Technische Optik in der Praxis

5.5 Transparenzbereiche
5.5.1 Transmissionvermögen von Gläsern,
Kristallen und Kunststoffen
5.5 Transparenzbereiche 153
Die Verwendung optischer Materialien für unterschiedliche spektrale Bereiche
ist durch das Transmissionsvermögen oder den Transmissionsgrad für die
elektromagnetische Strahlung begrenzt. Unter Transmissionsvermögen versteht
man das Verhältnis von durchgelassenem (oder übertragenem) zu einfallendem
Energiestrom. Beim Durchgang elektromagnetischer Strahlung durch
optische Materialien sind vorwiegend drei Verlustmechanismen zu berücksichtigen:
Reflexion an den Grenzflächen, Absorption und Streuung (nichtlineare
Verlustmechanismen sind nur bei sehr hohen Energiestromdichten wirksam,
so daß sie hier nicht berücksichtigt werden sollen). Absorptions- und Streuverluste
werden gemeinsam als Extinktionsverluste bezeichnet. Alle diese Größen
hängen von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ab. Es ist
daher erforderlich, jeweils die spektralen Größen (d. h. für jeweils ein kleines
Wellenlängenintervall, über das die betreffende Größe konstant ist) zu betrachten.
Im folgenden sind daher mit den Bezeichnungen Transmissions-,
Absorptions-, Streu- und Extinktionsvermögen jeweils die spektralen Größen
gemeint.
Trifft eine elektromagnetische Welle senkrecht auf eine ebene Grenzfläche
zwischen zwei transparenten Medien ,,1“ und ,,2“, so wird der Bruchteil
R = (nrel − 1) 2
(nrel +1) 2
(5.21)
des einfallenden Energiestroms reflektiert [20,21]. Dabei ist unter nrel =
n2/n1 das Verhältnis der Brechzahlen beider Medien zu verstehen. Bei schiefem
Auftreffen hängen die Reflexionsverluste vom Einfallswinkel und von der
Polarisationsrichtung ab. Sie können mit Hilfe der Fresnel-Formeln berechnet
werden (siehe z. B. [19–21]; auf eine Diskussion sei hier verzichtet). Für
nrel =1, 5 ergeben sich bei senkrechtem Einfall Reflexionsverluste von 4% pro
Grenzfläche. Grundsätzlich lassen sich diese Reflexionsverluste durch entspiegelnde
Interferenzschichten vermeiden [19]. Da diese Verluste mit zunehmender
Brechzahl ansteigen, sind Entspiegelungsschichten insbesondere für Materialien
mit großen Brechzahlen erforderlich. Ebenso sind solche Schichten
für Linsensysteme mit vielen Linsen (z. B. Zoom-Linsen) notwendig, damit
hinreichende Energieströme noch durchgehen.
Da somit die Reflexionsverluste nicht charakteristisch für ein Material
sind, werden sie bei den Transmissionsverlusten herausgerechnet. Bei Berücksichtigung
der Mehrfachreflexionen an planparallelen Platten ohne Extinktionsverluste
ergibt sich ein Schwächungsfaktor aufgrund der Reflexionsverluste
von
P =
(1 − R)2 2nrel
=
1 − R2 n2 rel +1.
(5.22)