Sapphire vs Glass vs Quartz Optical Window: Paano Pumili ng Tama

Tatlong Materyal, Isang Desisyon

Piliin ang maling optical window at mabilis na lalabas ang mga kahihinatnan - nasira ang signal, mga nabigong coatings, o isang bahagi na nabibitak sa ilalim ng thermal stress pagkatapos ng ilang daang oras. Ang materyal na tanong ay halos palaging bumababa sa tatlong kandidato: sapphire, salamin (karaniwang BK7 o borosilicate), at quartz (fused silica). Ang bawat isa ay nalulutas ang iba't ibang problema. Alam kung alin ang malulutas sa iyo ay ang tunay na hamon.

Sapiro Optical Window: Ginawa para sa Extremes

Ang sapphire ay single-crystal aluminum oxide (Al₂O₃). Sa sukat ng Mohs, nakakuha ito ng 9 — pangalawa lamang sa brilyante — na nangangahulugang ang pagkasira ng ibabaw mula sa abrasion o epekto ng butil ay bihirang alalahanin. Umaabot ang compressive strength nito 3.2 GPa , at ang transmission ay sumasaklaw ng humigit-kumulang 150 nm hanggang 5.5 μm, na sumasaklaw sa UV hanggang mid-infrared sa iisang substrate.

Ang malawak na spectral range na iyon ay mahalaga sa multi-wavelength laser system at thermal imaging kung saan kailangan mo ng isang window para gumanap sa ilang banda. Ang Sapphire ay nagsasagawa rin ng init nang maayos (humigit-kumulang 35 W/m·K sa temperatura ng silid), kaya hindi ito nagkakaroon ng mga hot spot sa ilalim ng mataas na kapangyarihan na pag-iilaw tulad ng ginagawa ng salamin. Magdagdag ng chemical inertness laban sa karamihan ng mga acid at alkalis, at mayroon kang materyal na tunay na umuunlad sa malupit na kapaligiran: deep-sea instrumentation, aerospace viewports, high-power laser housings, at defense optics.

Ang trade-off ay gastos at machinability. Ang sapphire ay mas mahirap gilingin at polish kaysa sa salamin o kuwarts, na ginagawang mas mahal ang mga custom na hugis. Para sa mga application kung saan ang presyo ang pangunahing hadlang at mababa ang stress sa kapaligiran, madalas itong overspecified.

Gumagawa ang Changzhou Haolilai pasadyang sapphire optical window substrates sa mahigpit na parallelism at mga pagtutukoy ng kalidad ng ibabaw, na sumusuporta sa mga laser optics, semiconductor, at mga consumer electronics application.

Glass Optical Window: Ang Praktikal na Pamantayan

Ang BK7 borosilicate glass ay ang default na optical material para sa isang dahilan. Ito ay cost-effective, madaling gawin sa mataas na tolerance, at gumaganap ng maaasahan sa buong nakikitang spectrum (humigit-kumulang 380–2000 nm). Ang kalidad ng pang-ibabaw na 20-10 scratch-dig ay regular na nakakamit sa sukat, at ang mga karaniwang AR coatings ay nakakabit dito.

Kung saan kulang ang salamin ay nasa sukdulan. Ang tigas ng Mohs ay nasa humigit-kumulang 6, kaya ang mga ibabaw ay mas madaling makakamot sa mga abrasive na kapaligiran. Ang thermal shock resistance ay katamtaman — ang mabilis na pag-iiba ng temperatura ay maaaring magdulot ng stress fracture. Para sa mga application na nananatili sa loob ng nakikitang banda at gumagana sa mga kontroladong kapaligiran — mga pag-setup ng laboratoryo, mga sistema ng imaging, paningin ng makina, at kagamitan sa pag-inspeksyon — ang mga glass optical window ay naghahatid ng mahusay na halaga nang walang premium na halaga ng sapphire o quartz.

Ang flatness sa ibabaw, mga antireflection coatings, at tumpak na parallelism ay ang mga parameter na dapat maingat na tukuyin kapag nag-order ng mga glass window. Ang isang mahinang parallelized na window ay nagpapakilala ng wavefront error na walang downstream optic ang ganap na maitama.

Quartz Optical Window: Ang UV at Precision Specialist

Ang fused quartz (fused silica, SiO₂) ay sumasakop sa isang partikular na angkop na lugar na hindi kayang punan ng salamin o sapphire: ultraviolet transparency hanggang sa humigit-kumulang 150–180 nm, na sinamahan ng napakababang koepisyent ng thermal expansion (CTE ≈ 0.55 × 10⁻⁶/°C). Dahil sa malapit sa zero na thermal expansion na iyon, ang mga quartz window ay nagiging dimensional na matatag sa ilalim ng pabagu-bagong temperatura - isang kritikal na katangian sa semiconductor lithography, spectroscopy, at precision metrology kung saan kahit ang micron-scale deformation ay nagdudulot ng mga error sa pagsukat.

Mas mahusay din ang paghawak ng Quartz sa mabilis na thermal cycling kaysa sa salamin o kahit sapphire sa maraming configuration, dahil nililimitahan ng mababang CTE nito ang mga panloob na stress na nabuo kapag mabilis na nagbabago ang temperatura. Para sa mga UV laser system — mga excimer laser sa 248 nm o 193 nm na karaniwang mga halimbawa — quartz ay karaniwang ang tanging mabubuhay na materyal sa bintana.

Ang limitasyon kumpara sa sapiro ay mekanikal. Ang kuwarts ay mas mahirap kaysa sa BK7 (Mohs ≈ 7) ngunit hindi katulad ng sapphire. Sa mga high-abrasion o high-pressure na kapaligiran, hindi ito ang unang pagpipilian.

Magkatabi: Pangunahing Parameter sa Isang Sulyap

Paano Pumili: Isang Desisyon Framework

Magsimula sa operating wavelength. Kung ang iyong system ay tumatakbo sa UV na mas mababa sa 380 nm, karaniwang quartz ang sagot. Kung ito ay sumasaklaw sa UV hanggang sa kalagitnaan ng IR — karaniwan sa multi-sensor defense o research platform — ang malawak na transmission ng sapphire ay mahirap talunin. Para sa mga nakikita-lamang na system sa malinis, matatag na kapaligiran, ang salamin ay halos palaging ang pinaka-matipid na pagpipilian.

Susunod, suriin ang mekanikal na kapaligiran. Makakaapekto ba ang bintana sa abrasion, high-pressure differential, o epekto ng particle? Sapiro. Temperature cycling sa isang vacuum chamber o semiconductor fab? Kuwarts. Benchtop lab instrument na may mga kinokontrol na kondisyon? Salamin.

Panghuli, salik sa mga kinakailangan sa patong. Lahat ng tatlong materyales ay tumatanggap ng mga karaniwang AR coatings, ngunit magkakaiba ang pagdirikit at tibay. Sa sapphire, ang mga coatings ay napakahusay na nagbubuklod dahil sa katigasan ng ibabaw. Sa BK7 na salamin, ang karaniwang sol-gel at sputtered coatings ay gumagana nang maaasahan sa mas mababang halaga. Nangangailangan ang kuwarts ng maingat na kontrol sa proseso dahil sa napakababa nitong enerhiya sa ibabaw, ngunit mahusay na itinatag para dito ang mga high-performance na UV coatings.

Para sa mga custom na geometry — hindi karaniwang mga diameter, beveled na mga gilid, partikular na parallelism tolerance — nagtatrabaho sa isang may karanasan tagagawa ng optical window na humahawak sa lahat ng tatlong materyales ay nakakatipid ng makabuluhang oras ng pag-ulit. Ang tamang supplier ay maaaring magpayo sa materyal na pagpapalit kapag ang isang opsyon ay sobra sa badyet o labis na tinukoy para sa aplikasyon.

Ang Bottom Line

Ang mga sapphire, glass, at quartz optical window ay mahusay ang bawat isa — sa tamang konteksto. Ang Sapphire ay naghahatid ng walang kaparis na tibay at parang multo na lawak. Ang Quartz ang nagmamay-ari ng UV at precision thermal stability space. Ang salamin ay nananatiling workhorse para sa mga visible-band application kung saan mahalaga ang badyet. Tukuyin muna ang iyong wavelength range, mga mekanikal na kinakailangan, at operating environment, at kadalasang nagiging diretso ang pagpili ng materyal.