Как выбрать подходящий оптический оконный лист для вашего проекта?

Введение

Оптическое окно - это оптический элемент, пропускающий свет и обычно изготовленный из прозрачных материалов, таких как стекло, кварц и обычное оптическое стекло. Его основная роль заключается в защите компонентов внутри оборудования и передаче оптических сигналов. В оптическом оборудовании оптические окна часто используются для защиты линз, фильтров, оптических волокон и других компонентов от внешнего загрязнения окружающей среды и физических повреждений, таких как пыль, дождь, окисление и так далее. Кроме того, оптические окна могут регулировать световой поток и спектр, чтобы адаптироваться к потребностям различных случаев, а также контролировать и регулировать направление и угол падения светового луча.

Рис.1 Различные виды оптических окон

Различные сценарии применения предъявляют к оптическим стеклам почти противоречивые требования - поддерживать превосходное оптическое пропускание и при этом выдерживать экстремальные условия. В космических аппаратах они должны противостоять космическим лучам и резким перепадам температур; в глубоководных зондах - выдерживать сверхвысокое давление воды и коррозию от соляного тумана; в медицинских эндоскопах - обеспечивать биобезопасность и при этом получать точные изображения. Такой баланс многомерных требований к характеристикам делает выбор материала главным вопросом при разработке оптических оконных листов, и ученые контролируют кристаллическую структуру, процесс нанесения покрытия и химическую стабильность материалов, чтобы каждая деталь "стража прозрачности" была идеально адаптирована к уникальным задачам своих сценариев применения.

В частности, для высокоэнергетических лазеров требуются сапфировые стекла, способные выдерживать высокие температуры и излучение. Глубоководные детекторы полагаются на синее сапфировое стекло за его устойчивость к давлению и коррозии, а в медицинских эндоскопах используются кристаллы фторида кальция за их превосходную биосовместимость. От улавливания звездного света в космических телескопах до анализа клеточных структур в микроскопах, от солнечных батарей до инфракрасных датчиков - материаловедение и функциональный дизайн оптических оконных листов неразрывно связаны с точностью, стабильностью и долговечностью современного оптического оборудования.

Рис. 2 Принцип работы оптических окон

Факторы, которые следует учитывать при выборе оптических оконных листов

Тип материала

Выбор материала для оптических оконных листов требует сочетания оптических характеристик, устойчивости к воздействию окружающей среды, механической прочности и экономической эффективности. Оптическое стекло (например, BK7, плавленый кварц) является предпочтительным выбором для сценариев общего назначения благодаря высокому коэффициенту пропускания (охватывает видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн) и доступности, однако его термостойкость (обычно <500°C) и ударопрочность ограничены. Кварцевое стекло обеспечивает широкий спектр УФ-ИК-пропускания благодаря сверхчистому диоксиду кремния, а его высокая термостойкость (>1000°C) и устойчивость к тепловым ударам делают его подходящим для экстремальных сценариев, таких как высокоэнергетические лазеры и смотровые окна космических аппаратов. Сапфир (монокристаллический глинозем) отличается твердостью по шкале Мооса (9 класс), которая уступает только алмазу, и способностью пропускать свет от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона (0,15-5,5 мкм), что широко используется в глубоководных зондах, бронированной оптике и средах с высокой абразивностью. Однако его высокий коэффициент преломления необходимо оптимизировать с помощью покрытия, чтобы минимизировать потери на отражение. Инженерные пластики (например, ПК, ПММА) незаменимы в сценариях с легким весом, таких как объективы для беспилотников и носимых устройств, благодаря своим преимуществам - легкости, ударопрочности и возможности литья под давлением, но их термостойкость (обычно <120°C) и химическая стойкость ограничивают возможности применения в высших классах. Особые сценарии также требуют индивидуальных материалов: например, кристаллы фторида кальция доминируют в медицинских эндоскопах благодаря своей биосовместимости и свойствам пропускания в среднем инфракрасном диапазоне, а селенид цинка предназначен для длинноволнового инфракрасного окна CO₂ лазерных систем. Суть выбора материала заключается в том, чтобы соответствовать основным требованиям - жертвовать механической прочностью в погоне за экстремальным светопропусканием, балансировать между стоимостью и экологической устойчивостью - и современные технологии нанесения покрытий расширяют границы характеристик материалов.

Рис. 3 Оптическое стекло с высоким светопропусканием

Толщина

Толщина листа оптического стекла является ключевой переменной в свойствах силово-оптической связи материала. В измерении механической прочности толщина соответствует уравнению прогиба тонкой пластины в механике материалов (δ ∝ P-L³/(E-t³)), а прочность на изгиб обратно пропорциональна кубу толщины, что означает, что увеличение толщины на 25% повышает сопротивление деформации примерно на 95%, но при этом приводит к линейному увеличению веса. Что касается оптических характеристик, то толщина напрямую влияет на длину оптического пути - когда толщина оконного листа превышает λ/(2Δn) (λ - длина волны, Δn - неоднородность показателя преломления), могут возникнуть аберрации волнового фронта, особенно в мощных лазерных системах, где чрезмерная толщина усиливает эффект теплового линзирования (уравнение тепловой фокусировки, f ∝ κ-t/(α-P). (где κ - теплопроводность, α - коэффициент поглощения, а P - мощность). Пропускание, с другой стороны, показывает нелинейную зависимость: согласно закону Беера-Ламберта, пропускание T = (1-R)²-e^(-αt) (R - отражательная способность поверхности), и увеличение толщины усиливает эффект собственного поглощения материала (член α), например, пропускание плавленого кварца толщиной 5 мм в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне (200 нм) уменьшается на 40 % по сравнению с толщиной 1 мм. Поэтому оптимизация толщины - это, по сути, оптимальное решение по Парето между прочностью на сжатие, контролем аберраций и эффективностью светопропускания.

Рис. 4 Кварцевые оконные листы различной толщины

В сценариях экстремального давления (таких как подводные аппараты глубиной 5000 метров) оконный лист должен соответствовать формуле прочности на сжатие P_collapse = K-E/(1-ν²)-(t/D)² (K - коэффициент формы, ν - коэффициент Пуассона, D - диаметр), обычно используется монокристаллический сапфир толщиной до 8-15 мм, его прочность на сжатие составляет 3,2 ГПа при большой толщине, чтобы выдержать гидростатическое давление 60 МПа. В то время как стандартная оптическая система (например, защитное окно объектива микроскопа) следует принципу утончения, использование 1-3 мм толщины оптического стекла BK7 позволяет не только удовлетворить требования плоскостности поверхности λ/4 (значение PV <0,5 мкм), но и контролировать вес нагрузки системы в пределах 0,5%. Для мощных CO₂-лазеров (длина волны 10,6 мкм) стандартными становятся стекла из селенида цинка толщиной 0,5-1 мм, что позволяет контролировать термоиндуцированное смещение фокуса в пределах 10% от рэлеевской длины (Z_R = πω₀²/λ) и гарантирует пропускание >99% (достигается с помощью антибликовых покрытий на 1/4 длины волны). В аэрокосмической отрасли при выборе толщины также учитываются колебательные режимы: окна из плавленого кварца для типичных спутниковых оптических полезных нагрузок имеют толщину 2 мм, чтобы их резонансная частота первого порядка не попадала в широкополосный диапазон вибраций 20-2000 Гц при запуске ракет. Такая точная подгонка толщины отражает межмасштабный анализ конструкции, начиная с внутренних свойств материала и заканчивая проектированием на уровне системы.

Оптические свойства

Пропускание, поглощение и отражение оптического оконного листа составляют "золотой треугольник" его оптических характеристик, которые вместе определяют эффективность передачи оптического сигнала и отношение сигнал/шум системы. Согласно закону Билла Ламберта, пропускание T = (1-R)2e-αtT = (1-R)2e-αt (RR - отражательная способность, αα - коэффициент поглощения, tt - толщина), когда ультрафиолетовый диапазон (200-400 нм) должен быть> 90% пропускания, плавленый кварц (α<0.1 см-¹ @200 нм) и фторид кальция становятся предпочтительным выбором, в то время как обычное оптическое стекло будет исключено в этом диапазоне из-за пиков поглощения, вызванных примесями ионов железа (α>1 см-¹). Для инфракрасного окна (3-12 мкм) селенид цинка обеспечивает низкое поглощение α<0,02 см-¹ в длинноволновом инфракрасном диапазоне (8-12 мкм), а германий обладает превосходным пропусканием (>99% @10,6 мкм), но его чувствительный к температуре коэффициент поглощения (α растет экспоненциально с температурой) требует использования термоэлектрического охлаждения.

В области защиты от УФ-излучения (например, в УФ-литографии) используются подложки из плавленого кварца с антибликовым покрытием MgF₂ (отражательная способность <0,5% @193 нм), а содержание гидроксила строго контролируется (<1ppm) для подавления полосы поглощения при 248 нм. Видимые окна (например, объективы камер) часто изготавливаются из стекла BK7 (пропускание >92% @400-700 нм) в сочетании с широкополосным AR-покрытием (отражательная способность <0,3%), а его поглощение поддерживается на уровне <0,1% путем контроля концентрации примеси Ce³+. Для инфракрасной тепловизионной системы материалы подбираются в соответствии с рабочим диапазоном: кремниевая пластина используется для коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR, 1-3 мкм) (пропускание >50%), сапфир используется для средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR, 3-5 мкм) (требуется специальная полировка, чтобы сделать шероховатость поверхности <5 нм для снижения потерь на рассеяние), а выращенный химическим осаждением из паровой фазы (CVD) сульфид цинка (ZnS) является стандартным для длинноволнового инфракрасного диапазона (LWIR, 8-14 мкм). Сульфид цинка (ZnS). Для полноспектральных систем (например, спектрофотометров) фторид магния (УФ-область), плавленый кварц (видимая область) и фторид бария (ИК-область) объединяются в составное окно методом многослойной укладки, причем толщины слоев оптически согласованы в соответствии с d=λ/(4n)d=λ/(4n).

Таблица 1 Характеристики оптического окна Основная триада и адаптация длины волны

Оптические свойства и механическая прочность

Оптимизация оптических характеристик оконных листов - это многофизическая область, связанная с точной инженерией, ядро которой начинается с оптических свойств и глубины залегания внутренних параметров связующего материала - пропускание, поглощение и отражение состава "треугольника оптической энергии" напрямую определяют границы соотношения сигнал/шум системы. В УФ-литографии плавленый кварц становится краеугольным камнем оптического тракта EUV благодаря >99% пропусканию при 193 нм (α<0,1 см-¹) и отражательной способности, сниженной до 0,2% за счет покрытия MgF₂; в то время как инфракрасная система тепловидения опирается на свойственное селениду цинка пропускание >70% в диапазоне 8-12 мкм, а потери на отражение поверхности подавлены до <0,5 мкм за счет покрытия алмазной пленкой. Потери на отражение поверхности подавляются до <0,5% с помощью алмазного покрытия. Качество поверхности, как первого интерфейса для передачи оптической энергии, формирует производительность системы с нанометровой точностью: окна лазерных гироскопов требуют плоскостности поверхности λ/20 (PV <15 нм) для поддержания <0.001λ аберрации волнового фронта, а поверхности класса 0 с контролем царапин по стандарту MIL-PRF-13830B позволяют высокоэнергетическим лазерным системам превышать порог повреждения 50 Дж/см²; сапфировое окно магнитореологически отполировано до шероховатости 0,3 нм RMS, а с покрытием DLC, нанесенным ионным лучом, достигается >10⁹ циклов трения для защиты от царапин в условиях марсианского песка и пыли. В механическом измерении, выбор материала должен быть синхронизирован, чтобы взломать механическое уравнение и функцию экологической коррозии: сапфир(монокристалл Al₂O₃) становится первым выбором для смотровых окон глубоководных зондов с твердостью по Моосу 9 и прочностью на сжатие 3.2 ГПа на сжатие, а его полусферическая геометрическая конструкция контролирует деформацию под гидростатическим давлением 60 МПа до ＜5 мкм по формуле распределения напряжений σ=Pr/(2t); а в аэрокосмической оптической системе используется стекло ULE с CTE ≈ 0,05×10-⁶/°C, межфазное напряжение структуры "окно-опора" составляет <10 МПа при изменении температуры -150~+100°C благодаря технологии согласования CTE на молекулярном уровне. Столкнувшись с многосторонней атакой окружающей среды, современная инженерия поверхности создала многомерную систему защиты: многослойная пленка HfO₂/Al ₂O₃, полученная методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), может поддерживать >5 лет защитного срока службы в коррозионной жидкости с pH=0~14; гидрофобно-антистатическое композитное покрытие с бионической структурой глаза (контактный угол >160°, поверхностное сопротивление <1kΩ/sq) позволяет фотоэлектрическому шару БПЛА реализовать нулевое прилипание капель в тропических лесах; а ультраповерхностный антибликовый слой широкого спектра действия, основанный на принципе неэрмионной фотоники (отражательная способность <0.1% @400- 1600 нм) превращает фотоэлектрическую лампу БПЛА в антибликовый слой. 1600 нм), доводя использование световой энергии оптических окон до теоретического предела в 99,9%.

Таблица 2 Параметры производительности и диапазон адаптации

Оптические оконные листы из нескольких материалов

Оконный лист Si

Кремний подходит для использования в ближнем инфракрасном диапазоне в области 1,2-8 мкм. Поскольку кремний характеризуется низкой плотностью (его плотность в два раза меньше, чем у германия или селенида цинка), он особенно подходит для приложений, где предъявляются высокие требования к весу, особенно в диапазоне 3-5 мкм. Кремний имеет твердость по Кнупу 1150, что тверже германия и не так хрупок, как германий. Однако он не подходит для применения в CO2-лазерах для передачи излучения из-за сильной полосы поглощения на уровне 9um.

Монокристалл кремния (Si) - химически инертный материал, твердый и нерастворимый в воде. Он хорошо пропускает свет в полосе 1,2-7um, а также хорошо пропускает свет в дальнем инфракрасном диапазоне 30-300 мкм, что не характерно для других инфракрасных материалов. Монокристалл кремния (Si) обычно используется в качестве подложки для средневолновых инфракрасных оптических окон и оптических фильтров 3 -5 мкм. Из-за хорошей теплопроводности материала и низкой плотности, он часто используется в производстве лазерных зеркал и более чувствителен к весу объема повода. Кремниевые линзы или окна, использование оптического класса кремния монокристалла, диапазон диаметров составляет: 5 ~ 260 мм, точность поверхности обычно составляет до 40/20, плоскостность поверхности до: λ/10 @ 633nm (отношение толщины линзы к диаметру линзы, чтобы соответствовать коэффициенту обработки).

Рис. 5 Si Window Sheet

Ge Window Sheet

Германиевые материалы имеют очень высокий коэффициент преломления (около 4,0 в полосе 2-14 мкм), и при использовании в качестве оконного стекла на них можно наносить необходимые покрытия для увеличения пропускания в соответствующей полосе. Кроме того, пропускающие свойства германия чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры (пропускание уменьшается с ростом температуры), поэтому их можно использовать только при температуре ниже 100℃. Плотность германия (5,33 г/см3) учитывается при проектировании систем с жесткими требованиями к весу. Германиевые окна имеют широкий диапазон пропускания (2-16 мкм) и непрозрачны в видимом спектральном диапазоне, что делает их особенно подходящими для применения в инфракрасных лазерах. Твердость германия по Кнупу составляет 780, что примерно в два раза выше твердости фторида магния, что делает его более подходящим для применения в ИК-области переменной оптики.

Поскольку Ge имеет высокую твердость Нупа, он часто используется в инфракрасных системах, которые требуют более высокой интенсивности, из-за его высокого коэффициента преломления, обычно мы будем покрыты пленкой для повышения коэффициента пропускания на Ge, обычно используются полосы от: 3 ~ 12um или 8 ~ 12um. Коэффициент пропускания Ge уменьшается с повышением температуры при нагревании, строго говоря, наилучшая температура для наилучшего применения Ge - ниже 100 градусов Цельсия в окружающей среде, при применении в системах, чувствительных к весу, рекомендуется, чтобы разработчики учитывали характеристики высокой плотности Ge. Соотношение размера и толщины линзы должно соответствовать технологическому коэффициенту, а вес - требованиям дизайна. Ge-линзы и окна доступны в диаметрах от 5 до 260 мм, с точностью поверхности до 20/10 и плоскостностью поверхности до λ/10@633 нм (отношение толщины линзы к диаметру должно определяться коэффициентом обработки).

Рис. 6 Оконный лист Ge

Оконный лист ZnSe

Поскольку ZnSe обладает низким коэффициентом поглощения и высоким коэффициентом теплового расширения, он широко используется в качестве материала подложки для зеркал и разветвителей луча в мощных CO2-лазерных системах. Однако из-за относительной мягкости ZnSe (120 по шкале Кнупа) его легко поцарапать, поэтому его не рекомендуется использовать в жестких условиях, а при удержании и чистке с равномерным усилием лучше надевать напальчники или перчатки. Диаметр ZnSe окон или линз варьируется от 5~220 мм, точность поверхности может достигать 20/10, а плоскостность поверхности может достигать λ/10@633 нм (соотношение толщины линз и диаметра должно соответствовать коэффициенту обработки).

Рис. 7 Оконный лист ZnSe

Оконный лист CaF2

Фторид кальция обладает высоким коэффициентом пропускания от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона (250 нм~7 нм), поэтому он широко используется в производстве призм, окон, линз и т.д. В некоторых приложениях с широким спектральным диапазоном он может использоваться напрямую без покрытия, тем более что он имеет низкое поглощение и высокий лазерный порог, что очень подходит для оптических систем эксимерных лазеров. Линзы или окна из фторида кальция, диапазон диаметров: 5 ~ 150 мм, точность поверхности обычно до 40/20, плоскостность поверхности до: λ/10@633nm (отношение толщины линзы к диаметру должно быть по коэффициенту обработки).

Рис. 8 Оконный лист CaF2

Оконный лист BaF2

Кристаллы фторида бария имеют широкий диапазон пропускания, с хорошим пропусканием в диапазоне длин волн 0.13μm~14μm. Одиночные кристаллы и поликристаллы демонстрируют схожие характеристики, однако производство одиночных кристаллов является сложной задачей, поэтому они вдвое дороже поликристаллов. Он может использоваться для окон инфракрасных коммутаторов, окон Фурье-газоанализа, обнаружения нефти и газа, мощных лазеров, оптических приборов и т.д. В линзах или окнах из фторида бария диапазон диаметров составляет: 5 ~ 150 мм, точность поверхности обычно составляет до 40/20, а плоскостность поверхности может быть до: λ/10@633nm (отношение толщины линзы к диаметру должно соответствовать коэффициенту обработки).

Общие области применения оптических оконных листов

Как "интеллектуальный сенсорный интерфейс" оптической системы, оптический оконный лист демонстрирует техническое проникновение в семь основных областей: в аэрокосмической области, окно из плавленого кварца телескопа Хаббл улавливает звездный свет на расстоянии 13 миллиардов световых лет с точностью поверхности λ/20, а марсоход использует композитное окно из сапфира-алюминия-титана, которое поддерживает панорамную съемку при экстремальной разнице температур -120°C~+80°C. В автомобильной промышленности окно LIDAR из нитрида алюминия (пропускание >95%@905 нм) обеспечивает миллиметровую точность определения расстояния при частоте сканирования 200 Гц благодаря технологии антивибрационной упаковки. В автомобильной промышленности нитрид-алюминиевое окно LIDAR (пропускание >95%@905 нм) обеспечивает миллиметровую точность измерения при частоте сканирования 200 Гц благодаря технологии антивибрационной упаковки, а в головных дисплеях HUD используются клиновидные оптические смолы (коэффициент преломления 1,53±0,002) для устранения аберраций призрака; в медицинской эндоскопии микроокно из фторида магния диаметром всего 2.8 мм (класс биосовместимости VI), оснащенное антипротеиновым адсорбционным покрытием для достижения передачи изображения класса 4K в полости человеческого тела; в высокоэнергетической лазерной системе используется окно из селенида цинка с градиентным легированием (порог повреждения>5 Дж/см² @10.6 мкм), а алгоритм термоиндуцированной фазовой компенсации противодействует эффекту тепловой линзы лазеров киловаттного класса; в области бытовой электроники TOF-датчик смартфонов использует наноимпринтированное антиотражающее окно (отражательная способность＜0,3%@850 нм), а TOF-датчик смартфона использует наноимпринтированное антиотражающее окно (отражательная способность＜0,3%@850 нм). 850 нм), а сапфировый сенсорный экран смарт-часов укрепляется путем ионного обмена для повышения твердости по шкале Мооса до 8,5; в сфере оборонной безопасности оптико-электронные мачты бронетехники оснащаются композитными стеклами из боросиликата и карбида кремния, способными выдержать попадание 7.62-мм бронебойных пуль (стандарт EN1063 BR7), а в подводных оптико-электронных системах используются полусферические окна из сульфида цинка (выдерживающие давление 60 МПа) для осуществления подводной оптической разведки на расстоянии 100 метров. Эти инновационные приложения показывают, что оптическое окно превратилось из пассивного защитного элемента в активный функциональный носитель, объединяющий материаловедение, прецизионную оптику и интеллектуальные алгоритмы, постоянно расширяя размерные границы человеческого восприятия физического мира.

Рис. 9 Оптические окна для контрольно-измерительных приборов

Заключение

Как ключевой компонент оптической системы, выбор материала и проектирование оптического окна всегда сосредоточены на комплексном балансе пропускания, механической прочности и адаптации к окружающей среде. Системы материалов, представленные плавленым кварцем, сапфиром и селенидом цинка, достигли точной оптической адаптации во всем диапазоне длин волн от ультрафиолетового (200 нм) до длинноволнового инфракрасного (14 мкм) благодаря оптимизации кристаллической структуры (например, ультрафиолетовое пропускание высокочистого кварца), технологии покрытия поверхности (например, антибликовое и коррозионностойкое покрытие) и точности обработки (например, контроль шероховатости поверхности на уровне субнанометра). В экстремальных сценариях применения глубокое соответствие свойств материала и технических требований становится основой: аэрокосмические оптические системы полагаются на низкий коэффициент теплового расширения плавленого кварца (0,05×10-⁶/°C) и устойчивость к радиации, чтобы гарантировать стабильность изображения зондов глубокого космоса; в медицинских эндоскопах используются биосовместимые стекла из фторида магния (согласно ISO 10993), чтобы сохранить 92 % пропускания видимого света и избежать риска повреждения. В медицинском эндоскопе используется биосовместимое стекло из фтористого магния (соответствующее стандарту ISO 10993), которое поддерживает 92% пропускания видимого света, избегая при этом отторжения тканей человека; высокоэнергетический лазер подавляет тепловой эффект линзы за счет градиентного легирования материала селенида цинка (порог повреждения>5 Дж/см²). Данная технологическая система показывает, что повышение эффективности оптических окон зависит от междисциплинарной синергии материаловедения, оптической инженерии и точного производства, а ее межобластные применения (охватывающие исследования дальнего космоса, биомедицину, национальную оборону и безопасность и т.д.) не только подтверждают эффективность существующих материальных решений, но и обеспечивают фундаментальную поддержку для надежной работы оптоэлектронных систем в сложных условиях.

Stanford Advanced Materials (SAM) специализируется на производстве высокоэффективных оптических оконных листов с помощью передовых методов материаловедения и точного проектирования. Мы предлагаем индивидуальные решения, которые обеспечивают превосходное оптическое пропускание, механическую прочность и устойчивость к воздействию окружающей среды для широкого спектра приложений.

Связанное чтение:

Оптические окна