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AUSWAHLHILFE
Fenster Auswahlhilfe
Edmund Optics® (EO) bietet eine große Auswahl an Fenstern, die für Anwendungen
im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich
geeignet sind. Die Auswahl des geeigneten Fensters ist entscheidend
für den Erfolg der Anwendung. Zu den wichtigsten Aspekten gehören das
Substratmaterial, die Beschichtungsmöglichkeiten sowie die optische
und mechanische Präzision.
Substratmaterial:
Wichtige Faktoren bei der Auswahl eines Fensters sind der Brechungsindex,
die Dispersion und der Transmissionsbereich des Materials.
Der Brechungsindex beschreibt, wie sich das Licht beim Durchgang
durch ein optisches Material verlangsamt. Materialien mit einem niedrigen
Brechungsindex werden allgemein als “Kronglas” bezeichnet und diese
Materialien weisen eine geringere Reflexion ohne Beschichtung auf, als
Materialien mit einem hohen Brechungsindex. Für die meisten Anwendungen
mit Fenstern wird ein niedriger Brechungsindex bevorzugt.
Dispersion beschreibt die Variation des Brechungsindexes in Abhängigkeit
von der Wellenlänge. Sie wird mit der Abbe-Zahl (vd) definiert und mit
den Brechungsindizes bei 486,1 nm (Wasserstoff F-Linie), 587,6 nm (Helium
d-Linie) und 656,3 nm (Wasserstoff C-Linie) gemessen. Eine niedrige
Abbe-Zahl bedeutet eine hohe Dispersion. Für die meisten Anwendungen
mit Fenstern wird eine niedrige Dispersion bevorzugt.
Der Transmissionsbereich beschreibt das nutzbare Spektrum, über das ein
Material eine geringe Absorption aufweist. Während die Transmissionsanforderungen
je nach Anwendung variieren, definiert Edmund Optics® den Transmissionsbereich
typischerweise als den Wellenlängenbereich, über den ein
Material weniger als 25% Absorption aufweist. Für die meisten Anwendungen
mit Fenstern wird ein breiter Transmissionsbereich bevorzugt.
Beschichtungsoptionen:
Wenn Licht durch ein unbeschichtetes Fenster strömt, wird ein Teil des
Lichts aufgrund eines Phänomens namens Fresnel-Reflexion reflektiert.
Je größer der Brechungsindex des Fensters, desto größer ist der Verlust
durch Reflexion. Materialien mit niedrigem Brechungsindex haben im
sichtbaren
Spektrum einen Verlust von ungefähr 8%, während Materialien
mit höherem Index, wie beispielsweise Zinksulfid (ZnS), einen Verlust von
>30% aufweisen. Dieser Verlust kann durch die Wahl der richtigen Antireflexbeschichtung
(AR) minimiert werden. EO bietet 3 Arten von ARBeschichtungen
an - einlagig, Breitband (BBAR) und V-Coat.
Einlagige Beschichtungen sind die einfachsten verfügbaren AR-Beschichtungen.
Eine einzelne dünne Schicht aus einem dielektrischen Material, typ.
Magnesiumfluorid (MgF2), wird auf jeder Seite des Fensters aufgebracht, um
die Fresnel-Reflexion zu reduzieren. Die Dicke wird sorgfältig gewählt, um
die Reflexion bei der Designwellenlänge (meist im Zentrum des sichtbaren
Spektrums, 550 nm) zu reduzieren. Eine einlagige MgF2-Beschichtung kann
die Transmission eines optischen Fensters von ~92% auf ~97% erhöhen
und bietet einen außergewöhnlichen Nutzen bei niedrigen Kosten.
Breitbandige (BBAR) Beschichtungen kombinieren mehrere Schichten
aus mehreren dielektrischen Materialien, um ein hochtransparentes Fenster
über einen breiten Wellenlängenbereich zu gewährleisten. EO bietet
eine große Auswahl an BBAR-Beschichtungen für Anwendungen in den
Bereichen Ultraviolett (UV), Ultraviolett - sichtbar (UV-VIS), sichtbar (VIS),
sichtbar - Nahinfrarot (VIS-NIR), Nahinfrarot (NIR), mittelwelliges Infrarot
(MWIR) und langwelliges Infrarot (LWIR). Diese Beschichtungen können die
Transmission eines optischen Fensters von ~92% auf ~99 % erhöhen und
bieten eine außergewöhnliche Leistung. Sie sind jedoch komplizierter und
teurer als einlagige Beschichtungen und bieten eine wesentlich geringere
Transmission als ein einlagig-beschichtetes oder unbeschichtetes Fenster
bei Wellenlängen außerhalb des Designbereichs der Beschichtung.
AR-Fenster mit V-Coat kombinieren mehrere Lagen aus dielektrischen
Materialien, um eine außergewöhnlich hohe Transmission über einen engen
Wellenlängenbereich zu erreichen. EO bietet eine große Auswahl an V-Coats
für gängige Laserlinien im UV-, VIS- und NIR-Bereich an. Die Beschichtungen
können die Transmission eines optischen Fensters von ~92% auf ~99,5%
erhöhen und bieten eine außergewöhnliche Leistung. Sie sind jedoch komplizierter
und teurer als einlagige Beschichtungen und bieten eine wesentlich
geringere Transmission als ein einlagig-beschichtetes oder unbeschichtetes
Fenster bei Wellenlängen außerhalb des Designbereichs der Beschichtung.
Optische und mechanische Präzision:
Optische Fenster werden häufig als Schutzbarrieren eingesetzt, um Sensoren,
Detektoren oder andere empfindliche Komponenten vor einer externen
Umgebung zu schützen. Die für die Fenster erforderliche Genauigkeit ist
anwendungsspezifisch. Fenster werden z. B. über Oberflächenebenheit, die
Oberflächenqualität sowie die Parallelität des Fensters spezifiziert.
Die Oberflächenebenheit, die manchmal als Oberflächenunregelmäßigkeit
oder transmittierter Wellenfrontfehler bezeichnet wird, ist ein Maß
dafür, wie flach jede der Oberflächen der Fenster ist. Typischerweise
gemessen in “Wellen” relativ zu 632,8 nm, entspricht eine Oberflächenebenheit
von 1/10 der Welle einer Ebenheit von 63,28 nm. Als Faustregel
gilt, dass für Laseranwendungen Fenster mit einer 1/10-Welle oder
besser bevorzugt werden, für Bildgebungsanwendungen Fenster mit einer
¼-Welle oder besser und für Beleuchtungs- oder Detektionsanwendungen
weniger genaue Fenster ausreichen.
Unter Oberflächenqualität versteht man die Bewertung von Oberflächenfehlern
wie Kratzern und Löchern oder Punktdefekten, die während
des Herstellungs- oder Handhabungsprozesses auftreten können. Gemäß
MIL-PRF-13830B wird die Oberflächenqualität durch eine „Scratch”-Nummer,
die für die Kratzer steht, und eine „Dig“-Nummer, die das größte Loch
auf 1/100 Millimeter angibt, beschrieben. In der Praxis sind Defekte bei
Oberflächenqualitäten von 10-5 und 20-10 mit dem Auge nicht zu erkennen
und für Laseranwendungen geeignet. Defekte bei Oberflächenqualitäten
von 40-20 sind mit dem Auge kaum sichtbar und werden oft bei
Bildgebungsanwendungen eingesetzt. Defekte bei Oberflächenqualitäten
von 60-40 oder 80-50 sind mit dem Auge relativ gut sichtbar, aber dennoch
für Beleuchtungs- oder Detektionsanwendungen geeignet.
Die Parallelität ist das Maß für die Abweichung bei der Ausrichtung
der beiden Oberflächen eines optischen Fensters. Fenster, die mittels
beidseitiger Politur hergestellt werden, sind in der Regel hochparallel (<5
Bogensekunden). Fenster, die mit einseitiger Politur hergestellt werden, sind
in der Regel in etwa parallel (<5 Bogenminuten) und nicht-polierte Fenster
(z. B. BOROFLOAT® Borosilikatfenster) weisen eine nicht-spezifizierte Parallelität
auf. Für Bildverarbeitungsanwendungen werden hochparallele Fenster
empfohlen. Niedrigere Parallelitätsniveaus werden typischerweise für Laseranwendungen
empfohlen und eine nicht-spezifizierte Parallelität ist im Allgemeinen
für Beleuchtungs- und Detektionsanwendungen geeignet.
Fenster Auswahlhilfe
Material
empfohlener
Wellenlängenbereich
(nm)
Brechungsindex
(nd)
Abbe-Zahl
(vd)
Dichte
(g/cm3)
thermischer
Ausdehnungskoeffizient
(μm/m °C)
Schmelztemperatur
(˚C)
Knoop-
Härte
Größe (mm) Dicke (mm) Seite
UV-Quarzglas 200 - 2200 1,458 67,8 2,20 0,55 1000 500 5 - 150 mm 1,0 - 8,0 mm 113-114, 119-120
IR-Quarzglas 200 - 3500 1,459 67,8 2,20 0,52 1627 522 12,7 - 50,8 mm 1,0 mm 114
Suprasil® 300 200 - 3500 1,459 67,8 2,20 0,51 1600 591 5 - 50 mm 1,0 - 3,0 mm 114
N-BK7 350 - 2200 1,517 64,2 2,46 7,1 557 610 5 - 150 mm 0,2 - 10,0 mm 115, 119
B270 350 - 2000 1,523 58,5 2,55 8,2 533 542 5 - 200 mm 1,0 - 4,0 mm 116
BOROFLOAT® 350 - 2000 1,472 65,7 2,20 3,25 820 480 5 - 200 mm 1,1 - 6,5 mm 117
Gorilla® Glas 350 - 2200 1,509 N/A 2,44 9,1 843 5100 5 - 500 x 500 mm 1,1 mm 117
Saphir 200 - 5500 1,768 72,2 3,97 5,3 2000 2200 1 - 100 mm 0,4 - 3,2 mm 121,126
Germanium (Ge) 2000 - 14000 4,003 N/A 5,33 6,1 936 780 10 - 127 mm 1,0 - 5,0 mm 122-123
Zinkselenid (ZnSe) 600 - 18000 2,403 N/A 5,27 7,1 250 120 10 - 75 mm 1,0 - 6,0 mm 123
Kaliumbromid (KBr) 250 - 26000 1,527 33,6 2,75 43 730 7 13 - 50 mm 1,0 - 5,0 mm 124
Silizium (Si) 1200 - 7000 3,422 N/A 2,33 2,55 1500 1150 10 - 50 mm 1,0 - 3,0 mm 124
Natriumchlorid (NaCl) 250 - 16000 1,491 42,9 2,17 44 801 18,2 13 - 50 mm 1,0 - 5,0 mm 124
Zinksulfid (ZnS) 400 - 12000 2,631 N/A 5,27 7,6 1525 120 12,5 - 50 mm 2,0 - 4,0 mm 124
Magnesiumfluorid (MgF2) 120 - 7000 1,413 106,2 3,18 13,7 1255 415 5 - 50,8 mm 1,0 - 3,0 mm 125
Bariumfluorid (BaF2) 200 - 14000 1,475 81,6 4,89 18,1 800 82 5 - 50,8 mm 1,0 - 3,0 mm 125
Kalziumfluorid (CaF2) 200 - 7000 1,434 95,1 3,18 18,85 800 158,3 5 - 125 mm 1,0 - 6,0 mm 125