Optické okénko Safír vs sklo vs křemenné: Jak vybrat to správné

Tři materiály, jedno rozhodnutí

Vyberte špatné optické okénko a následky se rychle projeví – zhoršený signál, vadné povlaky nebo součást, která praskne při tepelném namáhání po několika stovkách hodin. Otázka materiálu téměř vždy sestává ze tří kandidátů: safír, sklo (typicky BK7 nebo borosilikát) a křemen (tavený oxid křemičitý). Každý řeší jiný problém. Vědět, který z nich řeší vaše je skutečnou výzvou.

Safírové optické okénko: Stvořeno pro extrémy

Safír je monokrystalický oxid hlinitý (Al2O3). Na Mohsově stupnici má skóre 9 – druhé místo za diamantem – což znamená, že degradace povrchu v důsledku otěru nebo nárazu částic je zřídka problémem. Jeho pevnost v tlaku dosahuje 3,2 GPa a přenos má rozsah zhruba 150 nm až 5,5 μm, pokrývající UV až střední infračervené záření v jediném substrátu.

Tento široký spektrální rozsah je důležitý u laserových systémů s více vlnovými délkami a tepelného zobrazování, kde potřebujete jedno okno pro výkon v několika pásmech. Safír také dobře vede teplo (přibližně 35 W/m·K při pokojové teplotě), takže při vysoce výkonném osvětlení nevytváří horká místa, jako to dělá sklo. Přidejte chemickou inertnost vůči většině kyselin a zásad a máte materiál, kterému se skutečně daří v drsných prostředích: hlubokomořské přístroje, letecké průhledy, kryty vysoce výkonných laserů a obranná optika.

Kompromisem je cena a obrobitelnost. Safír se hůř brousí a leští než sklo nebo křemen, což prodražuje zakázkové tvary. U aplikací, kde je primárním omezením cena a zátěž prostředí je nízká, je často nadhodnocena.

Changzhou Haolilai vyrábí zakázkové safírové optické okenní substráty na přesné specifikace paralelismu a kvality povrchu, podporující aplikace laserové optiky, polovodičů a spotřební elektroniky.

Skleněné optické okénko: Praktický standard

Borosilikátové sklo BK7 je z nějakého důvodu výchozím optickým materiálem. Je nákladově efektivní, snadno se vyrábí s vysokými tolerancemi a spolehlivě funguje v celém viditelném spektru (zhruba 380–2000 nm). Kvalita povrchu 20-10 scratch-dig je běžně dosažitelná v měřítku a standardní AR povlaky se na něj dobře vážou.

Tam, kde sklo nedosahuje, jsou extrémy. Tvrdost podle Mohse je kolem 6, takže povrchy se snadněji poškrábou v abrazivním prostředí. Odolnost proti tepelným šokům je mírná – rychlé teplotní výkyvy mohou způsobit napěťové lomy. Pro aplikace, které zůstávají ve viditelném pásmu a fungují v kontrolovaných prostředích – laboratorní nastavení, zobrazovací systémy, strojové vidění a kontrolní zařízení – skleněná optická okna poskytují vynikající hodnotu bez cenové prémie za safír nebo křemen.

Rovinnost povrchu, antireflexní vrstvy a přesná rovnoběžnost jsou parametry, které stojí za to pečlivě specifikovat při objednávce skleněných oken. Špatně paralelizované okno zavádí chybu čela vlny, kterou žádná optika ve směru proudu nemůže plně opravit.

Quartz Optical Window: Specialista na UV a přesnost

Tavený křemen (tavený oxid křemičitý, SiO₂) zaujímá specifické místo, které nemůže vyplnit sklo ani safír: ultrafialová průhlednost až do přibližně 150–180 nm v kombinaci s extrémně nízkým koeficientem tepelné roztažnosti (CTE ≈ 0,55 × 10⁻⁶/°C). Tato téměř nulová tepelná roztažnost činí křemenná okna rozměrově stabilní při kolísání teplot – kritická vlastnost v polovodičové litografii, spektroskopii a přesné metrologii, kde i deformace v mikronovém měřítku způsobuje chyby měření.

Křemen také zvládá rychlé tepelné cykly v mnoha konfiguracích lépe než sklo nebo dokonce safír, protože jeho nízký CTE omezuje vnitřní pnutí vznikající při rychlých změnách teploty. Pro UV laserové systémy – běžné příklady jsou excimerové lasery při 248 nm nebo 193 nm – je křemen obvykle jediným životaschopným materiálem oken.

Omezení oproti safíru je mechanické. Křemen je tvrdší než BK7 (Mohs ≈ 7), ale nepatří do stejné kategorie jako safír. V prostředí s vysokým otěrem nebo vysokým tlakem to není první volba.

Side-by-Side: Klíčové parametry na první pohled

Jak si vybrat: Rámec rozhodování

Začněte s provozní vlnovou délkou. Pokud váš systém běží v UV záření pod 380 nm, řešením je obvykle křemen. Pokud pokrývá UV záření přes střední infračervené záření – běžné v multisenzorových obranných nebo výzkumných platformách – je těžké překonat široký přenos safíru. Pro pouze viditelné systémy v čistých a stabilních prostředích je sklo téměř vždy cenově nejvýhodnější volbou.

Dále vyhodnoťte mechanické prostředí. Bude okno čelit oděru, vysokotlakým diferenciálům nebo nárazu částic? Safír. Teplotní cykly ve vakuové komoře nebo polovodičové továrně? Křemen. Stolní laboratorní přístroj s kontrolovanými podmínkami? Sklo.

Nakonec zohledněte požadavky na povlak. Všechny tři materiály přijímají standardní povlaky AR, ale přilnavost a trvanlivost se liší. Na safíru se povlaky spojují výjimečně dobře díky tvrdosti povrchu. Na skle BK7 fungují standardní sol-gel a naprašované povlaky spolehlivě za nižší cenu. Křemen vyžaduje pečlivé řízení procesu kvůli jeho velmi nízké povrchové energii, ale vysoce výkonné UV povlaky jsou pro něj dobře zavedené.

Pro vlastní geometrie – nestandardní průměry, zkosené hrany, specifické tolerance rovnoběžnosti – spolupráce se zkušeným výrobce optických oken kdo zvládne všechny tři materiály, ušetří značnou dobu iterace. Správný dodavatel může poradit ohledně náhrady materiálu, když je jedna možnost nadrozpočtová nebo nadměrně specifikovaná pro danou aplikaci.

Sečteno a podtrženo

Safírová, skleněná a křemenná optická okna jsou vynikající – ve správném kontextu. Safír poskytuje bezkonkurenční odolnost a spektrální šířku. Quartz vlastní prostor pro UV a přesnou tepelnou stabilitu. Sklo zůstává tahounem pro aplikace s viditelným pásmem, kde záleží na rozpočtu. Nejprve definujte rozsah vlnových délek, mechanické požadavky a provozní prostředí a výběr materiálu se obvykle stává přímočarým.