Strahlteiler umfasst. Transmissionsoptiken für CO 2 -Laser umfassen generell ein Substrat, das ein hochbrechendes optisches Material, wie z.B. ZnSe, aufweist. 



   "Index" bezeichnet den Brechungsindex, der eine physikalische Eigenschaft eines Materials ist. Insbesondere gibt es die tiefere Lichtgeschwindigkeit im Material relativ zum Vakuum oder zum freien Raum für die interessierende Wellenlänge an. Wenn auf den Index eines Materials Bezug genommen wird, werden "hoch" und "tief" in relativem Sinne verwendet, um das Verhältnis zwischen den Indizes der beiden Materialien. 



   Die Wellenlänge ( lambda ) ist ein wichtiges Charakteristikum optischer Strahlung, und sie wird normalerweise durch ihren Wert im freien Raum angegeben. Infrarotstrahlung umfasst Wellenlängen im Bereich von etwa 1,0 Mikrometer bis etwa 1,0 mm. Eine sehr wichtige Infrarotwellenlänge ist 10,6 Mikrometer, die Emissionswellenlänge von CO 2 -Lasern hoher Leistung, die weit verbreitet sind in industriellen Anwendungen der Materialverarbeitung, wie z.B. Schneiden, Schweissen und Bohren. Solche CO 2 -Laser können viele Kilowatt (kW) optischer Leistung erzeugen. 



   Eine schwach absorbierende Beschichtung wird als Dünnfilm-Beschichtung definiert, die eine niedere Absorption optischer Energie bei der interessierenden Wellenlänge hat. Die schwach absorbierende Beschichtung kann mehrere Schichten aufweisen, von denen jede eine vorgegebene Dicke besitzt. Eine schwach absorbierende Beschichtung kann gebildet werden, indem ein Material mit tiefem Index über ein hochbrechendes Substrat abgelagert wird, und dann das Material mit tiefem Index mit einem hochbrechenden Material bedeckt wird. In einer solchen Beschichtung sind "hoch" und "tief" relative Begriffe und nur in Bezug zueinander definiert. Bei Verwendung der hier beschriebenen Materialien, besitzt ein hochbrechendes Material normalerweise einen Brechungsindex grösser als 2,0 (n > 2,0), und ein Material mit tiefem Index normalerweise einen Brechungsindex kleiner als 2,.0 (n < 2,0). 



   Für Zwecke dieses Textes wird die Dicke einer optischen Beschichtung normalerweise als optische Dicke    (t opt ) angegeben, obwohl in einigen Beispielen die physische Dicke (t phy ) verwendet wird. Die optische Dicke ist mit der physischen Dicke über den Brechungsindex (n) der Beschichtung bei einer vorgegebenen Wellenlänge verknüpft und wird definiert durch: 



   



   t opt = n ( lambda )t phy . Gl. 1 



   



   Hierbei wird die physische Dicke in Einheiten von Angstrom ( ) ausgedrückt, während die optische Dicke in Einheiten eines Bruchteils einer vorgegebenen Wellenlänge ausgedrückt wird, z.B.  lambda /2 bei 10.6 Mikrometer. Generell wird die optische Dicke hier als vollwellen-optische Dicke (FWOT) ausgedrückt. Um eine physische Dicke in eine optische Dicke bei einer vorgegebenen Wellenlänge  lambda  umzuwandeln, kann die folgende Gleichung benutzt werden 



   



   t opt  (in Einheiten von  lambda ) = n ( lambda ) t phy / lambda Gl. 2 Beschreibung 



   Um die bevorzugte Ausführung der schwach absorbierenden Beschichtung zu illustrieren, wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen, welche einen Schnitt durch ein Substrat 100 zeigt, das mit einer antireflektierenden ("AR") Beschichtung beschichtet ist, welche generell mit 105 beziffert ist. In der bevorzugten Ausführung weist das Substrat ZnSe auf, ein Material, welches höchst geeignet ist, um optische Strahlung bei z.B. 9,2 bis 11,2 Mikrometer zu transmittieren, was alle Laserwellenlängen des CO 2 -Lasers umfasst, inklusive der wichtigen Strahlung bei 10,6 Mikrometer. Die AR-Beschichtung 105, welche direkt über dem Substrat ausgeformt ist, umfasst eine innere Schicht 120 und eine äussere Schicht 130. In der bevorzugten Ausführung besteht die innere Schicht 120 im Wesentlichen aus BaF 2  und die äussere Schicht besteht im Wesentlichen aus ZnSe.

   Wie im technischen Gebiet bekannt ist, hat BaF 2  ei   nen tieferen Brechungsindex als ZnSe; in anderen Worten ist BaF 2  das Material mit "tiefem" Brechungsindex (etwa bei 1,42 bei 10,6 Mikrometer), während ZnSe das "hoch"-brechende Material ist (etwa 2,4 bei 10,6 Mikrometer). 



   Für Zwecke der Illustration der bevorzugten Ausführung kann die äussere Schicht als zwei Schichten bezeichnet werden, wie in Fig. 1 mit Trennung durch eine gestrichelte Linie illustriert ist: eine Deckschicht 140 und eine Abwesenheitsschicht 145. Eine schwach absorbierende AR-Beschichtung wird durch die Deckschicht 140 zusammen mit der inneren Schicht 120 definiert. Die Abwesenheitsschicht, d.h. absentee Layer, ist definiert durch eine Dicke von  lambda /2 (etwa 22 000   in ZnSe), wobei  lambda die Wellenlänge des Laserstrahls ist, für welchen die Beschichtung ausgelegt ist (10,6 Mikrometer für CO 2 -Laser in der bevorzugten Ausführung). Wenn Absorption und Streuung vernachlässigt werden, trägt eine Abwesenheitsschicht keinen optischen Effekt bei der interessierenden Wellenlänge bei, ausser dass die Bandbreite der schwach absorbierenden AR-Beschichtung eingeengt wird.

   Wenn die Abwesenheitsschicht auf die Oberfläche der konventionellen AR-Beschichtung, definiert durch Schichten 120 und 140, aufgebracht wird, so wird die anfänglich tiefe Absorption, wie sie von Rahe und anderen beobachtet wurde, über einen ausgedehnten Zeitraum aufrechterhalten. Das ausgezeichnete Alterungsverhalten der bevorzugten Ausführung lässt vermuten, dass die konventionell dünne äussere Schicht 140 nicht ausreichend war, um eine innere Schicht aus BaF 2 vor einer Adsorption von Wasser zu schützen. 



   In einem ausgeführten Beispiel der bevorzugten Ausführung wurde eine Transmissionsoptik aus ZnSe mit einer Dicke von 0,9144 cm, d.h. 0,36 Zoll, auf beiden Seiten beschichtet mit einer zweischichtigen schwach absorbierenden Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe bei 10,6 Mikrometer unter Verwendung eines thermischen Ablagerungsverfahrens. Die innere Schicht (BaF 2 ) wurde zu einer Dicke von 10 525   (etwa  lambda /8) abgelagert, und die äussere Schicht (ZnSe) wurde zu einer Dicke    von 21 860   (gerade grösser als  lambda /2) abgelagert. Experimentelle Resultate basierend auf dieser Ausführung haben Optiken gezeigt, die eine tiefe Absorption bei 10,6 Mikrometer haben (nur 0,11% bis 0,12%), mit ausgezeichnetem Alterungsverhalten.

   Dies ist eine substantielle Verbesserung der Absorption in Vergleich zu ähnlichen, mit konventionellen ThF 2 /ZnSe-Beschichtungen beschichteten Optiken, die typisch eine Absorptionshöhe zwischen 0,17% und 0,2 0% oder höher zeigen. Beschichtungsentwurf 



   Zusätzlich zur bevorzugten Ausführung können viele andere zweischichtige Beschichtungen konstruiert werden, indem konventionelle Techniken und Computerprogramme, die für die Entwicklung für Dünnfilm-Beschichtungen erhältlich sind, verwendet werden, so lange die äussere Schicht dick genug ist, um die innere Schicht vor Adsorption von Wasser zu schützen. Die Dicken der ersten und der äusseren Schicht variieren abhängig von den Konstruktionsvorlieben und der Wellenlänge für die jeweilige Konstruktion. Allgemein muss die äussere Schicht dicker als die konventionelle Dicke einer äusseren Schicht in Fluorid-basierten AR-Beschichtungen, die im Bereich von 0,0 A< DEG ><>bis 4500   sind. Im Allgemeinen werden bessere Resultate beobachtet, wenn die äussere Schicht dicker wird.

   In der oben beschriebenen Ausführung ist die physische Dicke der äusseren ZnSe-Schicht etwa 22 000   (etwa  lambda /2), und exzellente Resultate wurden beobachtet. Für einige Anwendungen werden akzeptable Resultate erhalten, wenn die Dicke der äusseren Schicht grösser als etwa 11 000 ( lambda /4) ist. 



   Eine zweischichtige AR-Beschichtung unter Verwendung von BaF 2  als Material mit tiefem Index als erste (innere) Schicht und ZnSe als hochbrechendes Material für die zweite (äussere) Schicht kann mit bekannten Techniken entworfen werden, wie z.B. beschrieben im Buch von H.A. Macleod mit Titel "Thin-Film Optical Filters", 2. 



   Ausgabe, Macmillan Publishing Company, New York, 1986, Seiten 78-86, welches die folgenden wohlbekannten Gleichungen angibt: 



   
EMI13.1
 



   
EMI13.2
 



   
EMI13.3
 



   
EMI13.4
 



   <tb><TABLE> Columns = 3 <tb><SEP> wobei<SEP> h  m   = <SEP> optische Admittanz des Substrats<ROW><SEP> h 0  =<SEP> optische Admittanz des einfallenden Mediums<ROW><SEP> h 2 <=><SEP> optische Admittanz der inneren (BaF 2 -)Schicht<ROW><SEP> h 1  =<SEP> optische Admittanz der äusseren (ZnSe-)Schicht<ROW><SEP> d 1  =<SEP> Phasendicke der äusseren (ZnSe-)Schicht<ROW><SEP> d 2  =<SEP> Phasendicke der inneren (BaF 2 -)Schicht <tb></TABLE> 



   Unter der Annahme, dass der Einfallswinkel q = 0 DEG  ist, und unter der Annahme von Gauss'schen Einheiten ist die optische Admittanz h = N = n - ik, was der komplexe Brechungsindex jedes Materials ist. Aus der Phasendicke d: 



   
EMI13.5
 



   Weil q = 0 ist, ist die vollwellenoptische Dicke (FWOT) für jede Schicht ungefähr gleich d/2p. 



   Mit diesen Gleichungen kann gezeigt werden, dass es im Allgemeinen zwei unabhängige Lösungen gibt, für welche die theoretische Leistungsfähigkeit der Beschichtung eine Reflektanz von 0 bei einer gegebenen Wellenlänge gibt. Für die Zwecke einer Definition besitzt die erste Lösung eine erste (innere) Schicht mit einer    Dicke von T 1  und die zweite (äussere) Schicht eine Dicke von T 2 , und die zweite Lösung hat eine erste (innere) Schicht mit einer Dicke von T 3  =  lambda /2-T1 und eine zweite (äussere) Schicht mit einer Dicke von T 4  =  lambda /2-T 2 . Für jede dieser Lösungen können eine oder mehrere Abwesenheitsschichten hinzugefügt werden, zu einer oder beiden Schichten. 



   Weil es zwei Lösungen gibt, definiert die mögliche Addition einer oder mehrerer Abwesenheitsschichten zwei Lösungsmengen für die zweischichtige AR-Beschichtung. Die erste Lösungsmenge ist definiert durch: 



   



   t 1  = T 1  + m 1 ( lambda /2), wobei m 1  = 0, 1, 2, 3, ...; und 



   t 2 = T 2 + m 2 ( lambda /2), wobei m 2 = 0, 1, 2, 3, ... 



   



   Die zweite Lösungsmenge ist definiert durch: 



   



   t 3  = T 3  + m 3 ( lambda /2), wobei T 3  =  lambda /2-T 1  und m 3 = 0,1, 2, 3, ...; und 



   t 4  = T 4  + m 4 ( lambda /2), wobei T 4  =  lambda /2-T 2  und m 4 = 0,1, 2, 3, ... 



   



   Vorzugsweise wird die Lösungsmenge mit der dünnsten inneren BaF 2 -Schicht gewählt, um die Adsorption zu minimieren, und deshalb verwendet die bevorzugte Lösung die erste Lösungsmenge mit m 1  = 0 für die erste Schicht und m 2  = 1 für die zweite Schicht. Diese Bedingung liefert die dünnste innere Schicht mit der dünnsten äusseren Schicht, die immer noch eine gute AR-Beschichtung und ausreichenden Schutz der inneren Schicht vor Adsorption von Wasser liefert. 



   Konventionelle AR-Beschichtungen verwenden die erste Lösungsmenge mit m 1  = 0 für die erste Schicht und m 2  = 0 für die zweite Schicht. In solchen konventionellen AR-Beschichtungen ist die äussere Schicht zu dünn, um in adäquater Weise die innere BaF 2 -Schicht vor Adsorption von Wasser zu schützen, selbst wenn ein hygroskopi   sches Material mit tiefem Index, wie z.B. ZnSe, als erste Schicht verwendet wird. 



   Erstes Beispiel: Für eine schwach absorbierende Ar-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe bei 10,6 Mikrometer hat die erste Lösung T 1  = 0,153 lambda  (11 450 A< DEG >)und T 2  = 0,043  lambda  (1900   )für theoretische Reflektanz von Null. Durch die Wahl von m 1  = 0 für die innere Schicht und m 2  = 1 für die äussere Schicht bleibt die innere Schicht dünn, während die äussere Schicht um eine Abwesentheitsschicht erhöht wird, was eine resultierende Dicke von t 2  = 0,043  lambda + (1  x  0.5  lambda ) = 0,543  lambda  (23 900  ) gibt für die optimale theoretische Lösung der äusseren Schicht. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die eigentliche Optimallösung für eine gegebene Ausführung etwas von der theoretischen Lösung abweichen wird, abhängig von anderen Faktoren, wie z.B.

   Indexvariationen im Material, überwachungstechniken für das Ablagerungsverfahen und normale Herstellungstoleranzen. 



   Ein Bereich von Dicken um die Optima T 1  und T 2  kann auch eine akzeptable AR-Beschichtung liefern, selbst wenn die Reflektivität leicht grösser ist. Es folgt ein Beispiel eines Bereichs von Werten, die eine Reflektivität von etwa 0,5% oder weniger für eine AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe liefert, die unter Verwendung der ersten Lösungsmenge bei 10,6 Mikrometer entworfen wurde, wobei m 1  = 0 und m 2  = 1. 



   Die innere Schicht (BaF 2 ) hat eine optische Dicke zwischen etwa 0,12  lambda  (9000  ) und 0,21  lambda  (15 700  ), und die äussere Schicht (ZnSe) hat eine entsprechende optische Dicke zwischen etwa 0,56  lambda  (24 600  ) und 0,52  lambda  (22 850  ). Das heisst, in einer ersten Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,12  lambda  (9000  ) und 0,56  lambda  (24 600  ) und in einer zweiten Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,21 lambda (15 700  ) und 0,52 lambda (22 850  ). 



   Zweites Beispiel: Immer noch unter Verwendung der ersten Lösungsmenge können m 1  und m 2  variiert werden,    um viele mögliche Konstruktionen bereitzustellen. Im folgenden Beispiel starten wir bei T 1  = 0,153 lambda  (11 450  ) und T 2  = 0,043  lambda  (1900  ) für eine theoretische Reflektanz von Null bei einer schwach absorbierenden AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe bei 10,6 Mikrometer. Bei einer Wahl von m 1  = 0 für die innere Schicht und m 2  = 2 für die äussere Schicht bleibt die innere Schicht dünn, während die äussere Schicht um zwei Abwesenheitsschichten erhöht wird, was eine resultierende Dicke von t 2  = 0,043  lambda + (2  x  0,5  lambda ) = 1,043  lambda  (45 900  ) gibt für die optimale Lösung der äusseren Schicht. 



   Wie im ersten Beispiel kann auch ein Bereich von Dicken um die Optima T 1  und T 2  eine akzeptable AR-Beschichtung liefern, selbst wenn die Reflektivität leicht grösser ist. Es folgt ein Beispiel eines Bereichs von Werten, die eine Reflektivität von etwa 0,5% oder weniger für eine AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe liefert, die unter Verwendung der ersten Lösungsmenge bei 10,6 Mikrometer entworfen wurde, wobei m 1 = 0 und m 2 = 2. 



   Die innere Schicht (BaF 2 ) hat eine optische Dicke zwischen etwa 0,12  lambda  (9000  ) und 0,21  lambda  (15 700  ) und die äussere Schicht (ZnSe) hat eine entsprechende optische Dicke zwischen etwa 1.06  lambda  (46 600  ) und 1,02  lambda  (44 800  ). Das heisst, in einer Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,12  lambda  (9000  ) und 1,06  lambda  (46 600  ), und in einer anderen Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,21 lambda (15 700  ) und 1,02 lambda (44 800  ). 



   Drittes Beispiel: Immer noch unter Verwendung der ersten Lösungsmenge beginnen wir im folgenden Beispiel wieder bei T 1  = 0,153  lambda (11 450  ) und T 2  = 0,043  lambda  (1900 A< DEG >)für eine theoretische Reflektanz von Null bei einer schwach absorbierenden AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe bei 10.6 Mikrometer. Bei einer Wahl von m 1  = 1 für die innere Schicht und m 2  = 1 für die äussere Schicht wird die innere Schicht um eine Abwesentheitsschicht erhöht, was eine resultierende Dicke von t 1  = 0,153  lambda  + (1  x  0,5  lambda ) =    0,653  lambda  (48 800  ) ergibt, und die äussere Schicht wird auch um eine Abwesenheitsschicht erhöht, was eine resultierende Dicke von t 2  = 0,043  lambda  + (1 x 0,5  lambda ) = 0,543  lambda (23 900  ) gibt für die optimale Lösung der äusseren Schicht. 



   Wie im ersten und zweiten Beispiel kann auch ein Bereich von Dicken um die Optima T 1  und T 2  eine akzeptable AR-Beschichtung liefern, selbst wenn die Reflektivität leicht grösser ist. Es folgt ein Beispiel eines Bereichs von Werten, die eine Reflektivität von etwa 0,5% oder weniger für eine AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe liefern, die unter Verwendung der ersten Lösungsmenge bei 10,6 Mikrometer entworfen wurde, wobei m 1 = 1 und m 2 = 1. 



   Die innere Schicht (BaF 2 ) hat eine optische Dicke zwischen etwa 0,62  lambda  (46 350  ) und 0,71  lambda  (53 000  ) und die äussere Schicht (ZnSe) hat eine entsprechende optische Dicke zwischen etwa 0.56  lambda  (24 600  ) und 0,52  lambda  (22 850  ). Das heisst, in einer Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,62  lambda  (46 350  ) und 0,56  lambda  (24 600  ), und in einer anderen Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,71 lambda (53 000  ) und 0,52 lambda (22 850  ). 



   Viertes Beispiel: Die zweite Lösungsmenge kann auch akzeptable AR-Beschichtungen liefern. Unter Verwendung der zweiten Lösung können die Werte für T 3 und T 4 auch aus T 1 und T 2 berechnet werden: 



   



   T 3 = lambda /2-T 1 = 0,347 lambda (2600  ): und 



   T 4 = lambda /2-T 2 = 0,457 lambda (20 000  ) 



   für die theoretische Reflektanz von Null einer schwach absorbierenden AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe bei 10,6 Mikrometer. 



   Für diese Dicken können wir m 3  = 0 und m 4  = 0 wählen, um die dünnste Lösung der zweiten Menge zu finden, ohne Abwesenheitsschicht in den Schichten. 



   Ein Bereich von Dicken um die Optima T 3  und T 4  kann auch eine akzeptable AR-Beschichtung liefern,    selbst wenn die Reflektivität leicht grösser ist. Es folgt ein Beispiel eines Bereichs von Werten, die eine Reflektivität von etwa 0,5% oder weniger für eine AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe liefern, die unter Verwendung der zweiten Lösungsmenge bei 10,6 Mikrometer entworfen wurde, wobei m 3  = 0 und m 4  = 0. 



   Die innere Schicht (BaF 2 ) hat eine optische Dicke zwischen etwa 0,29  lambda  (21 700  ) und 0,38  lambda   (28 400  ), und die äussere Schicht (ZnSe) hat eine entsprechende optische Dicke zwischen etwa 0,48  lambda  (21 100  ) und 0,44  lambda  (19 350  ). Das heisst, in einer ersten Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,29  lambda  (21 700  ) und 0,48  lambda  (21 100  ) und in einer zweiten Ausführung gemäss diesem Beispiel sind die respektiven Dicken 0,38 lambda (28 400  ) und 0,44 lambda (19 350  ). 



   In diesem vierten Beispiel gibt es keine Abwesenheitsschicht in der äusseren Schicht, aber da ihre Dicke grösser als etwa 11 000 A< DEG >ist, wird sie einen Schutz für die innere Schicht aus BaF 2  bieten. Das vierte Beispiel ist nicht das bevorzugte Beispiel, weil seine innere BaF 2 -Schicht viel dicker ist als die innere Schicht des ersten Beispiels. Aus diesem Grund sind die Lösungen der zweiten Lösungsmenge, obwohl sie ausreichend sind, um eine AR-Beschichtung zu liefern, nicht so ansprechend wie die Lösungen der ersten Lösungsmenge, die oben für die gleichen Werte von m diskutiert wurden. 



   Das Obige sind Beispiele für eine zweischichtige Beschichtung, die sehr schwache Absorption bei 10,6 Mikrometer für eine Transmissionsoptik aus ZnSe bieten, unter Verwendung der bevorzugten AR-Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe. Es sollte klar sein, dass andere Dickenkombinationen und Materialien verwendet werden können, um schwach absorbierende Beschichtungen gemäss der Erfindung bereitzustellen. Es sollte auch bemerkt werden, dass in einigen Konstruktionen zusätzliche Abwesenheitsschichten hinzugefügt werden können, sowohl zu den inneren als    auch zu den äusseren Schichten, in jedem dieser Beispiele. Beschichtungsverfahren 



   Die inneren und äusseren Schichten werden auf dem Substrat mittels eines geeigneten Verfahrens abgelagert. Das bevorzugte Verfahren ist die physikalische Aufdampfung (manchmal "thermische Verdampfung" genannt); es sollte jedoch klar sein, dass andere Beschichtungsverfahren, wie z.B. Elektronenstrahlbeschichtung, Sputtern oder chemisches Aufdampfen verwendet werden können, um die Schichten zu bilden. Es ist lediglich nötig, dass diese Verfahren schwach absorbierende, anhaftende Dünnfilm-Beschichtungen liefern. Beispiele von Sputteringverfahren umfassen Ionenstrahl-Sputtering und Magnetron-Sputtering. MBE-("Molekulare Strahlepitaxie") Verfahren können auch verwendet werden. Auch ionenunterstützte Ablagerungverfahren können in Zusammenhang mit jedem der obigen Verfahren verwendet werden.

   Wegen der Verengung der Bandbreite, die mit der dickeren äusseren Schicht kommt, ist eine genaue überwachung des Verfahrens jedoch nützlich, um akzeptable Ausbeuten zu erhalten, wenn mehrere Optiken zusammen beschichtet werden. Ausserdem werden die Schichten, und insbesondere die innere Schicht, vorzugsweise auf ein Substrat mit hoher Temperatur abgelagert, z.B. wie von Rahe et al. beschrieben in "The Effect of Hydrogen Concentration in Conventional and IAD Coatings on the Absorption and Laser Induced Damage at 10.6 mm", 24th annual Symposium on Laser-Induced Damage (Boulder) (1992). 



   Es wurde herausgefunden, dass schwach absorbierende Beschichtungen mit einer inneren Schicht aus BaF 2  ein gutes Adsoprtions-Alterungsverhalten haben, solange die äussere Schicht eine Dicke besitzt, die ausreichend ist, um Wasseradsorption im Wesentlichen zu verhindern. In den meisten Ausführungen bietet eine Dicke von mindestens 11 000  , und vorzugsweise etwa 22 000  , einen ausgezeichneten Schutz. Unter Beachtung dieser Grenze    kann eine grosse Zahl von schwach absorbierenden Beschichtungen konstruiert werden. Viele Beschichtungsgestaltungen sind möglich: Jede einzelne Gestaltung hängt von vielen Faktoren ab: die gewünschten optischen Eigenschaften (d.h.

   Transmission, Reflektion, partielle Reflektion, usw.), der Brechungsindex der Materialien, die für das Substrat und die Beschichtung gewählt wurden, die interessierende Wellenlänge und die diese Wellenlänge umgebende Bandbreite. Die Realitäten der Kosten und der Herstellung können Gestaltungsentscheidungen ebenfalls beeinflussen. Mehrschichtige Beschichtungen 



   In anderen Ausführungen können an Stelle einer zweischichtigen BaF 2  AR-Beschichtung mehrschichtige Beschichtungen konstruiert werden, mit mehreren Kombinationen von anderen Materialien unter Verwendung konventioneller Techniken und Computerprogrammen, die für die Entwicklung für Dünnschicht-Beschichtungen erhältlich sind, so lange das Ziel ist, den grössten Teil des BaF 2  tief unter einem oder zwei Schutzschichten aus ZnSe zu "begraben". Die mehrschichtigen Beschichtungen können antireflektierend oder reflektierend sein (inklusive teilweise reflektierend und vollständig reflektierend). 



   Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Substrat 200 mit einer darauf ausgebildeten vierschichtigen Beschichtung, welche generell mit 205 bezeichnet ist, umfassend eine erste innere Schicht 210 mit einem Material mit tiefem Index, eine zweite innere Schicht 215 mit einem hochbrechenden Material, eine dritte innere Schicht 220 mit einem Material mit tiefem Index und eine äusseren Schicht 225 mit einem hochbrechenden Material. In einem Beispiel dieser Ausführung enthält das Substrat ZnSe, die erste und die dritte innere Schicht bestehen im Wesentlichen aus BaF 2  und die zweite und die äussere Schicht bestehen im Wesentlichen aus ZnSe. 



   In einer antireflektierenden, mehrschichtigen Beschichtung ist die totale Dicke von BaF 2  etwas dicker als in der bevorzugten zweischichtigen Ausführung, aber der grösste Teil des BaF 2  ist in der untersten Schicht, bedeckt von drei anderen Schichten. In einer Ausführung dieser mehrschichtigen AR-Beschichtung haben die Schichten die folgenden Dicken 0,0986  lambda  (7400  ) für die erste innere Schicht aus BaF 2 , 0,31220  lambda  (13 700  ) für die zweite innere Schicht aus ZnSe, 0,05900  lambda  (4400  ) für die dritte innere Schicht aus BaF 2 , und 0,15010  lambda  (6600  ) für die äussere Schicht aus ZnSe.

   In diesem Beispiel ist die zweite innere Schicht so dünn dass sie nicht viel Wasser adsorbieren wird, obwohl die äussere Schicht aus ZnSe nur 6600  ) dick ist, was bewirkt, dass der Schutz der zweiten inneren Schicht aus BaF 2  nicht so gut wie in der bevorzugten Ausführung ist. Während eine solche Beschichtung nicht das gleiche Alterungsverhalten wie die bevorzugte zweischichtige Ausführung haben mag, kann es tiefere Absorption als die Standard-AR-Beschichtung basierend auf ThF 4 haben, und weil sie eine höhere Bandbreite als jene der bevorzugten Ausführung besitzt, könnte sie nützlich sein in gewissen breitbandigen Anwendungen oder in Fällen, wo Wellenlängen zusätzlich zu 10,6 Mikrometer verwendet werden. 



   In einem anderen Beispiel einer vierschichtigen AR-Beschichtung hat die erste innere Schicht aus BaF 2  eine Dicke von 0,06120  lambda (4580  ) die zweite innere Schicht aus ZnSe ist 0,35400  lambda (1560  ) die dritte innere Schicht aus BaF 2  ist 0,07690  lambda (5750  ), und die äussere Schicht aus ZnSe ist 0,11020  lambda (4850  ). 



   Eine mehrschichtige, teilweise reflektierende Beschichtung kann gemäss den hier aufgeführten Prinzipien erzeugt werden. Eine teilweise reflektierende mehrschichtige Beschichtung umfasst einen Stapel von alternierenden Schichten mit BaF 2  mit tiefem Index und hochbrechendem ZnSe, wobei die äussere Schicht eine physische Dicke von mindestens 11 000   hat. In einer Ausführung einer vier   schichtigen, teilweise reflektierenden Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe, ausgelegt für 60% Reflektion, hat die erste innere Schicht aus BaF 2  eine optische Dicke von 0,10710 lambda  (8000  ), die zweite innere Schicht aus ZnSe hat eine optische Dicke von etwa 0.36310  lambda  (16  000  ), die dritte innere Schicht aus BaF 2  hat eine optische Dicke von etwa 0.10710  lambda  (8000  ), und die äussere Schicht aus ZnSe hat eine optische Dicke von etwa 0,36310  lambda  (16 000  ).

   Es wurde beobachtet, dass diese Ausführung ein exzellentes Alterungsverhalten besitzt. Andere Ausführungen der reflektierenden Beschichtung können erhöhte optische Dicken in einer der äusseren Schichten haben, um sogar noch grösseren Schutz für die inneren Schichten zu bieten. In einigen Ausführungen für einige Anwendungen kann eine Dicke so klein wie etwa 11 000   ( lambda /4) für die äussere Schicht verwendet werden, obwohl das Alterungsverhalten nicht so gut wie bei der Ausführung mit der physischen Dicke von 0,36310 lambda (16 000  ) ist. 



   Wie dem Fachmann bekannt ist, können reflektierende Beschichtungen gestaltet werden, um eine vorgegebene Reflektivität (inklusive fast totaler Reflektivität) zu bieten, indem eine Zahl von alternierenden Paaren von Materialien mit tiefem und hohem Index aufeinander geschichtet werden, von denen jedes eine Reflektivität liefert, die bestimmt ist durch seine Dicke und seinen Materialindex.

   Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein Substrat 300 mit einer darauf ausgeformten mehrschichtigen, gestapelten Beschichtung, welche generell mit 305 bezeichnet ist, umfassend eine erste innere Schicht 310 mit einem Material mit tiefem Index, eine zweiten innere Schicht 315 mit einem hochbrechenden Material, eine oder mehrere alternierende Schichten, bezeichnet mit 317, mit tiefbrechendem Material 318 und mit hochbrechendem Material 319, aufgeschichtet auf die zweite innere Schicht, eine obere innere Schicht 320 mit einem Material mit tiefem Index und eine äussere Schicht 225 mit einem hochbrechenden Material. In einem Beispiel dieser Ausführung enthält das    Substrat 300 ein festes Stück Metall oder eine Metallschicht, wie z.B. Cu, Ag, Au, AI, Mo, oder eine andere geeignete Metallschicht abgelagert auf einem geeigneten Substrat, wie z.B.

   Silizium, das Material mit tiefem Brechungsindex besteht im Wesentlichen aus BaF 2 , und das Material mit hohem Index und die äussere Schicht bestehen im Wesentlichen aus ZnSe. In jeder bestimmten Ausführung wird die Reflektivität bestimmt durch die Auswahl der Beschichtungspaare und die Dicke jedes Paars, welche nicht gleich über den Stapel zu sein braucht. Zum Beispiel können einige teilweise reflektierende Beschichtungen nur vier Schichten enthalten (zwei Paare), andere können sechs Schichten enthalten (drei Paare) oder mehr. Die Zahl der Paare und die Dicken für eine bestimmte Anwendung werden durch die gewünschte Reflektivität sowie die praktischen Anforderungen an die Kosten und Herstellbarkeit bestimmt. Normalerweise bietet eine grössere Zahl von Schichten eine höhere Reflektivität. 



   In einem totalen (etwa 100%) Reflektor kann jede Zahl von Paaren von Schichten aus BaF 2 /ZnSe zwischen einem Paar und mehreren zehn Paaren auf ein geeignetes Substrat abgelagert werden, wie z.B. ein festes Stück Metall oder vorzugsweise eine Metallschicht, wie z.B. Cu, Ag, Au, AI, Mo oder eine andere geeignete Metallschicht abgelagert auf einem geeigneten Substrat, wie z.B. Silizium. Wie oben sollte die letzte äussere Schicht mindestens etwa 11 000   dick sein, um adäquaten Schutz gegen Wasseradsorption zu bieten. In einer Ausführung dieses totalen Reflektors lagern wir zwei Paare von BaF 2 /ZnSe auf einer dünnen Schicht aus kupferbeschichteten Substrat oder Kupfersubstrat ab.

   Die Schichten haben die folgenden Dicken: 0,1905  lambda , (14 200  ) für die erste innere Schicht aus BaF 2 , 0,3016  lambda  (13 300  ) für die zweite innere Schicht aus ZnSe, 0.1905  lambda  (14 200  ) für die dritte innere Schicht aus BaF 2  und 0,3016  lambda (13 300  ) für die vierte äussere Schicht aus ZnSe. Solange die Dicke der äusseren Schicht ausreichend ist, um einen Schutz gegen Wasseradsorption zu ge   währleisten, kann die Zahl der Paare von BaF 2 /ZnSe Schichten Dicken geändert werden, um andere schwach absorbierende totale Reflektoren, Phasenverschieber, Isolationsreflektoren und ähnliche Beschichtungen bereitzustellen. Alternative Materialien 



   Substrate aus anderen Materialien als ZnSe sind dem Fachmann bekannt. Zum Beispiel umfassen geeignete Substrate für Transmissionsoptiken im Infrarot bei 10,6 Mikrometer CdTe, Diamant, GaAs, Ge, KCl, NaCl und ZnS. Si ist ein geeignetes Substrat für totale Reflektoren bei 10,6 Mikrometern, und es ist auch geeignet für Transmissionsanwendungen bei Infrarot-Wellenlängen tiefer als 10,6 Mikrometer (z.B. 2,94 Mikrometer). Im Allgemeinen hat ein geeignetes Substratmaterial für eine Transmissionsoptik eine hohe Transmission bei der gewünschten Wellenlänge. Für eine teilweise transparente Optik muss ein geeignetes Substrat mindestens teilweise transparent sein. Für eine reflektierende Optik weist ein geeignetes Substrat typischerweise ein festes Stück aus Metall oder vorzugsweise eine Metallschicht, wie z.B.

   Cu, Ag, Au, AI, Mo oder eine andere geeignete Metallschicht auf, die auf irgendeinem geeigneten Substrat abgelagert ist, wie z.B. Silizium. 



   Vorzugsweise weist die innere Schicht mit tiefem Brechungsindex ein fluorid-basiertes Material auf, wie z.B. BaF 2 , das einen Brechungsindex von etwa 1,42 bei 10,6 Mikrometer hat, aber, abhängig vom Beschichtungsverfahren und von der Wellenlänge zwischen 1,2 und 1,5 variieren kann. Beispiele von anderen Fluorid-basierten Materialien umfassen CaF 2 , CeF 3 , ErF 3 , EuF 3 , GdF 3 , GaF 3 , HfF 4 , HoF 3 , InF 3 , IRXO (erhältlich von Cerac, Inc.), KF, LiF, LuF 3 , MgF 2 , MnF 2 , NaF, PbF 2 , PrF 3 , SmF 3 , SrF 2 , TbF 3 , ThF 4 , TmF3, YF 3 , YbF 3 , ZnF 2  und ZrF 4  und Kombinationen daraus. Solche Fluoride haben typischerweise einen Brechungsindex zwischen 1,2 und 1,8.

   Beispielsweise könnte die Technik der Ablagerung einer Abwesentheitsschicht auf    einer Viertelwellen-Schicht aus PbF 2  eine schwach absorbierende, schwach reflektierende AR-Beschichtungs-Alternative für eine ThF 4 -basierte AR-Beschichtung bieten. Alternative innere Schichten ohne Fluorid können KBr, KCl, NaCl oder Y 2 O 3 umfassen. 



   In alternativen Ausführungen enthält die äussere Schicht 130 ein Material mit hohem Index (d.h. höher als die darunterliegende Schicht), aber nicht ZnSe, geeignet für ein Ablagerungsverfahren, wie z.B. AS 2 S 3 , As 2 Se 3 , CdS, CdSe, CdTe, DLC ("Diamond Like Carbon"), Ge, PbTe, ZnS und Kombinationen davon. Beispiel für eine beschichtete Linse 



   Bezug wird nun genommen auf Fig. 4, die eine Schnittansicht von einem Beispiel eines optischen Elements 400 ist, auf dem schwach absorbierende AR-Beschichtungen ausgeformt sind. Das optische Element 400 umfasst ein Substrat 402, ist so ausgestaltet, dass es zwei polierte, sich gegenüberliegende Oberflächen besitzt, umfassend eine obere Oberfläche 410 und eine untere Oberfläche 412. Die obere und untere Oberfläche sind mit einer vorbestimmten Oberflächenausgestaltung ausgeformt, um die gewünschten Strahlfokussierungs-Eigenschaften zu erzeugen.

   Im Beispiel von Fig. 4 ist die obere Oberfläche konvex und die untere Oberfläche ist konkav, um eine Standard-Fokussierlinse bereitzustellen, aber es sollte klar sein, dass eine grosse Vielfalt von Oberflächenkonfigurationen verwendet werden kann: zum Beispiel können in anderen Ausführungen (nicht gezeigt) eine oder beide Oberflächenkonfigurationen konvex, konkav oder flach sein, oder sie können eine Facettenoberfläche besitzen (d.h. eine Vielzahl von flachen oder gebogenen Oberflächen), um ein gleichmässiges Quadrat oder Rechteck und nicht einen Punkt zu fokussieren. Eine erste schwach absorbierende AR-Beschichtung 420 wird auf der oberen Oberfläche 410 ausgebildet und eine zweite schwach absorbierende AR-Beschichtung der unteren Oberfläche 412 ausgebildet.

   Eine oder beide der Beschichtungen 420 und    422 werden als erfindungsgemässe schwach absorbierende Beschichtungen ausgestaltet, wie hier beschrieben. Zum Beispiel kann in einer Ausführung sowohl die erste als auch die zweite AR-Beschichtung eine zweischichtige Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe aufweisen, und in einer anderen Ausführung weist nur die erste AR-Beschichtung eine Beschichtung aus BaF 2 /ZnSe auf, während die andere Beschichtung eine unterschiedliche Beschichtung aufweist. Lasersystem 



   Nun wird Bezug genommen auf Fig. 5, die ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Lasersystems zeigt, mit Optiken, die mit der hier beschriebenen, schwach absorbierenden Beschichtung beschichtet sind. Eine geeignete Infrarot-Laserquelle 500, wie z.B. ein konventioneller CO 2 -Laser, liefert einen Laserstrahl 510 hoher Leistung. Der Laserstrahl 510 hoher Leistung, mit einer Leistung von z.B. mehreren Kilowatt, verläuft vom Laser 500 zu einem Ablenkspiegel 520, welcher den Strahl gegen einen Phasenverschiebungs-Spiegel 530 reflektiert. Der Phasenverschiebungs-Spiegel verschiebt die Polarisation des Laserstrahls, um einen zirkulär polarisierten Strahl zu erzeugen, der dann von einer Fokussierlinse 540 auf ein Werkstück 550 fokussiert wird, welches irgendein geeignetes Material aufweisen kann, wie z.B. Metall oder Plastik.

   Jede der Optiken, inklusive des Ablenkspiegels 520, des Phasenverschiebungs-Spiegels 530 und der Fokussierlinse 540, kann mit der schwach absorbierenden Beschichtung beschichtet sein, wie sie hier beschrieben wird. Ausserdem kann, obwohl im Beispiel von Fig. 5 das Strahlerzeugungssystem den Ablenkspiegel 520, den Phasenverschiebungs-Spiegel 530 und die Fokussierlinse 540 aufweist, das Strahlerzeugungssystem in anderen Ausführungen jede Kombination von optischen Elementen aufweisen, die geeignet ist, den Strahl vom Laser 500 zum Werkstück 550 zu bringen, wo immer sie angeordnet sein mögen. 



   Der Fachmann wird im Hinblick auf all diese Lehren verstehen, dass andere Ausführungen implementiert werden können, ohne vom Geist oder Bereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann in anderen Ausführungen die Dicke der schwach absorbierenden Schicht geändert werden, um eine schwach absorbierende Beschichtung für eine andere Wellenlänge bereitzustellen, obwohl das hier beschriebene Beschichtungsverfahren im Hinblick auf eine schwach absorbierende Beschichtung für eine optische Strahlung bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometer beschrieben worden ist. Zusätzliche (eine oder mehrere) Abwesenheitsbeschichtungen können auf jeder Beschichtung ausgebildet werden. Ausserdem sollte es klar sein, dass diese schwach absorbierende Beschichtung auf eine grosse Vielfalt von optischen Elementen aufgebracht werden kann, zusätzlich zu Transmissions- und Reflektionsoptiken.

   Teilreflektoren, dichroitische Strahlteiler und Phasenverschieber sind andere Beispiele von Optiken, welche die schwach absorbierende optische Beschichtung gemäss der Erfindung benutzen könnten. Diese Erfindung soll nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt werden, welche alle die Ausführungen und änderungen umfassen, wenn sie zusammen mit der obigen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden.

Claims (29)

1. Eine Beschichtung für optische Elemente für Strahlung bei einer vorgegebenen Wellenlänge X, wobei die Beschichtung auf einem Substrat abgelagert ist, umfassend: eine innere Schicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist; und eine äussere Schicht, die über der mindestens einen inneren Schicht ausgebildet ist.

2. Die Beschichtung von Anspruch 1, wobei die innere Schicht BaF 2 aufweist.

3. Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äussere Schicht über der inneren Schicht ausgebildet ist, bis zu einer vorgegebenen Dicke, die ausreicht, um eine Absorption durch die innere Schicht zu verhindern.

4. Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äussere Schicht im Wesentlichen aus ZnSe und/oder BaF 2 besteht.

5.

Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äussere Schicht eine physische Dicke grösser als etwa 1100,0 nm hat.

6. Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine antireflektierende Schicht ist.

7. Die Beschichtung von einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtung eine teilweise reflektierende Beschichtung oder einen totalen Reflektor bildet.

8.

Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die äussere Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend As 2 S 3 , As 2 Se 3 , CdS, CdSe, CdTe, DLC, d.h. "Diamond Like Carbon", Ge, PbTe, ZnS und ZnSe und/oder - die äussere Schicht eine Deckschicht und eine Abwesenheitsschicht aufweist, wobei die Abwesen heitsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend AS2S3, AS2Se3, CdS, CdSe, CdTe, DLC, d.h. "Diamond Like Carbon", Ge, PbTe, ZnS und ZnSe.

9. Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äussere Schicht eine Deckschicht und eine Abwesenheitsschicht aufweist.

10. Die Beschichtung von Anspruch 9, wobei die Deckschicht und/oder die Abwesenheitsschicht ein Beschichtungsmaterial mit einem Brechungsindex grösser als 2,0 aufweist.

11.

Die Beschichtung von einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Abwesenheitsschicht über der Deckschicht ausgebildet ist und die Deckschicht eine Dicke hat, die kleiner als die innere Schicht ist.

12. Die Beschichtung von einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Deckschicht und die Abwesenheitsschicht identische Materialien aufweisen, sodass sie zusammen eine äussere Schicht aus kontinuierlichem Material bilden.

13. Die Beschichtung von einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Abwesenheitsschicht eine Dicke von etwa lambda /2 hat.

14. Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äussere Schicht eine physische Dicke im Bereich zwischen 2500,0 nm und 2200,0 nm hat.

15. Die Beschichtung von einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äussere Schicht eine physische Dicke von etwa 2400,0 nm hat.

16.

Die Beschichtung von einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die innere Schicht eine physische Dicke zwischen 900,0 nm und 1570,0 nm hat, und die äussere Schicht eine physische Dicke zwischen 2460,0 nm und 2285,0 nm hat.

17. Die Beschichtung von einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die innere Schicht eine physische Dicke zwischen 2170,0 nm und 2840,0 nm hat, und die äussere Schicht eine physische Dicke zwischen 2110,0 nm und 1935,0 nm hat.

18. Die Beschichtung von einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die äussere Schicht eine Dicke von etwa 1600,0 nm hat.

19.

Die Beschichtung von einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die innere Schicht umfasst: eine erste innere Schicht, die BaF 2 aufweist und die auf dem Substrat ausgebildet ist; eine zweite innere Schicht, die ein Beschichtungsmaterial mit einem Brechungsindex grösser als 2,0 aufweist und die über der ersten inneren Schicht ausgebildet ist; und eine dritte innere Schicht, die BaF 2 aufweist und über der zweiten inneren Schicht ausgebildet ist.

20. Die Beschichtung von Anspruch 19, wobei die erste innere Schicht eine Dicke von etwa 800,0 nm hat, die zweite innere Schicht eine Dicke von etwa 1600,0 nm hat, die dritte innere Schicht eine Dicke von etwa 800,0 nm hat, und die äussere Schicht eine Dicke von etwa 1600,0 nm hat.

21. Optisches Element mit einer Beschichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 20.

22.

Optisches Element gemäss Anspruch 21, welches eine Absorption von weniger als 0,17% und insbesondere weniger als 0,12% hat.

23. Optisches Element von einem der Ansprüche 21 oder 22, welches ein optisches Substrat aufweist.

24. Optisches Element von Anspruch 23, wobei das optische Substrat ZnSe aufweist.

25. Optisches Element von einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die äussere Schicht und das optische Substrat im Wesentlichen identische Materialien aufweisen.

26. Optisches Element von einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das optische Substrat ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe aus Cu, Ag, Au, Al und Mo, aufweist.

27. Infrarot-Lasersystem aufweisend mindestens ein optisches Element gemäss einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei das Infrarot-Lasersystem einen Infrarot-Laserstrahl erzeugt und abgibt und das Infrarot-Lasersystem eine Vielzahl optischer Elemente umfasst.

28.

Verwendung der Beschichtung von einem der Ansprüche 1 bis 20 als reflektierende, teilreflektierende oder antireflektierende Schicht für Strahlung einer Wellenlänge lambda in einem Bereich von 9,2 bis 11,2 Mikrometer, insbesondere in einem optischen Element von einem der Ansprüche 21 bis 26.

29. Verwendung von Anspruch 28, wobei die Wellenlänge lambda ungefähr 10,6 Mikrometer ist.