DE970607C - Mechanisch und chemisch widerstandsfaehige, harte, praktisch absorptionsfreie und hochbrechende, duenne Schicht fuer optische Zwecke - Google Patents

Description

• Mechanisch und chemisch widerstandsfähige, harte, praktisch absorptionsfreie und hochbrechende, dünne Schicht für optische Zwecke Es ist bekannt, zur Herstellung von Oberflächenschichten, wie sie etwa für teildurchlässige, absorptionsarme Spiegel, ferner als Aufbauelement für Mehrfachschichten zur Erzeugung von Reflexions-#,erminderungen, Reflexionserhöhungen und von absorptionsarmen Interferenzfiltern mit einer Dicke in der Größenordnung einer Lichtwellenlänge benötigt werden, chemische Verbindungen mit hoher optischer Brechzahl zu verwenden. Zur Erzeugung dieser Schichten mittels Aufdampfen im Hochvakuum wird vorzugsweise Zinksulfid benutzt, das eine Brechzahl von 2,4. besitzt. Zinksulfid hat jedoch den Nachteil, daß es sehr leicht in schwachen Säuren löslich ist, so daß es den Beanspruchungen der Atmosphäre auf die Dauer nicht standhält. Auch die mechanische Widerstandsfähigkeit aus Zinksulfid bestehender Oberflächenschichten ist gering und im allgemeinen nicht ausreichend.
• Weiter ist ein Verfahren zur Herstellung absorptionsfreier und gleichzeitig harter sowie chemisch widerstandsfähiger Schichten mit hoher Brechzahl bekannt, bei dem metallisches Titan im Hochvakuum auf die zu belegende Unterlage aufgedampft und der so hergestellte Titanspiegel einer nachträglichen Temperung an Luft unterzogen wird. Durch die Temperung bildet sich absorptionsfreies Ti 0z, dessen Brechzahl 2,6 beträgt. Obwohl die so gewonnenen Oberflächenschichten in optischer, mechanischer und chemischer Hinsicht den auftretenden Erfordernissen genügen, weist das Verfahren wesentliche Nachteile auf. Einer dieser Nachteile besteht darin, daß die Überwachung der gewünschten Schichtdicke beispielsweise mit Hilfe der Absorptions- oder Reflexionsmessung während des Aufdampfens dadurch erschwert ist, daß die im Vakuumraum vorhandenen Restgase sich mit dem noch dampfförmigen oder bereits kondensierten Titan verbinden; es tritt daher keine eindeutige Beziehung zwischen den Meßergebnissen und der tatsächlich aufgebrachten. Stoffmenge auf. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens entsteht infolge der während der nachträglichen Temperung erforderlichen, relativ hohen Temperaturen von mindestens 37o° C, die für hochwertige optische Gläser nicht mehr zulässig sind.
• Es ist schließlich bekanntgeworden, zur Vergütung optischer Gegenstände auf Oberflächen dieser dünne Schichten aus wasserarmen, gelartigen Oxydhydraten oder aus Mischungen derselben chemisch niederzuschlagen und gleichzeitig oder anschließend auf unterhalb der Erweichungstemperatur des jeweils verwandten Glases liegende Temperaturen zu erhitzen. Zur Erzielung widerstandsfähiger Schichten soll hierbei von Oxydhydraten aus Wolfram, Molybdän, Elementen der III., IV. (außer Kohlenstoff) und der V. Gruppe des Periodischen Systems (außer Stickstoff) ausgegangen und dafür gesorgt werden, daß jede Schicht mindestens der Hälfte nach aus einem Oxydhydrat eines dieser Elemente oder einer Mischung solcher besteht. Eine Vorzugsstellung einzelner Elemente vor anderen unter den so gegebenen zahlreichen Möglichkeiten ist nicht erkennbar, abgesehen davon, daß zu der Frage der Absorptionseigenschaften der Hydrate keine Stellung genommen wird. Auch läßt der Hinweis auf das Vorliegen wasserfreier Oxydhydrate nach der Erhitzung keinen Rückschluß auf die Eigenschaften ausgesprochener Oxydschichten zu. Weiter führen die benutzten chemischen Aufbringungsverfahren häufig nicht zu der notwendigen Eindeutigkeit der Schichtdicken und zu der gewünschten Klarheit des Lichtdurchlasses, so daß angesichts des ausdrücklichen Hinweises auf die zuletzt genannte Erscheinung von einer Absorptionsfreiheit der bekannten Schichten nicht ausgegangen werden kann.
• Demgegenüber kennzeichnen sich mechanisch und chemisch widerstandsfähige, harte, praktisch absorptionsfreie und hochbrechende dünne Schichten für optische Zwecke erfindungsgemäß dadurch, daß eine Schicht aus einer reinen, absorptionsfreien Verbindung des Elementes Niobium mit Sauerstoff besteht.
• Verfahren zur Herstellung der Schichten gemäß vorliegender Erfindung kennzeichnen sich dadurch, daß eine reine Verbindung des Elementes Niob mit Sauerstoff mit einem bis auf Null zu bemessenden Sauerstoffgehalt durch Verdampfen im Hochvakuum auf dem zu belegenden Gegenstand kondensiert und die entstandene Schicht bei Temperaturen von mindestens 16o° C an Luft bis zur Absorptionsfreiheit getempert wird. Während nach dem zuletzt erwähnten, früheren Vorschlag Temperatur , erhöhungen bis auf mindestens 25o° C erforderlich wurden, kann also die Temperung bei wesentlich gesenkter Temperatur erfolgen. Selbst wenn Oxydhydrate und Oxyde des Niobium in dünner Schicht gleichwertig wären, was deshalb nicht der Fall ist, weil, abgesehen von der Absorptionsfreiheit, beispielsweise eine dünne Schicht aus Nb205 härter ist und einen höheren Brechungsindex besitzt, so würde ein weiterer Fortschritt dadurch auftreten, daß eine wesentlich genauere Herstellung der Schichten durchführbar wird und es nicht mehr erforderlich ist, durch Vorversuche die Einwirkungsdauer und die geeignete Konzentration der reagierenden Stoffe bei der chemischen Herstellung zu bestimmen.
• Die bereits erwähnte Sauerstoffverbindung Nb205 des Niobium ist zur Herstellung in dünner Schicht durch Aufdampfen im Hochvakuum besonders geeignet. Die Sauerstoffverbindung besitzt nahezu die Brechzahl von Zinksulfid und zeichnet sich außerdem durch eine besonders hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Einwirkungen sowie durch große mechanische Härte aus. Ihre Durchlässigkeit für ultraviolette Strahlen ist zudem wesentlich höher als diejenige des Zinksulfids.
• Die Herstellung einer aus Nb2 05 bestehenden, optisch wirksamen Schicht in der Dicke der Größenordnung einer Lichtwellenlänge kann wie folgt geschehen: Von einer Trägerunterlage aus beispielsweise Z@Tolframblech wird Nb2 05 im Hochvakuum verdampft. Auf dem zu belegenden, ebenfalls im Hochvakuum befindlichen Gegenstand kondensiert dann ein schwach absorbierender Belag, der vermutlich aus dem niederen Nb O besteht, auch wenn Nb2 05 zur Verdampfung gelangt, da sich dieses bei hohen Verdampfungstemperaturen im Hochvakuum disproportioniert. Man kann daher auch unmittelbar von der Verdampfung des Nb O ausgehen. Die erhaltene Oxydschicht wird nachher in (las absorptionsfreie Nb205 übergeführt, indem man sie einer Temperatur von mindestens 16o° C aussetzt und in Anwesenheit von Luft oder Sauerstoff tempert. Als sehr günstig hat sich die Tempei ung bei einer Temperatur von z8o° C erwiesen; derartige Temperaturen werden auch von hochwertigen optischen Gläsern. ohne jegliche Schädigung noch ertragen. Beträgt die Dicke der Schicht z. B. z5oo AE, so wird die völlige Absorptionsfreiheit derselben nach etwa einer Stunde Temperung erreicht.
• Der Sauerstoffgehalt der zur Verdampfung gelangenden Niobsauerstoffverbindung kann beliebig sein; er kann auch Null sein, so daß in diesem Falle reines Nb verdampft wird.
• Die Dicke der entstehenden Schicht kann während der Aufdampfung ohne Schwierigkeiten mittels Messens des durch Interferenz erzielten Reflexionsvermögens der Schicht überwacht und eingestellt werden. Es hat sich vor allein gezeigt, daß das bei der Zunahme der Schichtstärke periodisch wiederkehrende Maximum der Reflexion jeweils bei Schichtdicken auftritt, die auch nach der Temperung ein Maximum der Reflexion zeigen, so daß die Reflexionsmessung ein zuverlässiges Hilfsmittel für die Bestimmung der Schichtstärke während des Aufdampfens ist.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Mechanisch und chemisch widerstandsfähige, harte, praktisch absorptionsfreie und hochbrechende, dünne Schicht für optische Zwecke, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht aus einer reinen, absorptionsfreien Verbindung des Elementes Niobium mit Sauerstoff besteht.
2. 2. Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine reine Verbindung des Elementes Niobium mit Sauerstoff mit einem bis auf praktisch Null zu bemessenden Sauerstoffgehalt durch Verdampfen im Hochvakuum auf dem zu belegenden Gegenstand kondensiert und die entstandene Schicht bei Temperaturen von mindestens 16o° C bis zur Absorptionsfreiheit getempert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß NbO verdampft wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Nb205 verdampft wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 736411; USA.-Patentschriften Nr. 2 207 656, 2 366 687; Zeitschrift »Optik«, Bd. 3 (i948), S. 495 bis 498; Fiat Final Report Nr. 1044 vom 3i..3. 1947, herausgegeben vom Office of Military Government for Germany.