Borosilicatglas von Schott Optische Weichen trennen Wärme von Licht

Durch funktionale Beschichtungen auf einem Substrat wie Borosilicatglas lässt sich Licht kundenspezifisch managen. Beispiele sind dichromatische Filter oder Warmlicht- und Kaltlichtspiegel, denn diese müssen thermisch sehr beständig sein und auch hochenergetische Strahlung verkraften.

Dichromatische Filter, auch Interferenzfilter genannt, reflektieren oder absorbieren nur bestimmte Wellenlängenbereiche und eignen sich daher für Lichtquellen hoher Intensität oder für »Light Engines«. Sie finden sich in Beleuchtungslösungen für Gebäude und die Unterhaltungsindustrie, in optischen Farbrädern, elektronischen Bauteilen sowie Anwendungen für die Wärme- und UV-Kontrolle. Auch bei der Korrektur der Lichtleistung, in der Unterwasserbeleuchtung, in Bauteilen der medizinischen Photonik und in vielen anderen optischen Anwendungen sind derartige Filter zu finden. Dichromatische Filter wurden in den 1950er Jahren entwickelt: Die NASA wollte damit empfindliche Geräte in Raumfahrzeugen vor schädigender kosmischer Strahlung schützen.

Die Leistungsfähigkeit eines Interferenzfilterns resultiert nicht allein aus der Qualität seiner Beschichtung, auch das Substratmaterial selbst ist von Bedeutung. Sowohl die optischen Eigenschaften als auch die Temperaturbeständigkeit des Substrats bestimmen die Effizienz und die maximale Arbeitstemperatur des Filters. Borosilikatglas wie Borofloat von Schott weist in einem beschichteten dichromatischen Filter eine hohe thermische Beständigkeit auf und ist in typischen Anwendungen bis +287 °C verwendbar. Das Glas zeigt bei UV-Bestrahlung recht geringe Transmissionsverluste, was es unempfindlich gegen Solarisation macht. Daneben hält es auch thermische Gradienten aus und verbindet eine hohe optische Klarheit mit einer spiegelglatten Oberfläche.

Aufgrund seiner Glas-Mikrostruktur mit einem relativ geringen Anteil an nicht brückenbildendem Sauerstoff zeigt Borofloat selbst bei hochintensiver Strahlung nur geringe Neigung zur Degradation. Folglich weisen Interferenzfilter im Vergleich zu anderen Filtern häufig bessere Farbfiltereigenschaften auf (etwa steilen UV-Kantenverlauf bei hoher Transparenz im sichtbaren Bereich). Darüber hinaus tragen die höhere Schwelle, ab der es Beschädigungen durch Laser- und Röntgenstrahlen gibt, zu einer längeren Lebensdauer und einer besseren Gesamtleistung in Vergleich zu anderen Flachglassubstraten unter derartigen Bedingungen bei. Viele konventionelle Glasmaterialien, die als Filtersubstrate verwendet werden, zeigen eine geringere Leistungsfähigkeit. Dies macht sie für dichromatische Filter weniger geeignet. Zum Beispiel weisen eingefärbte Kunststoffe oder kommerzielle Glassorten eine nur eingeschränkte thermische Beständigkeit auf. Gefärbte Kunststoffe altern im Allgemeinen schnell (sie werden gelb) und versagen sogar, wenn sie mit hochenergetischem Licht bestrahlt werden.

Warmlicht- und Kaltlichtspiegel

Warmlicht- und Kaltlichtspiegel haben die faszinierende Eigenschaft, entweder infrarotes Licht (Wärme) zu reflektieren, sichtbares aber durchzulassen (Warmlichtspiegel) oder – andersherum – infrarotes Licht durchzulassen und sichtbares zu reflektieren (Kaltlichtspiegel). Beide Spiegeltypen erfordern Substrate mit hoher Lichtdurchlässigkeit und müssen hohe Temperaturen aushalten, die Arbeitstemperaturen können leicht über +300 °C liegen. Borosilikatglas erfüllt diese Anforderung und ist deshalb in vielen Anwendungen als Substratmaterial gebräuchlich.

Ähnlich wie bei dichromatischen Filtern werden mit Vakuumabscheidung oder mit Sputtering viellagige Schichten auf das Substrat aufgetragen, um Warmlichtspiegel zu erzeugen, welche die reflektierten Wellenlängen entweder nutzen oder sie von einer Anwendung fern halten. Dies ist besonders in optischen Systemen wichtig, in denen überschüssige Wärme Komponenten zerstören oder die Eigenschaften einer Lichtquelle negativ beeinflussen kann. Warmlichtspiegel werden z. B. in Halogen-/HID-Lampen verwendet, um die Filament-Temperaturen zu erhöhen, was zu geringerer Energieaufnahme, höherer Effizienz, längerer Lebensdauer und geringeren Kosten führt.

Typische Warmlichtspiegel können mehr als 90 % der IR-Wellenlängen (750 nm bis 1250 nm) reflektieren, während sie zugleich mehr als 90 % des sichtbaren Lichts (typischerweise 425 nm bis 675 nm Wellenlänge) durchlassen. Sie eignen sich somit für Spiegel in LCDs, für faseroptische Beleuchtung, medizinische und zahnmedizinische Beleuchtung, für die Wärme-Licht-Anpassung, für Instrumente in der Luftfahrt, als Infrarotfilter in CCD-Kameras und in Light Engines für Kinos sowie um Systemschäden in Desktop-Projektoren zu verhindern.

Ein Kaltlichtspiegel ist ein optisches Managementwerkzeug, um Wärmestrahlung aus einer Lichtquelle für die Beleuchtung zu entfernen. Er lässt infrarotes Licht durch, spiegelt aber Wellenlängen im nicht-infraroten Spektrum, sodass Wärmeeinflüsse, welche die Ausrüstung beschädigen könnten, ausgeschaltet werden. Kaltlichtspiegel werden als Lichtquellen in der Medizinbeleuchtung (für Operations- und Zahnbehandlungsleuchten), als dielektrische Spiegel in der Sensortechnik, für Laserdioden, Scanner und Barcode-Lesegeräte, Projektoren und Fotokopierer verwendet.