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Josephin Bischoff

• In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach optischen Werkstoffen mit herausragenden mechanischen Eigenschaften für Anwendungen unter Extrembedingungen, wie beispielsweise in der Raumfahrt, stark angestiegen. Transparente polykristalline Keramiken sind demnach aufgrund ihrer im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen wie Gläsern, Polymeren und Alkalihydriden besseren mechanischen Eigenschaften wie Langzeitzuverlässigkeit, höhere Schlagfestigkeit und gute Beständigkeit gegenüber extremen Umweltbedingungen (z.B. hohe Temperaturen) von großem Interesse. Zudem können sie meist ökonomischer und kosteneffizienter als einkristalline Werkstoffe hergestellt werden und bieten potenziell Vorteile in Bezug auf Dotierung und Formbarkeit während des Herstellungsprozesses. Transparenter polykristalliner Spinell (Magnesiumaluminat, MgAl2O4) stellt dabei einen besonders vielversprechenden Werkstoff dar, da er optisch isotrop ist, somit keine Doppelbrechungseffekte aufweist und als rein oxidischer Werkstoff unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre hergestellt werden kann. Spinell wird des Weiteren in der Praxis schon für verschiedene Anwendungen wie als Fenster für UV-Lithografie, transparente Panzerung und Laserzündgeräte in Betracht gezogen. [1] [2] Für den Einsatz als optisches Bauelement sind die optischen Eigenschaften eines Werkstoffes wie Reflektion, Transmission, Absorption und Streuung von hoher Relevanz. Diese Eigenschaften werden durch den komplexen Brechungsindex eines Materials charakterisiert. In der Vergangenheit haben sich bereits zahlreiche Wissenschaftler mit der Charakterisierung des Brechungsindex von Spinell beschäftigt. Dabei wurde festgestellt, dass der materialabhängige komplexe Brechungsindex von Spinell, einem Stoffgemisch aus MgO und Al2O3, durch die Stöchiometrie der Ausgangsmaterialien und die Prozessierung der Keramik beeinflusst werden kann. [3] In dieser Arbeit wurde die Brechungsindex- und Gruppenbrechungsindexcharakterisierung von undotierten und SrO-dotierten Spinellproben aus vier verschiedenen Spinellpulvern, die unterschiedlich prozessiert wurden, untersucht. Hierfür wurde ein Weißlicht-Interferometer-Messaufbau realisiert und die Interferenzmessdaten wurden mit Hilfe der Wrapped Phase Derivative Evaluation (WPDE-Methode) nach Ch. Taudt [4] ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur bei der Nachverdichtung der Keramiken mittels Heiß-Isostatischem-Pressen (HIP) einen signifikanten Einfluss auf den resultierenden Gruppenbrechungsindex hat. Des Weiteren konnte ermittelt werden, dass bei dem Zusetzen einer geringen Menge eines Dotiermaterials dieses zwar homogen in einer Probe verteilt sein kann, es dennoch bei mikroskopischer Betrachtung zu Bereichen stärkerer und schwächerer Dotiermittelkonzentration kommt, was deutlich durch eine Variation des Gruppenbrechungsindex über verschiedene Probenbereiche nachgewiesen werden konnte. Weiterführend war eine eindeutige Bestimmung des Brechungsindexes nicht möglich, da bei der Sellmeier-Approximation des Gruppenbrechungsindexes die Komplexität des Approximationsmodells die der Messdaten überschritt, was dazu führte, dass die ermittelten Koeffizienten nicht die physikalische Aussagekraft besaßen, die man ihnen typischerweise zuschreibt.
• In recent years, the demand for optical materials with outstanding mechanical properties for use in extreme conditions, such as in aerospace applications, has significantly increased. Transparent polycrystalline ceramics are therefore of great interest due to their superior mechanical properties compared to conventional materials such as glasses, polymers, and alkali hydrides, including long-term reliability, higher impact resistance, and good resistance to extreme environmental conditions (e.g., high temperatures). Additionally, they can often be manufactured more economically and cost-effectively than single-crystal materials and potentially offer advantages in terms of doping and formability during the manufacturing process. Transparent polycrystalline spinel (magnesium aluminate, MgAl2O4) is a particularly promising material as it is optically isotropic, thereby exhibiting no birefringence effects, and can be produced as a purely oxidic material under oxygen-rich atmosphere. Spinel is also already considered for various applications such as windows for UV lithography, transparent armour, and laser ignition devices. [1] [2] For use as an optical component, the optical properties of a material, such as reflection, transmission, absorption, and scattering, are highly relevant. These properties are characterized by the complex refractive index of a material. In the past, numerous scientists have investigated the characterization of the refractive index of spinel. It has been found that the material-dependent complex refractive index of spinel, a mixture of MgO and Al2O3, can be influenced by the stoichiometry of the starting materials and the processing of the ceramic. [3] This work focused on the characterization of the refractive index and group refractive index of undoped and SrO-doped spinel samples made from four different spinel powders processed in various ways. For this purpose, a white-light interferometer setup was implemented, and the interference measurement data were analysed using the Wrapped Phase Derivative Evaluation (WPDE method) according to Ch. Taudt [4]. The results indicate that the temperature during the densification of the ceramics using Hot Isostatic Pressing (HIP) has a significant impact on the resulting group refractive index. Furthermore, it was determined that the addition of a small amount of dopant material can result in homogeneous distribution within a sample on macroscopic level, but microscopic examination reveals areas of stronger and weaker dopant concentration, as evidenced by variation in the group refractive index across different sample regions. Furthermore, a definitive determination of the refractive index was not possible, as the complexity of the Sellmeier approximation of the group refractive index exceeded that of the measurement data, resulting in coefficients that lacked the typical physical significance attributed to them.