Zafír vs üveg vs kvarc optikai ablak: Hogyan válasszuk ki a megfelelőt

Három anyag, egy döntés

Ha nem a megfelelő optikai ablakot választja, a következmények gyorsan megjelennek – leromlott jel, meghibásodott bevonatok vagy olyan alkatrész, amely néhány száz óra elteltével megreped a hőterhelés hatására. Az anyagkérdés szinte mindig három jelöltre vonatkozik: zafírra, üvegre (jellemzően BK7 vagy boroszilikát) és kvarcra (olvasztott szilícium-dioxid). Mindegyik más-más problémát old meg. Tudva, melyik oldja meg a tiéd az igazi kihívás.

Zafír optikai ablak: Extreme számára készült

A zafír egykristályos alumínium-oxid (Al2O3). A Mohs-skálán 9 pontot ér – csak a gyémánt után –, ami azt jelenti, hogy a kopás vagy a részecskék becsapódása miatti felületi degradáció ritkán okoz gondot. Nyomószilárdsága eléri 3,2 GPa , és az átvitel nagyjából 150 nm-től 5,5 μm-ig terjed, egyetlen szubsztrátumban lefedve az UV-t a közép-infravörösig.

Ez a széles spektrumtartomány számít a több hullámhosszú lézeres rendszerekben és a hőképalkotásban, ahol egyetlen ablakra van szükség a több sávon keresztüli működéshez. A zafír emellett jól vezeti a hőt (körülbelül 35 W/m·K szobahőmérsékleten), így nem képződnek forró pontok nagy teljesítményű megvilágítás mellett, mint az üveg. A legtöbb savval és lúggal szembeni kémiai tehetetlenség hozzáadásával olyan anyag áll rendelkezésére, amely valóban jól boldogul zord környezetben is: mélytengeri műszerek, űrrepülőtéri látóterek, nagy teljesítményű lézerházak és védelmi optikák.

A kompromisszum a költség és a megmunkálhatóság. A zafírt nehezebb csiszolni és polírozni, mint az üveget vagy a kvarcot, ami drágábbá teszi az egyedi formákat. Azoknál az alkalmazásoknál, ahol az ár az elsődleges korlát, és a környezeti stressz alacsony, gyakran túl van adva.

Changzhou Haolilai gyárt egyedi zafír optikai ablakhordozók szoros párhuzamosságra és felületminőségi előírásokra, lézeroptikai, félvezető- és fogyasztói elektronikai alkalmazások támogatására.

Optikai üvegablak: a gyakorlati szabvány

A BK7 boroszilikát üveg az alapértelmezett optikai anyag valamiért. Költséghatékony, könnyen gyártható nagy tűréshatárig, és megbízhatóan működik a látható spektrumban (nagyjából 380–2000 nm). A 20-10 karcolásos felületi minőség rutinszerűen elérhető méretben, és a szabványos AR bevonatok jól tapadnak hozzá.

Ahol az üveg hiányzik, az a szélsőségek. A Mohs-keménység 6 körül van, így a felületek könnyebben karcolódnak koptató környezetben. A hősokkokkal szembeni ellenállás szerény – a gyors hőmérsékletingadozások stressztöréseket okozhatnak. Azoknál az alkalmazásoknál, amelyek a látható sávon belül maradnak és ellenőrzött környezetben működnek – laboratóriumi beállítások, képalkotó rendszerek, gépi látás és ellenőrző berendezések – az üveg optikai ablakok kiváló értéket biztosítanak a zafír vagy kvarc költségprémiuma nélkül.

A felületi síkság, a tükröződésmentes bevonatok és a pontos párhuzamosság azok a paraméterek, amelyeket az üvegablakok rendelésekor érdemes körültekintően megadni. A rosszul párhuzamosított ablak hullámfront-hibát okoz, amelyet egyetlen lefelé irányuló optika sem tud teljes mértékben kijavítani.

Kvarc optikai ablak: Az UV és precíziós specialista

Az olvasztott kvarc (olvasztott szilícium-dioxid, SiO₂) egy sajátos rést foglal el, amelyet sem az üveg, sem a zafír nem tud betölteni: az ultraibolya átlátszósága körülbelül 150–180 nm-ig, rendkívül alacsony hőtágulási együtthatóval kombinálva (CTE ≈ 0,55 × 10⁻⁶/°C). Ez a közel nulla hőtágulás a kvarc ablakokat méretezhetővé teszi ingadozó hőmérséklet mellett – ez kritikus tulajdonság a félvezető litográfiában, spektroszkópiában és precíziós metrológiában, ahol még a mikron léptékű deformáció is mérési hibákat okoz.

A kvarc számos konfigurációban jobban kezeli a gyors hőciklust, mint az üveg vagy akár a zafír, mivel alacsony CTE-je korlátozza a gyors hőmérsékletváltozások során keletkező belső feszültségeket. Az UV lézerrendszereknél – gyakori példa a 248 nm-es vagy 193 nm-es excimer lézerek – általában a kvarc az egyetlen életképes ablakanyag.

A zafírhoz képest a korlátozás mechanikus. A kvarc keményebb, mint a BK7 (Mohs ≈ 7), de nem tartozik ugyanabba a kategóriába, mint a zafír. Nagy kopású vagy nagy nyomású környezetben nem ez az első választás.

Egymás mellett: a legfontosabb paraméterek egy pillantásra

Hogyan válasszunk: döntési keret

Kezdje a működési hullámhosszal. Ha rendszere 380 nm alatti UV-sugárzásban működik, általában a kvarc a megoldás. Ha átíveli az UV-sugárzást a középső IR-n keresztül – ez gyakori a többérzékelős védelmi vagy kutatási platformokon –, a zafír széles átvitelét nehéz felülmúlni. A tiszta, stabil környezetben működő, csak látható rendszerek esetében az üveg szinte mindig a legköltséghatékonyabb választás.

Ezután értékelje a mechanikai környezetet. Az ablak kopásnak, nagy nyomáskülönbségnek vagy részecskéknek ütközik? Zafír. Hőmérséklet-ciklus vákuumkamrában vagy félvezető gyárban? Kvarc. Asztali laboratóriumi műszer ellenőrzött körülmények között? Üveg.

Végül vegye figyelembe a bevonat követelményeit. Mindhárom anyag elfogadja a szabványos AR bevonatokat, de a tapadás és a tartósság eltérő. A zafíron a bevonatok rendkívül jól tapadnak a felületi keménység miatt. A BK7 üvegen a szabványos szol-gél és porlasztott bevonatok megbízhatóan teljesítenek alacsonyabb költségek mellett. A kvarc nagyon alacsony felületi energiája miatt gondos folyamatszabályozást igényel, de a nagy teljesítményű UV bevonatok jól beváltak számára.

Egyedi geometriákhoz – nem szabványos átmérők, ferde élek, specifikus párhuzamossági tűrés – tapasztalt szakemberrel történő munkavégzés optikai ablak gyártó aki mindhárom anyagot kezeli, jelentős iterációs időt takarít meg. A megfelelő szállító tanácsot tud adni az anyagcserével kapcsolatban, ha az egyik lehetőség túlköltözött vagy túl van adva az alkalmazáshoz.

A lényeg

A zafír, az üveg és a kvarc optikai ablakok mindegyike kiváló – a megfelelő környezetben. A zafír páratlan tartósságot és spektrális szélességet biztosít. A kvarc birtokolja az UV és a precíziós hőstabilitási teret. Az üveg továbbra is a látható sávú alkalmazások igáslója, ahol a költségvetés számít. Először határozza meg a hullámhossz-tartományt, a mechanikai követelményeket és a működési környezetet, és az anyagválasztás általában egyszerűvé válik.