Einsatz von Polymeren in optischen Anwendungen

Polymere gehören zu den weltweit meistverwendeten Materialen. Von ihnen gibt es zahlreiche unterschiedliche Arten mit eigenen speziellen Eigenschaften und Anwendungen. Eine eher wenig beachtete Klasse sind optische Polymermaterialien, die in vielen Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen im breiten Einsatz sind. Der Beitrag zeigt auf, was optische Polymermaterialien sind, was sie leisten und wo sie typischerweise verwendet werden.

Verwendete Materialien in der Polymeroptik

Zahlreiche hochtransparente organische Polymermaterialien können als optische Kunststoffe eingesetzt werden. Aufgrund ihrer amorphen Struktur werden diese Polymere auch als „organische Gläser“ bezeichnet. Herkömmliche optische Gläser bestehen hingegen aus anorganischen Glasmaterialien.

Gegenüber Kunstoffen für andere Anwendungen müssen optische Kunststoffe – ausgehend von hochwertigen, reinen Materialien – mittels optimierter Prozesse hergestellt werden, um ausreichend gute optische Eigenschaften zu erzielen.

Optische Kunststoffe bestehen für gewöhnlich aus organischen Materialien, wobei die Hauptbestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind. Ein oder mehrere geeignete Monomere werden dann zu Polymermaterialien umgesetzt bzw. polymerisiert.

Dies wird durch typische Polymerisationsverfahren wie etwa Radikalkettenpolymerisation oder Polykondensation erreicht. Die so gebildeten Polymermaterialien haben üblicherweise die Form von langen, nebeneinander liegenden Ketten, die zusätzlich auch untereinander vernetzt sein können.

Die in der Optik verwendeten Polymere sind einerseits typische Polymermaterialien wie Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polystyrol (PS), andererseits speziellere Materialien wie Flüssigsilikon in Form flexibler Harze. Da der Werkstoff PMMA, besser bekannt als Acryl- oder Plexiglas®, sehr gute optische Eigenschaften besitzt und zudem UV-beständig, hart und hoch kratzfest ist, wird er im Bereich des Laborbedarfs unter anderem für Reagenzglasgestelle, Platten, Küvetten und Befestigungselemente wie etwa Distanzhülsen eingesetzt.

Reagenzglas-Gestell aus PMMA - für Reagenzgläser Ø 18 mm Distanzhülse aus PMMA

Für gewisse Anwendungen kommen auch diverse Spezialpolymere zum Einsatz, die außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel dafür sind Monomere, die zu einem optischen Kunststoff mit sehr hohem Brechungsindex führen, wie er unter anderem in optischen Linsen für Kameralinsen benötigt wird.

Typische Eigenschaften optischer Polymermaterialien

Alle Polymere der Klasse optischer Polymermaterialien weisen Eigenschaften auf, die jener von Glas gleichen.

Gegenüber Glas sind polymeroptische Materialien schlagunempfindlicher und leichter. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Formbarkeit von Polymeren gegenüber Gläsern. Damit lassen sich Formen und Größen erreichen, die mit Glas nur schwierig oder gar nicht möglich sind.

Nicht zuletzt sind für gewöhnlich auch aufgrund der einfacheren Herstellungsprozesse die Kosten für polymeroptische Komponenten geringer.

Ein Nachteil dieser Polymermaterialien ist deren höhere Defektrate im Vergleich zu Glas. Deshalb sind Kunststoffe in der Polymeroptik oft beschichtet, um eine hohe optische Leistung zu gewährleisten. Diese Beschichtungen unterscheiden sich in ihrer Art und Funktion, darunter fallen unter anderem Antireflexbeschichtungen, abriebfeste Beschichtungen und antistatische Beschichtungen. Dennoch ist die optische Qualität von Gläsern oft überlegen, weshalb für hochwertige optische Elemente häufig Glas verwendet wird.

Polymere haben üblicherweise eine recht geringe Wärmeleitfähigkeit und weisen eine Restabsorption von Licht auf, weshalb sie sich schlecht für Anwendungen mit hohen optischen Leistungen und Intensitäten eignen. In der Laseroptik sind daher Polymeroptiken nicht üblich.

Platte aus PMMA Makro-Küvette aus PS - glasklar

Überdies sind Polymere für gewöhnlich relativ weich im Vergleich zu Glas und sind deshalb leichter verformbar und zerkratzbar. Dafür brechen sie nicht so leicht wie Glasmaterialien.

Auch sind die meisten Polymere chemisch weniger beständig als Gläser, dies betrifft zum Beispiel die Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln, Säuren und Laugen. Zudem kann die Wasserabsorption von Kunststoffen problematisch sein, da sich die Eigenschaften der Polymere dadurch ändern können.

In der Polymeroptik kann man zwischen zwei unterschiedliche Klassen von Polymeren unterscheiden: duroplastische und thermoplastische Harze. Für ihre jeweilige Anwendung lassen sich die spezifischen Eigenschaften eines Polymers variieren. Dies betrifft zum Beispiel Dichte, Härte, Beständigkeit gegenüber Wasser, Leitfähigkeit, Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit und Einsatztemperatur sowie UV-Resistenz.

Der Brechungsindex optischer Kunststoffe liegt typischerweise zwischen 1,4 und 1,7 und ähnelt damit denen typischer optischer Gläser. Die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl bei Polymeren ist jedoch meistens deutlich ausgeprägter als bei Gläsern, was im Wesentlichen auf deren starke thermische Ausdehnung im Vergleich zu Glas zurückzuführen ist. Daher sind Polymeroptiken oft deutlich temperaturempfindlicher als Glasoptiken. Oft sind die Betriebstemperaturen dadurch auf circa +60 °C begrenzt, wobei Polycarbonat-Materialien auch bis +130 °C eingesetzt werden können.

Ein Polymer weist oft eine starke chromatische Dispersion auf, das heißt der Brechungsindex ist stark von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Das Maß der Dispersion wird angegeben als Abbe-Zahl, benannt nach dem deutschen Physiker Ernst Karl Abbe (1840 – 1905).

Der deutsche Physiker und Optiker Ernst Abbe begründete mit Carl Zeiß und Otto Schott die Grundlagen der modernen Optik
Der deutsche Physiker und Optiker Ernst Abbe begründete mit Carl Zeiß und Otto Schott die Grundlagen der modernen Optik

Eine niedrige Abbe-Zahl steht für eine hohe chromatische Dispersion und umgekehrt. Die hohe chromatische Dispersion von Polymermaterialien kann problematisch sein. Dennoch kann in einigen Fällen die Kombination aus hoher chromatischer Dispersion und niedriger Brechzahl auch erwünscht sein, da dies bei anorganischen Gläsern eine ungewöhnliche Kombination ist.

Für gewöhnlich erreichen optische Polymermaterialien eine hohe Lichtdurchlässigkeit im gesamten sichtbaren Spektralbereich und im begrenzten Umfang im nahen Infrarot. Bei circa 1,7 µm gibt es häufig Absorptionen durch Obertöne der C-H-Bindungsschwingungen. Die Absorptionsverluste dieser Polymere innerhalb der Telekommunikationsfenster bei 850, 1310 und 1550 nm können jedoch gering sein, wodurch solche Kunststoffe sich für derartige Anwendungen eignen können.

Verschiedene polymeroptische Komponenten und deren Eigenschaften

Polymeroptische Komponenten werden für gewöhnlich als optische Massenkomponenten wie Linsen, optische Fenster oder Prismen verwendet. Ein großer Vorteil einer optischen Kunststofflinse gegenüber einer Linse aus Glas ist, dass diese leicht asphärisch hergestellt werden kann. Das heißt, dass über Form- und Prägeverfahren für Kunststoffe sich problemlos komplexere Linsenformen herstellen lassen als klassische konkave/konvexe sphärische Linsen, wie dies bei den meisten anorganischen Gläsern der Fall ist.

Solche asphärischen optischen Linsen ermöglichen unter anderem eine hohe numerische Apertur, also eine hohe Lichtaufnahme, was direkt die erzielbare Auflösung beeinflusst. Auch Freiformoptiken lassen sich so relativ einfach herstellen. Weiter vorteilhaft ist, dass polymeroptische Komponenten direkt zusammen mit ihren Halterungen gefertigt werden können.

Über Verbundlinsen, die sich aus mehreren hintereinander angeordneten Linsen zusammensetzen, können achromatische Linsen (zwei Farben haben denselben Fokuspunkt), einschließlich Apochromaten (drei Farben haben denselben Fokuspunkt), hergestellt werden. Dies verhindert Farbabweichungen und Farbsäume im Bild durch abweichende Lichtbrechung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen, wodurch sich der Fokuspunkt verschiebt. Verhindern lässt sich dies durch Kombination mehrerer Linsen, welche die unterschiedliche Lichtbrechung ausgleichen.

 Rundstab aus PC Sechskantmutter (DIN 934) aus PC

Für einige Anwendungen werden die besonderen Eigenschaften von Polymeren genutzt. So kann etwa eine beachtliche optische Doppelbrechung einfach durch Strecken eines Polymermaterials wie Polystyrol erreicht werden. Thermooptische Geräte wiederum machen sich die hohen thermooptischen Koeffizienten von Polymeren zunutze. Auch Polarisatoren aus Kunststoff lassen sich relativ einfach herstellen.

Mikrooptiken nutzen ebenfalls häufig optische Kunststoffe. Dabei eignen sich diese Polymermaterialien besonders für die Herstellungstechniken von Mikrooptikgeräten.

Polymeroptiken werden oft mit Beschichtungen versehen, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Dies erfolgt zum Beispiel mit modifizierten organischen Siliziumdioxidschichten. So können auch Antireflex-Eigenschaften erzielt werden mittels mehrerer Schichten etwa aus Siliciumdioxid und Tantal-Pentoxid oder Titandioxid. Erreichen lassen sich solche dielektrische Beschichtungen auch, indem ein dünner Polymerfilm aufgetragen wird, zum Beispiel aus amorphem Fluoropolymer.

Typische Anwendungen optischer Kunststoffe

Für Brillen sind Kunststofflinsen heute der Standard, sie finden sich deutlich häufiger als Brillen mit Glaslinsen. Der Vorteil: Sie sind kostengünstiger, leichter und weniger zerbrechlich. Allerdings ist Kunststoff gegenüber Glas anfälliger für Kratzer. Deshalb sind Polymerlinsen für Brillen zusätzlich beschichtet, was ihre Eigenschaften verbessert.

Laserschutzbrillen bestehen häufig aus Polymermaterialien mit zugesetzten Farbstoffen, um das Filtern bestimmter Wellenlängen zu ermögliche.

Intraokularlinsen, also ins Auge implantierte Linsen, und Kontaktlinsen bestehen grundsätzlich immer aus einem Polymer. Wurden früher zunächst PMMA-Kontaktlinsen eingesetzt, werden diese aufgrund der Sauerstoffundurchlässigkeit inzwischen nicht mehr verwendet. Sogenannte „harte“ (formstabile) Kontaktlinsen bestehen heute aus Silikon, Silikonacrylaten, Fluorcarbonen oder Celluloseacetatbutyrat (CAB), weiche Kontaktlinsen hingegen aus Hydrogelen oder Silikonhydrogelen. Dies sind Polymere, wie etwa 2‑Hydroxyethylmethacrylat (HEMA), mit einem hohen Wasseranteil.

Formstabile Kunststoff-Kontaktlinse
Formstabile Kunststoff-Kontaktlinse

Für Anwendungen, bei denen sehr kleine Fotokameras benötigt werden, wie beispielsweise bei mobilen Geräten wie Smartphones oder Drohnen, kommen grundsätzlich Polymeroptiken zum Einsatz. Hierbei werden vor allem kleine, asphärische Linsen eingesetzt. Für Objektive mit mehreren sphärischen Linsen, wie sie für gewöhnlich bei großen Fotokameras verwendet werden, wäre kein Platz vorhanden. Selbst extrem kompakte, kostengünstige und leichte Kameralinsen aus Polymermaterialien punkten heute mit sehr guten Bildqualitäten.

Lichtwellenleiter (LWL) aus Kunststoff werden vor allem für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über kurze Distanzen eingesetzt. Sie bestehen häufig aus einem PMMA-Kern und einer Ummantelung aus Silikonharz. Gegenüber dem Glasfaser-LWL ist die Polymervariante robuster beim Biegen und auch kostengünstiger.

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich optischer Polymermaterialien ist die Verwendung in optischen Datenspeichern wie beispielsweise CDs und DVDs. Optische Polymermaterialien werden häufig auch in der Sensortechnik eingesetzt. Sie kommen zum Beispiel als APS (aktive Pixelsensor) in Digitalkameras zum Zuge, da sie billiger, flexibler und einfacher herzustellen sind als entsprechende Glasmaterialien.

 Polymere optische Fasern (POF) sind Lichtwellenleiter aus Kunststoff, die primär für die Datenübertragung eingesetzt werden
Polymere optische Fasern (POF) sind Lichtwellenleiter aus Kunststoff, die primär für die Datenübertragung eingesetzt werden

Überdies kann ein Polymer relativ leicht mit Farbstoffen versetzt werden. So ist es möglich, beispielsweise optische Filter auf Basis wellenlängenabhängiger Absorption mithilfe gefärbter optischer Kunststoffe herzustellen. Diese Filter werden etwa in der Lasertechnik und in analytischen Instrumenten eingesetzt.

Eine weitere Verwendung von optischen Polymermaterialien ist die Anwendung in Leuchtdioden (LEDs) – sowohl als organische Verkapselung als auch als Reflektoren, um das emittierte Licht in eine bestimmte Richtung zu lenken. Einige optische Kunststoffe finden auch Anwendung als lichtbeständiges Material in der Fotolithografie.

Bild-Quellen:
Beitragsbild | © Kicking Studio – stock.adobe.com
Fotografie des Physikers und Optikers Ernst Abbe  | © Emil Tesch (1860-1931), deutscher FotografHeliogravure: Georg Büxenstein & Co., Public domain, via Wikimedia Commons 
Formstabile Kunststoff-Kontaktlinse | © Galillea, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons
Polymere optische Fasern (POF) | © HarzOptics GmbH, CC BY-SA 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0>, via Wikimedia Commons