Reflexionsverluste verringern den Lichtdurchsatz strahlführender Faseroptiken und wirken sich negativ auf die Leistung von Medizinlasern aus. Verbessert wird die Fasertransmission durch AR-Beschichtungen, die sich bisher jedoch nicht flächendeckend durchsetzen konnten. Die Entwicklung standardisierter Verfahren senkt nun Kosten und Lieferzeiten und macht erstmals einen weitreichenden Einsatz des Beschichtungskonzeptes möglich.
Laser erobern in der Medizin nach und nach immer weitere Anwendungsgebiete. Abhängig von Behandlungsform und Zielgewebe kommen dabei jedoch sehr unterschiedliche Wellenlängen und Leistungsintensitäten zum Einsatz. Diese zunehmende Differenzierung lässt die Anforderungen an die Transmission der strahlführenden Faseroptiken steigen: Sie müssen heute eine Vielzahl von Wellenlängen- und Leistungsspektren so verlustfrei wie möglich übertragen, um bei jeder einzelnen Anwendung eine optimale Funktionalität sicherzustellen. Wird das eingekoppelte Licht nur diskontinuierlich oder mit merklichen Einschränkungen übertragen, leiden Effizienz und Effektivität der Applikation. Für einen uneingeschränkten Behandlungserfolg ist die Qualität der Transmission deshalb letztlich von entscheidender Bedeutung. Folgerichtig wächst die Nachfrage nach Faseroptiken mit optimiertem Lichtdurchsatz.
Verringerte Reflexionsverluste durch AR-Beschichtungen
Die führenden Faseroptik-Spezialisten haben auf diese steigenden Anforderungen reagiert und richten ihre Entwicklungsarbeit schon seit Jahren verstärkt auch auf die Verbesserung der Fasertransmission. Eine der größten technischen Herausforderungen stellt dabei die Verringerung der sogenannten Reflexionsverluste dar. Diese entstehen, wenn an den Faserstirnflächen ein Teil des Lichts zurückgeworfen wird und somit gar nicht bis zur Fokusebene vordringen kann. Ein pauschaler Wert kann für die Verluste nicht festgelegt werden, da sie abhängig vom Brechungsindex des Quarzglases und der konkreten Anwendung sind. Im Durchschnitt liegen sie jedoch bei sieben bis acht Prozent.
Damit geht ein erheblicher Teil der Leistung während der Übertragung verloren, was in medizinischen Anwendungszusammenhängen vor allem dann kritisch werden kann, wenn das Gewebe mit besonders gleichmäßiger Leistungsintensität bestrahlt werden muss. Ein weiteres Problem kann sich zudem aus der verstärkten Reflexion bestimmter Wellenlängen ergeben. Sie wird vor allem Therapieanwendungen, die ein ausgewähltes Wellenlängenspektrum nutzen, zum Verhängnis. Nicht zuletzt erhöhen Leistungsverluste die Energiekosten und wirken sich damit auch negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Laseranwendung aus.
Quelle: CeramOptec GmbH
In optischen Komponenten wie Kameralinsen und Brillengläsern hat sich zur Verringerung der Reflexion das Aufbringen von Antireflexionsbeschichtungen bewährt. Diese effektive Maßnahme – auch als Vergütung oder Entspiegelung bezeichnet – lässt sich ebenso erfolgreich für Quarzglasfasern anwenden und bewirkt eine sogenannte destruktive Interferenz: Die Beschichtung verschiebt die Wellen der reflektierten Strahlung um eine halbe Phase, was die Reflexionswirkung nahezu vollständig aufhebt. Damit verringern sich die Verluste bei der Übertragung auf unter 0,1 Prozent des eingekoppelten Lichts – ein dramatisch verbesserter Wert im Vergleich zu ursprünglich sieben bis acht Prozent Reflexionsverlust. In der Faseroptik werden für die Beschichtungen meist Oxidverbindungen wie Siliziumoxid, Aluminium(III)-oxid (Al2O3) oder Hafniumdioxid (HfO2) verwendet, die im Anschluss an die Konfektionierung auf die polierten Stirnflächen der Fasern aufgetragen werden. Abhängig vom Brechungsindex des Quarzglases kommen dabei häufig sehr unterschiedliche Schichtdicken und Beschichtungsmaterialien zum Einsatz.
Um besonders zerstörungsresistente Beschichtungen zu realisieren, wird als Verfahren meist auf die Physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition/PVD) zurückgegriffen. Diese vakuumbasierte Beschichtungsmethode ermöglicht die Herstellung besonders widerstandsfähiger Beschichtungen, die auch der intensiven Strahlung von Hochleistungslasern standhalten und Verschleißprozessen langfristig entgegenwirken.
Standardisierung senkt Kosten und erhöht Verfügbarkeit
Trotz des enorm verbesserten Lichtdurchsatzes haben sich AR-Beschichtungen bislang nicht auf breiter Ebene durchgesetzt. Grund dafür waren vor allem Verfügbarkeitsdefizite. Die wenigsten Faseroptik-Hersteller konnten AR-Beschichtungen im eigenen Haus umsetzen und mussten das Verfahren somit an Spezialanbieter auslagern, was für Preisaufschläge und verlängerte Lieferzeiten sorgte. Zudem konnten die Spezialanbieter angesichts häufig wechselnder Auftragslagen kaum standardisierte PVD-Verfahren anbieten, da diese Verfahren für jede einzelne Wellenlänge neu angepasst werden müssen. Diese fehlende Standardisierung verteuerte die Beschichtungen noch einmal zusätzlich.
Da AR-Beschichtungen jedoch den effektivsten Ansatz zur Verbesserung des Lichtdurchsatzes darstellen, suchen Faseroptik-Hersteller mittlerweile vermehrt nach Möglichkeiten, die Kosten und Lieferzeiten des PVD-Verfahrens zu senken, um so die beschichteten Fasern zu besseren Konditionen anbieten zu können. Eine Möglichkeit hierbei ist es, die Beschichtung im eigenen Haus zu realisieren und die wellenlängenspezifischen PVD-Verfahren konsequent zu standardisieren.
Diesen Weg geht CeramOptec: Am Produktionsstandort in Livani/ Lettland hat der Faseroptik-Spezialist eine hochmoderne Vakuumbeschichtungsanlage errichtet, welche die Umsetzung aller klassischen AR-Beschichtungen ermöglicht. Single AR-Coatings für nur eine Wellenlänge können hier ebenso realisiert werden wie Broadband Coatings für ganze Wellenlängenbereiche. Die Größe der Vakuumkammer bietet zudem auch für die Herstellung von Spezialanfertigungen genügend Platz. Mit über einem Kubikmeter Nutzraum und einem Innenkammer-Durchmesser von 1100 mm weist sie weit überdurchschnittliche Maße auf und ermöglicht dadurch auch die Beschichtung sehr langer Fasern. Auch die wellenlängenspezifischen Standardisierungen des PVD-Verfahrens, welche die Kosten der Beschichtungen deutlich senken, sind auf einem guten Weg. Aktuell bietet das Unternehmen bereits standardisierte Beschichtungen für die UV-B-Wellenlänge von 266 nm sowie Wellenlängen von 980 und 1550 nm an, weitere Standardisierungen sollen in Kürze folgen.
Fazit
AR-Beschichtungen sind eine wirkungsvolle Maßnahme, um den Lichtdurchsatz von Quarzglasfasern zu erhöhen – durch Standardisierungen sind die Beschichtungen nun deutlich schneller verfügbar und mit geringeren Fertigungskosten verbunden. Damit wird erstmals ein breitgefächerter Einsatz solcher Beschichtungen möglich. In den kommenden Jahren dürfte die Bedeutung dieses Lösungsansatzes sogar noch weiter zunehmen, da Laser im medizinischen Umfeld neue Applikationsbereiche erobern und die Anforderungen an die Fasertransmission weiter steigen werden.
CeramOptec hat sich dementsprechend auf eine wachsende Nachfrage eingestellt und wird kontinuierlich an der Verbesserung der Beschichtungskonzepte und der standardisierten Verfahren arbeiten.
Der Autor:
Holger Bäuerle, Vice managing Director bei CeramOptec GmbH
Das Unternehmen:
CeramOptec GmbH
Siemensstr. 44
D-53121 Bonn, Tel. +49 228-97 96 70
www.ceramoptec.com
