Cửa sổ quang học thủy tinh là gì? Thuộc tính, sử dụng và hướng dẫn lựa chọn- Changzhou Haolilai Photo-Electricity Scientific and Technical Co., Ltd.

Trong thế giới quang học và quang tử, nơi các hệ thống ống kính, gương và laser phức tạp thao túng ánh sáng, có một thành phần cơ bản đáng ngạc nhiên là rất quan trọng để thành công: Cửa sổ quang học . Thường bị bỏ qua, cửa sổ quang thủy tinh khiêm tốn là một công việc, phục vụ như một rào cản trong suốt để bảo vệ các dụng cụ nhạy cảm, tách môi trường và truyền ánh sáng với độ méo tối thiểu. Hiểu những gì họ là, cách họ làm việc và cách chọn đúng là điều cần thiết cho các kỹ sư, nhà thiết kế và những người đam mê.

Bài viết này sẽ làm sáng tỏ các cửa sổ quang học thủy tinh, vượt ra ngoài khái niệm cơ bản để khám phá các thuộc tính chính xác định hiệu suất của chúng và các cân nhắc thực tế để chọn đúng cho ứng dụng của bạn.

Ngoài kính đơn giản: Chức năng cốt lõi của cửa sổ quang học

Ở mức đơn giản nhất, một cửa sổ quang học là một mảnh kính phẳng, thường là mặt phẳng, được thiết kế để cho phép ánh sáng đi qua với ảnh hưởng tối thiểu trên đường dẫn quang. Không giống như một ống kính, mục đích của nó không phải là tập trung hay phân kỳ các tia sáng. Công việc chính của nó là:

Bảo vệ môi trường: Niêm phong một hệ thống quang học từ bụi, độ ẩm, hóa chất hoặc chênh lệch áp lực. Ví dụ, một cửa sổ bảo vệ các cảm biến và ống kính bên trong camera tàu ngầm hoặc buồng chân không khoa học.
Truy cập chùm tia: Cung cấp một cổng vật lý cho ánh sáng để nhập hoặc thoát ra một hệ thống. Điều này là phổ biến trong các khoang laser và dụng cụ quang phổ.
Phân tách quang phổ: Sử dụng một cửa sổ làm bằng một vật liệu cụ thể để lọc hoặc chỉ cho phép một số bước sóng ánh sáng đi qua.

Bởi vì chức năng của họ là một người vô hình đối với hệ thống, chất lượng của chúng được đánh giá bằng cách họ thay đổi ánh sáng đi qua chúng.

Các thuộc tính chính xác định hiệu suất

Không phải tất cả kính được tạo ra bằng nhau. Hiệu suất của một phẳng quang được xác định bởi một số tính chất vật liệu quan trọng và đặc điểm vật lý.

1. Vật liệu cơ chất:
Loại kính được sử dụng, được gọi là Vật liệu cơ chất , là lựa chọn quan trọng nhất. Mỗi vật liệu có một Phạm vi truyền Phổ của ánh sáng nó cho phép đi qua.

Kính Borosilicate (ví dụ: BK7): Một lựa chọn rất phổ biến và kinh tế. Nó cung cấp hộp số tuyệt vời từ quang phổ gần hồng ngoại (khoảng 350nm đến 2000nm). Nó được biết đến với sự ổn định hóa học tốt và hệ số giãn nở nhiệt thấp, làm cho nó chống lại sốc nhiệt.
Silica hợp nhất: Một silicon dioxide vô định hình cao, tổng hợp. Nó có tính năng truyền rất rộng từ tia cực tím sâu (DUV) đến cận hồng ngoại (khoảng 180nm đến 2500nm). Nó có một mức thấp đặc biệt Hệ số giãn nở nhiệt , làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng có dao động nhiệt độ lớn và ngưỡng thiệt hại laser tuyệt vời.
Sapphire: Mặc dù không phải là một ly mà là một tinh thể duy nhất, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng cửa sổ cực đoan. Nó chỉ đứng thứ hai sau kim cương trong độ cứng, làm cho nó gần như chống trầy xước. Nó truyền từ tia cực tím sang giữa hồng ngoại (khoảng 150nm đến 5000nm) và có độ dẫn nhiệt và kháng hóa học nổi bật.

2. Chất lượng bề mặt và số lượng cào
Thông số kỹ thuật này định lượng các sự không hoàn hảo cho phép trên bề mặt của cửa sổ. Nó được xác định bởi mã hai số (ví dụ: 60-40). Số đầu tiên (cào) đề cập đến chiều rộng của các vết trầy xước vi mô so với một tập hợp các vết trầy xước tiêu chuẩn dưới ánh sáng được kiểm soát. Số thứ hai (đào) đề cập đến đường kính của các hố hoặc đào nhỏ trong micron. Một số thấp hơn cho thấy một bề mặt mịn hơn, chất lượng cao hơn. Một đặc điểm kỹ thuật 10-5 được coi là chất lượng rất cao, trong khi 80-50 là tiêu chuẩn hơn cho các ứng dụng ít quan trọng hơn.

3. Độ phẳng bề mặt
Đối với các ứng dụng trong đó biến dạng mặt sóng phải được giảm thiểu hoàn toàn (như trong các hệ thống giao thoa kế hoặc laser công suất cao), độ phẳng của cửa sổ là tối quan trọng. Độ phẳng được đo bằng các phân số của bước sóng (), thường ở mức 632,8nm (bước sóng của laser helium-neon). Độ phẳng λ/10 là cực kỳ chính xác, có nghĩa là bề mặt lệch khỏi độ phẳng hoàn hảo dưới 63 nanomet.

4. Song song
Đối với một cửa sổ tiêu chuẩn, hai bề mặt được mặt đất và được đánh bóng là song song nhất có thể. Thiếu song song sẽ khiến một chùm tia lệch khỏi con đường ban đầu của nó. Điều này được chỉ định bởi độ lệch góc tối đa cho phép trong arcminutes hoặc arcseconds, hoặc bởi sự thay đổi độ dày vật lý trên khẩu độ rõ ràng.

5. Ngưỡng thiệt hại laser
Đối với các cửa sổ được sử dụng trong các hệ thống laser công suất cao, vật liệu phải có khả năng chịu được năng lượng điện từ mạnh mà không bị hư hại. Silica và sapphire hợp nhất thường có ngưỡng thiệt hại rất cao, được đo bằng joules trên mỗi cm vuông (J/cm²).

Cách thực hiện các cửa sổ quang học: Một cái nhìn thoáng qua về quy trình

Việc sản xuất các cửa sổ chính xác liên quan đến một quá trình tỉ mỉ. Nó bắt đầu với việc lựa chọn vật liệu nền thô, được cắt thành một khoảng trống thô. Trống này sau đó được định hình thông qua một quá trình gọi là mài, đưa nó đến kích thước gần cuối cùng và độ dày. Bước quan trọng nhất là đánh bóng, sử dụng các chất mài mòn mịn hơn dần dần để đạt được chất lượng bề mặt, độ phẳng và song song mong muốn. Cuối cùng, các cạnh thường được vát để ngăn chặn sứt mẻ và đảm bảo xử lý an toàn.

Hướng dẫn thực tế để chọn đúng cửa sổ

Chọn cửa sổ quang chính xác là một bài tập trong việc cân bằng các yêu cầu về hiệu suất với ngân sách. Đây là một quá trình lựa chọn hợp lý:

Xác định bước sóng: Bước sóng chính của ứng dụng của bạn là gì? (ví dụ: UV, có thể nhìn thấy hoặc ánh sáng IR?) Điều này sẽ ngay lập tức thu hẹp Vật liệu cơ chất sự lựa chọn.
Đánh giá môi trường: Cửa sổ sẽ phải đối mặt với mài mòn, nhiệt độ khắc nghiệt, văng hóa học hoặc áp suất cao? Cho môi trường khắc nghiệt, độ cứng và thấp Hệ số giãn nở nhiệt Trở nên quan trọng, chỉ vào các vật liệu như sapphire hoặc silica hợp nhất.
Xác định nhu cầu hiệu suất: Hệ thống của bạn có yêu cầu độ trung thực sóng hoàn hảo không? Nếu vậy, bạn cần cao bề mặt phẳng (ví dụ: λ/10 hoặc tốt hơn). Đối với một lớp bảo vệ đơn giản trên một cảm biến, một tiêu chuẩn chất lượng bề mặt Giống như 60-40 có thể là đủ.
Xem xét các mức sức mạnh: Đối với các ứng dụng laser công suất cao, bạn phải xác minh Ngưỡng thiệt hại laser của vật liệu và đảm bảo các bề mặt sạch sẽ và không có khiếm khuyết có thể hấp thụ năng lượng.
Đặt ngân sách: Phù hợp với các lựa chọn tài liệu và đặc điểm kỹ thuật của bạn với các ràng buộc dự án của bạn. Các cửa sổ BK7 tiêu chuẩn với chất lượng 60-40 rất phải chăng, trong khi các cửa sổ sapphire được đánh bóng, lớn/10 đại diện cho một khoản đầu tư đáng kể.

Bằng cách làm việc một cách có hệ thống thông qua các yếu tố này, bạn có thể chỉ định một cửa sổ quang thủy tinh cung cấp hiệu suất dài, đáng tin cậy mà không phải trả tiền cho độ chính xác không cần thiết. Thành phần cơ bản này, mặc dù đơn giản trong khái niệm, là nền tảng của công nghệ quang học hiện đại, cho phép mọi thứ từ khám phá không gian sâu đến máy quét mã vạch hàng ngày.