Mikä on lasin optinen ikkuna? Ominaisuudet, käytöt ja valintaopas

Optiikan ja fotoniikan maailmassa, jossa monimutkaiset linssien, peilien ja laserien järjestelmät manipuloivat valoa, on yllättävän perustavanlaatuinen komponentti, joka on kriittinen menestykselle: optinen ikkuna . Usein huomiotta jätetty, nöyrä lasin optinen ikkuna on työhevonen, joka toimii läpinäkyvänä esteenä, joka suojaa arkaluontoisia instrumentteja, erottaa ympäristöt ja välittää valoa pienellä vääristymisellä. Ymmärtäminen, mitä he ovat, miten he toimivat ja kuinka valita oikea on välttämätöntä insinööreille, suunnittelijoille ja harrastajille.

Tämä artikkeli demystify lasi -optiset ikkunat siirtymällä peruskonseptin ulkopuolelle tutkiakseen avainominaisuuksia, jotka määrittelevät niiden suorituskyvyn, ja käytännön näkökohdat sovellukseesi oikean valitsemiseksi.

Yksinkertaisen lasin ulkopuolella: optisen ikkunan ydintoiminto

Yksinkertaisimmin optinen ikkuna on litteä, yleensä tasolasi, lasipala, joka on suunniteltu sallimaan valon läpikäyminen minimaalisen vaikutuksen avulla optiseen polkuun. Toisin kuin linssi, sen tarkoituksena ei ole keskittyä tai poikkeaa kevyitä säteitä. Sen ensisijaiset työpaikat ovat:

1. Ympäristönsuojelu: Optisen järjestelmän tiivistäminen pölystä, kosteudesta, kemikaaleista tai paine -eroista. Esimerkiksi ikkuna suojaa antureita ja linssejä sukellusvenekameran tai tieteellisen tyhjiökammion sisällä.
2. Palkin käyttö: Tarjoaa fyysisen portin valon päästäksesi tai poistumaan järjestelmästä. Tämä on yleistä laser -onteloissa ja spektroskooppisissa instrumenteissa.
3. Spektrin erottaminen: Käyttämällä tietystä materiaalista valmistetun ikkunan suodattamiseksi tai vain tietyn valon aallonpituuksien läpikäynnin läpi.

Koska heidän tehtävänsä on olla "näkymätön" järjestelmään, niiden laatua arvioidaan sen mukaan, kuinka vähän he muuttavat heidän läpi kulkevaa valoa.

Keskeiset ominaisuudet, jotka määrittelevät suorituskyvyn

Kaikkia lasia ei luota tasa -arvoisesti. Ja optinen asunto määritetään useiden kriittisten materiaalien ominaisuuksien ja fysikaalisten ominaisuuksien perusteella.

1. Substraattimateriaali:
Käytetyn lasin tyyppi, joka tunnetaan nimellä substraattimateriaali , on tärkein valinta. Jokaisella materiaalilla on ainutlaatuinen lähetysalue —Kavalaspektri, jonka se mahdollistaa läpi.

• Borosilikaattilasi (esim. BK7): Hyvin yleinen ja taloudellinen valinta. Se tarjoaa erinomaisen voimansiirron näkyvästä lähi-infrapunaspektriin (noin 350 nm 2000 nm). Se tunnetaan hyvästä kemiallisesta stabiilisuudestaan ​​ja alhaisesta lämmönlaajennuskertoimesta, mikä tekee siitä vastustuskyvyn lämpöiskulle.
• Sulatettu piidioksidi: Korkea, synteettinen amorfinen piisidioksidi. Siinä on erittäin leveä voimansiirto syvästä ultravioletista (DUV) lähi-infrapunaan (noin 180 nm-2500 nm). Sillä on poikkeuksellisen alhainen Lämpölaajennuskerroin , mikä tekee siitä ihanteellisen sovelluksille, joilla on suuret lämpötilan vaihtelut ja erinomainen laservauriokynnys.
• Safiiri: Vaikka sitä ei ole lasi, mutta yksi kristalli, sitä käytetään usein äärimmäisissä ikkunoiden sovelluksissa. Se on toiseksi vain timantti kovuudessa, joten se on melkein naarmuuntunut. Se välittää UV: stä keskitason infrapunaan (noin 150–5000 nm) ja sillä on erinomainen lämmönjohtavuus ja kemiallinen vastus.

2. pinnan laatu ja naarmuuntuminen
Tämä erittely määrittelee sallitut puutteet ikkunan pinnalla. Se määritetään kahden numeron koodilla (esim. 60-40). Ensimmäinen numero (naarmu) viittaa mikroskooppisten naarmujen leveyteen verrattuna tavanomaisten naarmujen joukkoon ohjattavan valaistuksen alla. Toinen numero (DIG) viittaa pienten kaivojen tai kaivojen halkaisijaan mikronina. Pienempi luku osoittaa tasaisemman, korkealaatuisemman pinnan. 10-5-määritelmää pidetään erittäin korkealaatuisena, kun taas 80-50 on vakiona vähemmän kriittisissä sovelluksissa.

3. Pinnan tasaisuus
Sovelluksissa, joissa aaltofrontin vääristymät on ehdottomasti minimoitava (kuten interferometriassa tai suuritehoisissa laserjärjestelmissä), ikkunan tasaisuus on ensiarvoisen tärkeää. Tasaisuus mitataan aallonpituuden (λ) fraktioina, tyypillisesti 632,8 nm: ssä (helium-neon-laserin aallonpituus). Λ/10 tasaisuus on erittäin tarkka, mikä tarkoittaa, että pinta poikkeaa täydellisestä tasaisuudesta alle 63 nanometriä.

4. rinnakkaisuus
Tavallisessa ikkunassa kaksi pintaa jauhetaan ja kiillotetaan mahdollisimman yhdensuuntaiseksi. Rinnakkaisuuden puute aiheuttaa säteen poikkeamisen alkuperäisestä polusta. Tämä määritetään enimmäismäärällä varustetulla kulmapoikkeamalla arcminuteissa tai kaarisekunnissa tai selkeän aukon fyysisen paksuuden vaihtelun avulla.

5. Laservauriokynnys
Suuretehoisissa laserjärjestelmissä käytettyjen ikkunoiden osalta materiaalin on kyettävä kestämään voimakasta sähkömagneettista energiaa vaurioitumatta. Sulatetulla piidioksidilla ja safiirilla on tyypillisesti erittäin suuria vauriokynnyksiä, jotka mitataan jouleina neliö senttimetriä kohti (J/cm²).

Kuinka optiset ikkunat tehdään: välähdys prosessiin

Tarkkuusikkunoiden valmistus sisältää huolellisen prosessin. Se alkaa raa'an substraattimateriaalin valinnasta, joka leikataan karkeaksi tyhjäksi. Tämä aihiomuotoilu on sitten muotoiltu hiontaprosessin kautta, joka vie sen lähitulevaisuuteen ja paksuuteen. Kriittisin vaihe on kiillotus, käyttämällä asteittain hienompia hioma -aineita halutun pinnan laadun, tasaisuuden ja rinnakkaisuuden saavuttamiseksi. Lopuksi, reunat on usein viistetty hakkeroinnin estämiseksi ja turvallisen käsittelyn varmistamiseksi.

Käytännöllinen opas oikean ikkunan valitsemiseen

Oikean optisen ikkunan valitseminen on harjoitus suorituskykyvaatimusten tasapainottamisessa budjetissa. Tässä on looginen valintaprosessi:

1. Määritä aallonpituus: Mikä on sovelluksesi ensisijainen aallonpituus? (esim. UV, näkyvä tai IR -valo?) Tämä kaventaa heti substraattimateriaali valinnat.
2. Arvioi ympäristö: Kohtuuko ikkuna kulutus, äärimmäiset lämpötilat, kemialliset roiskeet vai korkeapaine? Ankarille ympäristöille, kovuus ja matala Lämpölaajennuskerroin Tule kriittisiksi, osoittaen materiaaleja, kuten safiiri tai sulatettu piidioksidi.
3. Määritä suorituskykytarpeet: Tarvitseeko järjestelmäsi täydellistä aaltofrontin uskollisuutta? Jos niin, tarvitset korkeaa pinnan tasaisuus (esim. λ/10 tai parempi). Yksinkertainen suojakansi anturin yli, standardi pinnan laatu Kuten 60-40, voi olla riittävä.
4. Harkitse tehotasoja: Suuritehoisissa lasersovelluksissa sinun on vahvistettava laservauriokynnys materiaalista ja varmista, että pinnat ovat puhtaita ja vailla virheitä, jotka voisivat absorboida energiaa.
5. Aseta budjetti: Yhdistä materiaali- ja eritelmävalintasi projektin rajoituksiin. Tavalliset BK7-ikkunat, joissa on 60-40 laatua, ovat erittäin edullisia, kun taas suuret λ/10 kiillotetut safiiri-ikkunat edustavat merkittävää sijoitusta.

Työskentelemällä systemaattisesti näiden tekijöiden läpi, voit määrittää lasin optisen ikkunan, joka tarjoaa luotettavan, pitkäaikaisen suorituskyvyn maksamatta tarpeetonta tarkkuutta. Tämä peruskomponentti, vaikka se on yksinkertainen konsepti, on nykyaikaisen optisen tekniikan kulmakivi, joka mahdollistaa kaiken syvän avaruuden etsinnästä päivittäisiin viivakoodin skannereihin.