IR-Transmission von Saphir – R-/S-Proben & HEM im Vergleich
In einem gemeinsamen Projekt zwischen KYBURZ SAPPHIRE und SAPPHCOM | SAPPHIRE COMPETENCE wurden neue IR-Transmissionsmessungen an R- und S-Proben durchgeführt und mit HEM-Saphir verglichen. Alle Messungen beziehen sich auf hochpolierte Proben. Die Diskussion zu Oberflächeneffekten in diesem Artikel basiert auf theoretischen Überlegungen und Literatur – eine systematische experimentelle Untersuchung folgt in Teil 3 der Serie.
Ausgangslage
Saphir bietet exzellente Transmission vom UV bis in den mittleren IR-Bereich. Während im UV vor allem Materialqualität und Zuchtführung über die optische Performance entscheiden, setzt im IR ab etwa 5,3–5,5 µm die Multiphonon-Absorption des Al2O3-Gitters eine harte Grenze. Ziel war die präzise Vermessung von R- und S-Proben in 1–5 µm, der Vergleich zu HEM (2,5–25 µm) und die saubere Einordnung von Oberflächen- und Dicken-Einflüssen.
Versuchsaufbau & Proben
Zylindrisches Ausgangsmaterial wurde durch SAPPHCOM selektiert und von KYBURZ SAPPHIRE auf definierte Dicken geschliffen, geläppt und hochpräzise poliert, um Oberflächeneinflüsse zu minimieren. Vermessen wurden R- und S-Proben in mehreren Dickenstufen (2–24 mm).
Ergebnisse R- vs. S-Proben (1–5 µm)
- 1–2 µm: Beide Typen mit sehr hoher Transmission (>85 %), praktisch deckungsgleich.
- 2,5–3,5 µm: schwache OH-Banden; der S-Typ liegt minimal vorn (≈ +0,1 %-Punkte).
- 4–5 µm: erwarteter Abfall; S bleibt systematisch etwas höher (≈ +0,15 %-Punkte).
Einfluss der Dicke
Die Transmission folgt dem Beer–Lambert-Gesetz:
T = (1 − R)2 · e−α·d
(mit Transmission T, Fresnel-Reflexion R, Absorptionskoeffizient α, Dicke d).
- d≤ 5 mm: sehr hohe Transmission; feine Unterschiede zwischen R und S werden messbar.
- d≈ 9–14 mm: spürbarer Rückgang; Materialunterschiede treten deutlicher hervor.
- d≈ 19–24 mm: deutliche Reduktion, d dominiert den Effekt stärker als der Typunterschied.
Mechanischer Vorteil von Saphir: Gegenüber vergleichbaren IR-Werkstoffen (z. B. Quarz, ZnS, Ge) erlaubt Saphir aufgrund hoher Härte, Biegefestigkeit und Zähigkeit eine signifikant dünnere Auslegung bei gleicher Belastbarkeit. Dünnere Bauteile bedeuten unmittelbar mehr Transmission (Beer–Lambert) – oft ist daher ein 2 mm Saphirfenster mechanisch robuster und optisch transparenter als ein deutlich dickeres Quarzfenster im selben Spektralbereich.
Interpretation HEM-Vergleich (2,5–25 µm)
Die 5-mm-HEM-Probe zeigt bei 5 µm noch ~50 % Transmission und fällt bis knapp über 6 µm auf <1 % ab. Dieses Verhalten ist materialimmanent (Gitterschwingungen) – unabhängig von Wachstumsverfahren und Orientierung. R-/S-Proben folgen derselben Kante.
Praxis: Für Optiken >5,5 µm ist 5 mm Saphir faktisch intransparent.
Optionen: (i) deutlich dünnere Bauteile, (ii) alternative LWIR-Materialien (z. B. ZnS, ZnSe, Ge).
Oberflächenqualität & Rauigkeit
Neben dem Volumenmaterial bestimmt die Oberfläche die reale Transmission. Optisch polierte Flächen (Ra < 2 nm) minimieren Streu- und Fresnelverluste. Liegt die Rauigkeit im Bereich der Wellenlänge (Ra ≈ λ/10…λ), treten Interferenz- und Streueffekte auf; lokale Überkritikalitäten fördern interne Reflexionen – die effektive Transmission sinkt messbar.
Hinweis: Die hier beschriebenen Oberflächeneffekte beruhen auf theoretischen Überlegungen und Literaturangaben.
In den durchgeführten Messungen wurden ausschließlich hochpolierte Proben untersucht.
Eine systematische experimentelle Analyse zum Einfluss der Rauigkeit auf die Transmission
wird im nächsten Blogbeitrag (Teil 3) präsentiert.
Metasurfaces: funktionale Oberflächen ohne klassische Beschichtung
Laserinduzierte Mikro-/Nanostrukturen (z. B. LIPSS) können wie intrinsische AR-Schichten wirken und Transmission in ausgesuchten IR-Fenstern erhöhen – eine Option, wenn klassische Schichten nicht infrage kommen.
Anwendungen
- Optische Fenster, Linsen und Domes für 1–5 µm (Sensorik, Verteidigung, Prozessüberwachung)
- IR-Analysezellen und Probenfenster in Chemie/Prozess
- Hochdruck-/Hochtemperatur-IR-Fenster
- Schutzfenster für IR-Laser
Zusammenfassung
Die Kombination aus selektiertem Rohmaterial (SAPPHCOM) und präziser Bearbeitung (KYBURZ SAPPHIRE) führt zu optimaler IR-Transparenz – bis an die physikalische Grenze bei ~5,3–5,5 µm. R- und S-Proben zeigen sehr hohe Transmission bis 5 µm, mit kleinen, aber konsistenten Vorteilen für S. Dicke und Oberfläche sind die zentralen Stellhebel; dank seiner Mechanik kann Saphir dünner ausgelegt werden – das bringt zusätzliche Transmissionsvorteile.
SAPPHCOM Praxis-Support: Materialauswahl, Orientierung, Dickenauslegung und Oberflächenfinish –
wir stimmen alles mit europäischen Kristallzüchtern und Präzisionsbearbeitern ab.
Zusatzschritte (z. B. Annealing, funktionale Strukturierung) auf Wunsch.
Sprechen wir über Ihre Ziel-Wellenlängen, Toleranzen und Budgets.
Literatur & Hinweise
- Dobrovinskaya, Lytvynov, Pishchik: Properties of Sapphire, Springer (Grundlagen zu n(λ), Absorption, Transparenzbereich).
- Lye, Wang, Lam: Ultraschnell-Laserprozessieren von Saphir, Applied Surface Science (Einfluss rauer Exit-Flächen, TIR & Streuung).
- Wen et al.: Goldfilm-unterstützte Strukturierung, Optics & Lasers in Engineering (Nanostrukturen/Metasurfaces für Absorption/Transmission).
- Born & Wolf: Principles of Optics (Streuung/Interferenz an rauen Grenzflächen).
- Beckmann & Spizzichino: Scattering from Rough Surfaces (klassische Theorie für Ra ~ λ).
