Sapphire vs Glass vs Quartz Optical Window: Hur man väljer rätt

Tre material, ett beslut

Välj fel optiskt fönster och konsekvenserna visar sig snabbt – försämrad signal, misslyckade beläggningar eller en komponent som spricker under termisk påfrestning efter några hundra timmar. Den materiella frågan kommer nästan alltid ner till tre kandidater: safir, glas (vanligtvis BK7 eller borosilikat) och kvarts (smält kiseldioxid). Var och en löser olika problem. Att veta vilken som löser ditt är den verkliga utmaningen.

Safir Optical Window: Byggt för extremer

Safir är enkristallin aluminiumoxid (Al₂O₃). På Mohs-skalan får den 9 - näst efter diamant - vilket betyder att ytförsämring från nötning eller partikelpåverkan sällan är ett problem. Dess tryckhållfasthet når 3,2 GPa , och transmissionen sträcker sig ungefär 150 nm till 5,5 μm, täcker UV genom mittinfrarött i ett enda substrat.

Det breda spektralområdet spelar roll i lasersystem med flera våglängder och termisk avbildning där du behöver ett fönster för att prestera över flera band. Sapphire leder också värme bra (cirka 35 W/m·K vid rumstemperatur), så det utvecklar inte heta fläckar under högeffektsbelysning som glas gör. Lägg till kemisk tröghet mot de flesta syror och alkalier, och du har ett material som verkligen trivs i tuffa miljöer: djuphavsinstrumentering, flygvyportar, högeffektiva laserhus och försvarsoptik.

Avvägningen är kostnad och bearbetbarhet. Safir är svårare att slipa och polera än glas eller kvarts, vilket gör anpassade former dyrare. För applikationer där priset är en primär begränsning och miljöbelastningen är låg, är det ofta överspecificerat.

Changzhou Haolilai tillverkar anpassade safir optiska fönstersubstrat till snäva parallellitets- och ytkvalitetsspecifikationer, som stödjer tillämpningar för laseroptik, halvledar- och konsumentelektronik.

Optiskt glasfönster: den praktiska standarden

BK7 borosilikatglas är det optiska standardmaterialet av en anledning. Den är kostnadseffektiv, lätt att tillverka med höga toleranser och presterar tillförlitligt över det synliga spektrumet (ungefär 380–2000 nm). Ytkvalitet på 20-10 scratch-dig är rutinmässigt uppnåbar i skala, och standard AR-beläggningar fäster väl vid den.

Där glaset kommer till kort är ytterligheterna. Mohs hårdhet ligger runt 6, så ytor repar lättare i nötande miljöer. Motståndskraften mot termisk chock är blygsam - snabba temperatursvängningar kan orsaka stressfrakturer. För applikationer som håller sig inom det synliga bandet och fungerar i kontrollerade miljöer – laboratorieinställningar, bildsystem, maskinseende och inspektionsutrustning – ger optiska glasfönster utmärkt värde utan kostnadspremien för safir eller kvarts.

Ytans planhet, antireflexbeläggningar och exakt parallellitet är parametrarna som är värda att specificera noggrant vid beställning av glasfönster. Ett dåligt parallelliserat fönster introducerar vågfrontsfel som ingen nedströmsoptik helt kan korrigera.

Quartz Optical Window: UV- och precisionsspecialisten

Fused quartz (fused silica, SiO₂) upptar en specifik nisch som varken glas eller safir kan fylla: ultraviolett transparens ner till cirka 150–180 nm, kombinerat med en extremt låg termisk expansionskoefficient (CTE ≈ 0,55 × 10⁻⁶/°C). Den termiska expansionen nära noll gör kvartsfönster dimensionsstabila under fluktuerande temperaturer - en kritisk egenskap inom halvledarlitografi, spektroskopi och precisionsmetrologi där till och med mikronskala deformation orsakar mätfel.

Kvarts klarar också snabb termisk cykling bättre än glas eller till och med safir i många konfigurationer, eftersom dess låga CTE begränsar de inre spänningar som genereras när temperaturen ändras snabbt. För UV-lasersystem - excimerlasrar vid 248 nm eller 193 nm är vanliga exempel - är kvarts vanligtvis det enda livskraftiga fönstermaterialet.

Begränsningen jämfört med safir är mekanisk. Kvarts är hårdare än BK7 (Mohs ≈ 7) men inte i samma kategori som safir. I miljöer med hög nötning eller högt tryck är det inte förstahandsvalet.

Side-by-Side: Snabböversikt över viktiga parametrar

Hur man väljer: En beslutsram

Börja med den operativa våglängden. Om ditt system körs i UV under 380 nm, är kvarts vanligtvis svaret. Om den sträcker sig över UV till mitten av IR - vanligt i försvars- eller forskningsplattformar med flera sensorer - är safirs breda överföring svår att slå. För system som endast är synliga i rena, stabila miljöer är glas nästan alltid det mest kostnadseffektiva valet.

Därefter, utvärdera den mekaniska miljön. Kommer fönstret att möta nötning, högtrycksskillnader eller partikelpåverkan? Safir. Temperatur cykling i en vakuumkammare eller halvledarfab? Kvarts. Bänklabbinstrument med kontrollerade förhållanden? Glas.

Ta slutligen hänsyn till beläggningskraven. Alla tre materialen accepterar standard AR-beläggningar, men vidhäftning och hållbarhet skiljer sig åt. På safir binder beläggningarna exceptionellt bra på grund av ythårdheten. På BK7-glas fungerar standard sol-gel och sputtrade beläggningar tillförlitligt till lägre kostnad. Kvarts kräver noggrann processkontroll på grund av sin mycket låga ytenergi, men högpresterande UV-beläggningar är väletablerade för det.

För anpassade geometrier — icke-standardiserade diametrar, fasade kanter, specifika parallellitetstoleranser — arbetar med en erfaren tillverkare av optiska fönster vem som hanterar alla tre materialen sparar betydande iterationstid. Rätt leverantör kan ge råd om materialersättning när ett alternativ är överbudget eller överspecificerat för applikationen.

Bottom Line

Optiska fönster av safir, glas och kvarts är alla utmärkta - i rätt sammanhang. Sapphire ger oöverträffad hållbarhet och spektral bredd. Quartz äger UV och precision termisk stabilitet utrymme. Glas förblir arbetshästen för applikationer med synliga band där budgeten spelar roll. Definiera ditt våglängdsområde, mekaniska krav och driftsmiljö först, så blir materialvalet vanligtvis enkelt.