Oberflächennahe Schädigung von Calciumfluorid beim Einsatz in optischen Komponenten

Calciumfluorid (CaF2 ) spielt in der optischen Industrie aufgrund seiner hohen Transparenz im ultravioletten Spektralbereich eine bedeutende Rolle. Es muss für den Einsatz in optischen Komponenten jedoch in eine spezielle Form gebracht werden, wozu sowohl mechanische Verfahren als auch die Politurfehlerkorrektur mit Ionenstrahlen eingesetzt werden. Bei beiden Bearbeitungsverfahren können oberflächennahe Schädigungen beziehungsweise chemische Verunreinigungen eingetragen werden. Es ist möglich, dass eine CaF2 -Oberfläche perfekt der gewünschten geometrischen Form entspricht und hervorragende Rauheitswerte aufweist, aber dennoch optisch absorbierende Defekte verursacht durch oberflächennahe Schädigungsbereiche, die das Einsatzverhalten beeinträchtigen. 

Zur Vermeidung derartiger Defekte ist eine analytische Bewertung der Schädigung erforderlich. Dazu wurde, aufbauend auf vorangegangenen Untersuchungen von Optokeramiken (Spinell, Zirconiumdioxid und Aluminiumoxid) im Rahmen eines Fraunhofer-internen Projektes eine detaillierte Untersuchung vorgenommen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IPT und mehreren Industriepartnern wurde gespiegelt an der analytisch bestimmten Defektstruktur (strukturelle, oberflächennahe Schädigung und chemische Reinheit) der Einfluss von Bearbeitungsparametern untersucht. Dazu war es erforderlich, angepasste Präparationsverfahren für das sprödbrüchige und bezüglich hoher Temperaturgradienten anfällige Calciumfluorid zu entwickeln. An derartig vorbereiteten Präparaten wurden mittels hochaufgelöster Querschnittsabbildung im Transmissionselektronenmikroskop Schädigungen der Kristallstruktur sichtbar gemacht. Parallel dazu konnte mittels Tiefenprofilierung auf Basis der Flugzeit-Massenspektrometrie das Ausmaß chemischer Verunreinigungen in Abhängigkeit vom Abstand zur Oberfläche charakterisiert werden. Dabei zeigte sich, dass bei geeigneter Parameterwahl eine sehr hohe Oberflächengüte erreicht werden kann. Analytisch konnte das bekannte Phänomen der oberflächennahen Flour-Abreicherung nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde untersucht, ob mit der Nanoindentation eine schnelle, inlinefähige Bewertung des subsurface damage erfolgen kann. Auf der Basis des analytischen Werkzeugkastens kann die weitere Optimierung der Bearbeitungsprozesse für zukünftig steigende Anforderungen an Material-Integrität und höchste Transmission weiter verfolgt werden.