Sapphire vs Glass vs Quartz Optical Window: Hvordan velge det rette

Tre materialer, én beslutning

Velg feil optisk vindu og konsekvensene dukker opp raskt – svekket signal, mislykkede belegg eller en komponent som sprekker under termisk stress etter noen hundre timer. Materialspørsmålet kommer nesten alltid ned til tre kandidater: safir, glass (typisk BK7 eller borosilikat) og kvarts (smeltet silika). Hver enkelt løser et annet problem. Å vite hvilken som løser din er den virkelige utfordringen.

Safir Optical Window: Bygget for ekstremer

Safir er en-krystall aluminiumoksid (Al₂O₃). På Mohs-skalaen får den 9 – nest etter diamant – noe som betyr at overflatedegradering fra slitasje eller partikkelpåvirkning sjelden er en bekymring. Dens trykkstyrke når 3,2 GPa , og overføring spenner over omtrent 150 nm til 5,5 μm, og dekker UV gjennom midt-infrarødt i et enkelt substrat.

Det brede spektralområdet er viktig i lasersystemer med flere bølgelengder og termisk bildebehandling der du trenger ett vindu for å utføre over flere bånd. Sapphire leder også varme godt (ca. 35 W/m·K ved romtemperatur), så den utvikler ikke varme flekker under kraftig belysning slik glass gjør. Legg til kjemisk treghet mot de fleste syrer og alkalier, og du har et materiale som virkelig trives i tøffe miljøer: dyphavsinstrumentering, romfartsutsikter, laserhus med høy effekt og forsvarsoptikk.

Avveiningen er kostnad og bearbeidbarhet. Safir er vanskeligere å slipe og polere enn glass eller kvarts, noe som gjør tilpassede former dyrere. For applikasjoner der prisen er en primær begrensning og miljøbelastningen er lav, er den ofte overspesifisert.

Changzhou Haolilai produserer tilpassede safir optiske vindussubstrater til stramme parallellitets- og overflatekvalitetsspesifikasjoner, som støtter laseroptikk, halvleder- og forbrukerelektronikkapplikasjoner.

Optisk glassvindu: Den praktiske standarden

BK7 borosilikatglass er standard optisk materiale av en grunn. Den er kostnadseffektiv, enkel å produsere til høye toleranser, og yter pålitelig over det synlige spekteret (omtrent 380–2000 nm). Overflatekvalitet på 20-10 scratch-dig er rutinemessig oppnåelig i skala, og standard AR-belegg binder seg godt til den.

Der glass kommer til kort er ytterst. Mohs hardhet er rundt 6, slik at overflater riper lettere i slitende miljøer. Termisk sjokkmotstand er beskjeden - raske temperatursvingninger kan indusere stressbrudd. For applikasjoner som holder seg innenfor det synlige båndet og opererer i kontrollerte miljøer – laboratorieoppsett, bildebehandlingssystemer, maskinsyn og inspeksjonsutstyr – gir optiske glassvinduer utmerket verdi uten kostnadspremien til safir eller kvarts.

Overflateplanhet, antirefleksjonsbelegg og nøyaktig parallellitet er parametrene som er verdt å spesifisere nøye ved bestilling av glassvinduer. Et dårlig parallellisert vindu introduserer bølgefrontfeil som ingen nedstrømsoptikk kan korrigere fullt ut.

Quartz Optical Window: UV- og presisjonsspesialisten

Fused quartz (fused silica, SiO₂) opptar en spesifikk nisje som verken glass eller safir kan fylle: ultrafiolett gjennomsiktighet ned til rundt 150–180 nm, kombinert med en ekstremt lav termisk ekspansjonskoeffisient (CTE ≈ 0,55 × 10⁻⁶/°C). Den termiske ekspansjonen nær null gjør kvartsvinduer dimensjonsstabile under varierende temperaturer - en kritisk egenskap i halvlederlitografi, spektroskopi og presisjonsmetrologi der selv mikronskala deformasjon forårsaker målefeil.

Kvarts håndterer også rask termisk syklus bedre enn glass eller til og med safir i mange konfigurasjoner, fordi dens lave CTE begrenser de interne spenningene som genereres når temperaturen endres raskt. For UV-lasersystemer - eksimerlasere ved 248 nm eller 193 nm er vanlige eksempler - er kvarts vanligvis det eneste levedyktige vindusmaterialet.

Begrensningen sammenlignet med safir er mekanisk. Kvarts er hardere enn BK7 (Mohs ≈ 7), men ikke i samme kategori som safir. I miljøer med høy slitasje eller høyt trykk er det ikke førstevalget.

Side-ved-side: Nøkkelparametere på et øyeblikk

Hvordan velge: En beslutningsramme

Start med driftsbølgelengden. Hvis systemet ditt kjører i UV under 380 nm, er kvarts vanligvis svaret. Hvis den spenner over UV gjennom mid-IR - vanlig i multi-sensor forsvar eller forskningsplattformer - er safirs brede overføring vanskelig å slå. For kun synlige systemer i rene, stabile miljøer er glass nesten alltid det mest kostnadseffektive valget.

Deretter evaluerer du det mekaniske miljøet. Vil vinduet møte slitasje, høytrykksforskjeller eller partikkelstøt? Safir. Temperatursykling i et vakuumkammer eller halvlederfabrikk? Kvarts. Benktopp laboratorieinstrument med kontrollerte forhold? Glass.

Ta til slutt hensyn til krav til belegg. Alle tre materialene aksepterer standard AR-belegg, men vedheft og holdbarhet er forskjellige. På safir bindes belegg eksepsjonelt godt på grunn av overflatens hardhet. På BK7-glass fungerer standard sol-gel og sputtered belegg pålitelig til lavere pris. Kvarts krever nøye prosesskontroll på grunn av sin svært lave overflateenergi, men høyytelses UV-belegg er veletablert for det.

For tilpassede geometrier – ikke-standarddiametre, skråkanter, spesifikke parallellitetstoleranser – arbeid med en erfaren produsent av optiske vindu hvem som håndterer alle tre materialene sparer betydelig iterasjonstid. Riktig leverandør kan gi råd om materialsubstitusjon når ett alternativ er overbudsjett eller overspesifisert for applikasjonen.

Bunnlinjen

Optiske safir-, glass- og kvartsvinduer er utmerket – i riktig sammenheng. Sapphire gir uovertruffen holdbarhet og spektral bredde. Quartz eier UV og presisjon termisk stabilitet plass. Glass forblir arbeidshesten for bruk med synlige bånd der budsjettet betyr noe. Definer bølgelengdeområdet ditt, mekaniske krav og driftsmiljø først, og materialvalget blir vanligvis enkelt.