HANDOUT Vorlesung: Glasanwendungen Optische Eigenschaften

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
an der Universität des Saarlandes
HANDOUT
Vorlesung:
Glasanwendungen
Optische Eigenschaften
dünner Glasschichten
09.06.2016, 16.06.2016 und 23.06.2016
Leitsatz:
“Reflection is a commonplace phenomenon and the appearance of
a solid is often dominated by reflection. As well as modifying the
perceived colour of a body in terms of surface gloss, reflection as
such can give rise to a surprising range of colours. The most vivid
of these are associated with the presence of reflection by thin
transparent films."
Quelle:
GlAn-1, S. 91
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
„Glasanwendungen“
„Optische Eigenschaften dünner Glasschichten“
Ziele
Optische Eigenschaften dünner Glasschichten physikalisch
begründen und anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele
mechanistisch herleiten können.
ð Reflexions-Brechungsgesetz herleiten können
ð Farbe und Reflexion dünner Glasschichten begründen können
ð Wirkungsweise von Antireflexschichten erklären können
ð Anwendungsbeispiele dünner Glas-Mehrschichtsysteme mechanistisch ableiten können
Inhalte
Wechselwirkungen an Grenzflächen von Gläsern
Reflexions-Brechungsgesetz
Farbe und Reflexion dünner Glasschichten
Interferenzfarben
Antireflexschichten
λ/4-Schichten, Mehrfachreflexionen, gradierte AR-Schichten, ARGRIN-Oberflächen
Dünne Mehrschichtsysteme aus Glas
Dielektrische Spiegel Interferenz-Filter, Bragg-Reflektoren, FaserBragg-Gitter, Wärmeschutzverglasung
Lerntfafel 1
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Wechselwirkungen an Grenzflächen von Gläsern
(Wiederholung)
Durchgang von Licht Durch eine ebene Grenzfläche, die zwei Medien mit Brechungsindex n e und n t trennt. Das Licht soll aus dem Medium mit Brechungsindex ne einfallen. u n ist der Einheitsvektor senkrecht auf der Grenzfläche.
Die Winkel θ i sind die Winkel zwischen den Wellenvektoren k i und dem Normalenvektor. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN 978-3-486-71294-0)
Änderung der Lichtausbreitung durch
Brechung: (a) Einfall vom optisch
dünneren herm Brechung zum Lot,
(b) Einfall vom optisch dichteren Medium her, Brechung zum Lot. (Quelle:
R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik,
Oldenburg
Wissenschaftsverlag
GmbH, 2012, ISBN 978-3-486-712940)
Zur Herleitung der Fresnel´schen Gleichungen. Gezeigt ist der Fall der (transversal
elektrischen)TEPolarisation (a), d.h. das
elektrische Feld steht senkrecht auf der Streuebene, und
der Fall der (transversal magnetischen)-TM-Polarisation
(b), d.h. das magnetische
Feld steht senkrecht auf der
Streuebene (Quelle: R. Gross,
A. Marx, Festkörperphysik,
Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN 978-3486-71294-0)
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Amplitudenreflexionskoeffizient für eine Luft/Glas-Grenzfläche (n Glas = 1,5) als
Funktion des Einfallwinkels bei Einfall vom (a) optisch dünneren Medium (äußere Reflexion) und (b) optisch dichteren Medium (innere Reflexion) (Quelle:
R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH,
2012, ISBN 978-3-486-71294-0)
Reflexionsgrad für eine Luft/Glas-Grenzfläche (n Glas = 1,5) als Funktion des
Einfallwinkels bei Einfall vom (a) optisch dünneren Medium (äußere Reflexion) und (b) optisch dichteren Medium (innere Reflexion) (Quelle: R. Gross, A.
Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN
978-3-486-71294-0)
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Lichteinfall auf eine Grenzfläche
unter dem Brewster-Winkel: (a)
Transmittierter und reflektierter
Strahl stehen senkrecht aufeinander. (b) Nimmt man an, dass der
reflektierte Strahl durch oszillierende Dipole der Grenzschicht erzeugt wird, so erfolgt in Richtung
k r (Schwingungsrichtung des Dipols) keine Emission, da die Abstrahlung eines Dipols eine cos 2 θGesetz folgt. (Quelle: R. Gross, A.
Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH,
2012, ISBN 978-3-486-71294-0)
Fortpflanzungsvektoren bei der
inneren Reflexion. (Quelle: R.
Gross, A. Marx, Festkörperphysik,
Oldenburg
Wissenschaftsverlag
GmbH, 2012, ISBN 978-3-48671294-0)
Zur Veranschaulichung evaneszenter Wellen: Fällt aus einem optisch dichteren Medium Licht auf die Grenzfläche, so bildet sich für θ e >θ T im Bereich der
Grenzschicht eine Oberflächenwelle aus. Nähert man ein zweites dichtes Medium dieser Grenzfläche (gestrichelter Bildteil), so kann dadurch ein Teil des
Lichts den verbotenen Bereich des optisch dünneren Mediums durchtunneln
und sich im zweiten Medium weiter ausbreiten . (Quelle: R. Gross, A. Marx,
Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN 978-3486-71294-0)
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Typisches Beispiel für einen Strahlteiler auf der Basis des optischen Tunnelns. Ein solcher Strahlteiler wird zum Beispiel dazu verwendet, um durch
ein Mikroskop hindurch zu fotografieren. (Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN 978-3-48671294-0)
Phasenverschiebung bei Totalreflexion. Die Rechnung wurde für eine
Glas/Luft-Grenzfläche (n e =1,5 und
n t =1) durchgeführt. (Quelle: R. Gross,
A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg
Wissenschaftsverlag GmbH, 2012,
ISBN 978-3-486-71294-0)
Reflektivität verschiedener Metallschichten als Funktion der Wellenlänge. (Quelle: R. Gross, A. Marx,
Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, 2012, ISBN
978-3-486-71294-0)
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Reflexionsgrad
einer
absorbierenden
Schicht bei Einfall aus der Luft (ne=1). Für
einen festen Realteil n R =1,5 des Brechungsindex wurde der Imaginärteil γ von γ =0 bis γ
=4 variiert. (γ entspricht der Dämpfung)
(Quelle: R. Gross, A. Marx, Festkörperphysik, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH,
2012, ISBN 978-3-486-71294-0)
Lerntfafel 2
Farbe und Reflexion dünner Glasschichten
Interferenzfarben dünner Schichten: Seifenblasen (links), MoO 3 -Schichten
(Mitte). Beide Schichten werden in reflektiertem weißem Licht betrachtet. Die
aus einer dünnen Schicht in Luft reflektierte Lichtintensität bei verschiedenen
Wellenlängen als Funktion der optischen Wegdifferenz zwischen den beiden
interferierenden Strahlen. [GlAn-1, S. 101]
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Lerntfafel 3
Antireflexschichten
Reflektivität einer λ/4 -Schicht aus
MagnesiumdifluoridAntireflexbeschichtung aus einer
Glasoberfläche mit einem Brechungsindex von 1,52. Die Einsatzwellenlänge für diese Schicht
liegt bei 550 nm bei senkrechter
Inzidenz. [GlAn-1, S. 106]
(a) Mehrfachreflexionen in einer Fotoresistschicht auf einem Siliciumsubstrat
(a) und Antireflexbeschichtung zwischen Fotoresist und Silicium: Auslöschung
der reflektierten Anteile durch (destruktive) Interferenz zur Steigerung des
Wirkungsgrades. [GlAn-1, S. 107]
Optische Eigenschaften von Si-O-N-Schichten bei λ=248 nm als Funktion der
Zusammensetzung [GlAn-1, S. 107]
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Ein schaumartig aufgebauter Oberflächenfilm kann als Antireflexbeschichtung
wirken. Die Reflektivität der Schicht wird bestimmt, indem die Oberfläche in
eine große Anzahl paralleler Schichten aufgeteilt wird und für jede Schicht
der Brechungsindex bestimmt wird. Der mittlere Brechungsindex der muss der
Wurzel des Brechungsindex des Substrates entsprechen, um ein ideales Antireflexverhalten zu erzielen. [GlAn-1, S. 108]
Antireflektive GRIN Struktur an der Oberfläche des Auges eines MorphoFalters (links). Die Oberfläche eines Mottenauges kann als Antifeflexschicht
wirken (rechts). [GlAn-1, S. 109]
Funktionsprinzip eines interferenzmodulierten Displays (IMOD): (a) Reflexion
des Lichts mit zwei parallelen Spiegeln (a Fabry–Perot Interferometer); (b)
Veränderung des Abstandes der Spiegel bewirkt unterschiedlicher Pixelfarbe.
[GlAn-1, S. 111]
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Lerntfafel 4
Dünne Mehrschichtsysteme aus Glas
Stapel einzelner dünner Schichten
mit der Dicke λ /4 („quarter-wave
stack“) als effizienter dielektrischer
Spiegel. Die Reflektivität nimmt mit
zunehmender Anzahl der Schichtpaare zu und nähert sich schnell
dem Wert 1,0 (n H : hoher Brechungsindex, n L : niedriger Brechungsindex).[GlAn-1, S. 112]
Verlauf des Reflexionsgrades
eines λ/4 -Mehrlagenstacks als
Funktion der Wellenlänge bei
senkrechter Inzidenz. [GlAn-1, S.
113]
Reflektivität eines Stapels von4
λ/4-Dünnschichten auf einem
Glassubstrat an gegenüber
Luft. Die Dicke der einzelnen
Schichten ist konstant mit Ausnahme der Schicht, die der
Glasseite gegenüber liegt mit
Werten von (a) 30 nm, (b) 24
nm, (c) 18 nm, (d) 12 nm. Der
Stapel (d) zeigt nahezu ideales
Antireflexionsverhalten. [GlAn1, S. 114]
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Silberfarbener Fritillary Schmetterling
(Argynnis paphia). Die silberne Farbgebung der Flügel resultiert aus einer
Reflexion eines ungeordneten Dünnschicht-Mehrlagen-Staples (verteilte
Bragg-Reflektoren). [GlAn-1, S. 115]
Transmissionsverläufe von dielektrischen Multilagenfilter: (a) Kurzpassfilter;
(b) Langpassfilter; (c) Bandpassfilter. [GlAn-1, S. 116]
FBGs. (a) Periodische Modulation des Brechungsindex im Kern einer optischen Faser. (b) Die einfachste Stufenmodulation
des Brechungsindex. Dabei sind die Brechungsindizes des Mantels, des
Kerns und der modifizierten Kern mit n 1 , n 2 und n 3
bezeichnet. [GlAn-1, S.
117]
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Herstellung von FBGs: (a) Interferenz
zweier UV-Lichtstrahlen; (b) Beugungsmuster mit Hilfe einer Maske.
[GlAn-1, S. 118]
Schematische Darstellung des Hinzufügens und des Auslöschens eines optischen Signals aus einer Faser mit Hilfe eines FBG. [GlAn-1, S. 119]
Beschichtungen für eine Wärmeschutzverglasung: (a) Die Beschichtung wird
an der Innenseite einer Doppelverglasung angebracht (möglichst nahe zur
Raumseite); (b) eine weiter Dünnschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex wird häufig zur Reduktion von Reflexionen erzeugt. Zusätzlich fungiert die
Schicht als Farbunterdrückungsschicht. [GlAn-1, S. 120]
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Blaue Farbe der Flügel des Schmetterlings P. icarus. Lediglich einige reflektierende Strukturen erzeugen eine blaue Farbe. Die blaue Färbung resultiert
aus der Reflektivität als Folge des multiplen Aufbaus innerer poröser Schichten. Die gelb-braunen Strukturen tragen Melanin Pigmente. [GlAn-1, S.
123/124]
Vorlesung Glasanwendungen, SS 2016, PD Dr.-Ing. Guido Falk