Entwicklung eines Ionenstrahlzerstäubungsprozesses für 2 Meter Optiken in der Astronomie - IBS2000

• Antragsteller: Professor Dr. Detlev Ristau, bis 5/2024; Dr. Andreas Wienke, seit 6/2024
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452244676

Auflösung und Reichweite der Teleskope in der astronomischen Forschung hängen direkt vom optischen Design und speziell von der Größe der Optik ab. Alle derzeit geplanten und im Bau befindlichen Teleskope verwenden den Ansatz sehr großer Primärspiegel, um zum Teil mehr als eine Größenordnung mehr Licht zu sammeln und so eine höhere Auflösung zu liefern. Zu diesen zählen das European Extrem Large Telescope, das Thirty Meter Telescope oder das Giant Magellan Telescope, um nur einige zu nennen. Bei einer großen Primäroptik müssen natürlich auch die Instrumenten- und Detektoroptiken einer gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten optischen Apertur verfügen. Anders als die metallischen breitbandig reflektierenden Spiegel der Primäroptik benötigen diese Instrumente Filterbeschichtungen, die nur mit dielektrischen Mehrschichtbeschichtungen realisiert werden können. Für diese Komponenten sind die Auswahl eines bestimmten Spektralbereichs oder die Kombination bzw. Trennung des Guidestar-Laserstrahls notwendige Eigenschaften, die komplexe dielektrische Spiegel erfordern. Beispielsweise benötigt das MAORI-Instrument des E-ELT eine dichroitische Optik und eine Filteroptik im Bereich zwischen 1m und 2m Durchmesser. Diese herausfordernden optischen Merkmale und die Anforderungen an die Umgebungsstabilität erfordern einen Filter, der durch eine präzise Sputtertechnik hergestellt wird. Andere Verfahren bieten keine ausreichend dichte Schichten und auch keine genügend stabilen Produktionsprozess, um die Spektralanforderungen zu erfüllen. Namentlich ist das Ionenstrahlsputtern (IBS) das Verfahren der Wahl für diese Art von Beschichtungen. Auf dem kommerziellen Markt erhältliche Beschichtungsverfahren können jedoch nur optische Aperturen mit einem Durchmesser von 500mm bis 600mm beschichten, einige haben auf Messen 1m gezeigt, bieten diese Beschichtungen jedoch nicht mehr an. Gegenwärtig ist demnach kein Beschichtungsverfahren verfügbar, um die Filterbeschichtungen für die astronomischen Instrumente zu liefern. Ein Grund dafür ist, dass die Prozessskalierung zu größeren Beschichtungsflächen nicht ohne theoretische Überlegungen im Prozessdesign möglich ist. Diese Arbeit erfordert ein Simulationswerkzeug, das die Synthese eines dielektrischen Films im Vakuum aus einer Vakuum-Sputter-Umgebung ableiten kann. Außerdem muss die Ionenquelle so ausgelegt sein, dass eine Bewegung innerhalb der Vakuumkammer möglich ist. In den letzten Jahren wurde dieses Know-how am Laser Zentrum Hannover aufgebaut. In Kombination von detaillierten Erfahrungen mit Gitterionenquellen und dem Design von Vakuummaschinen ist es möglich, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem dielektrische Mehrschichtbeschichtungen auf bis zu 2m freien Öffnungen abgeschieden werden können. Mit Hilfe dieses IBS-Beschichtungssystems für große Aperturen werden die Filteroptiken der Instrumente nun ermöglicht werden und somit das volle Potenzial dieser kommenden Teleskopsysteme erschlossen.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Großgeräte: In-vacuo Hf power supply ; Vacuum system with coating utilities
• Gerätegruppe: 8330 Vakuumbedampfungsanlagen und -präparieranlagen für Elektronenmikroskopie
• Mitverantwortliche: Dr. Lars Jensen; Dr. Marco Jupé