Optisches Saphirglas vs. Quarzglas: So wählen Sie das richtige aus

Drei Materialien, eine Entscheidung

Wählen Sie das falsche optische Fenster und die Folgen zeigen sich schnell – verschlechtertes Signal, fehlerhafte Beschichtungen oder eine Komponente, die unter thermischer Belastung nach ein paar hundert Stunden bricht. Bei der Materialfrage gibt es fast immer drei Kandidaten: Saphir, Glas (typischerweise BK7 oder Borosilikat) und Quarz (Quarzglas). Jeder löst ein anderes Problem. Wissen, welches löst deins ist die eigentliche Herausforderung.

Optisches Saphirfenster: Gebaut für Extreme

Saphir ist einkristallines Aluminiumoxid (Al₂O₃). Auf der Mohs-Skala erreicht es den Wert 9 und liegt damit nach Diamant an zweiter Stelle, was bedeutet, dass eine Oberflächenschädigung durch Abrieb oder Partikeleinwirkung selten ein Problem darstellt. Seine Druckfestigkeit erreicht 3,2 GPa Die Transmission erstreckt sich über etwa 150 nm bis 5,5 μm und deckt UV bis mittleres Infrarot in einem einzigen Substrat ab.

Dieser breite Spektralbereich ist bei Lasersystemen mit mehreren Wellenlängen und in der Wärmebildtechnik von Bedeutung, bei denen Sie ein Fenster benötigen, um über mehrere Bänder hinweg arbeiten zu können. Saphir leitet außerdem Wärme gut (ungefähr 35 W/m·K bei Raumtemperatur), so dass es bei starker Beleuchtung nicht zu Hot Spots kommt, wie es bei Glas der Fall ist. Hinzu kommt die chemische Inertheit gegenüber den meisten Säuren und Laugen, und Sie haben ein Material, das sich in rauen Umgebungen wirklich bewährt: Tiefseeinstrumente, Sichtfenster in der Luft- und Raumfahrt, Hochleistungslasergehäuse und Verteidigungsoptiken.

Der Kompromiss besteht zwischen Kosten und Bearbeitbarkeit. Saphir ist schwieriger zu schleifen und zu polieren als Glas oder Quarz, was kundenspezifische Formen teurer macht. Bei Anwendungen, bei denen der Preis ein Hauptkriterium ist und die Umweltbelastung gering ist, wird er häufig überspezifiziert.

Changzhou Haolilai produziert kundenspezifische optische Saphirfenstersubstrate Einhaltung strenger Parallelitäts- und Oberflächenqualitätsspezifikationen und unterstützt Anwendungen in den Bereichen Laseroptik, Halbleiter und Unterhaltungselektronik.

Optisches Glasfenster: Der praktische Standard

BK7-Borosilikatglas ist nicht ohne Grund das standardmäßige optische Material. Es ist kostengünstig, einfach mit hohen Toleranzen herzustellen und funktioniert zuverlässig im gesamten sichtbaren Spektrum (ca. 380–2000 nm). Eine Oberflächenqualität von 20-10 Scratch-Dig ist routinemäßig im Maßstab erreichbar und Standard-AR-Beschichtungen haften gut darauf.

Wo Glas zu kurz kommt, liegt an den Extremen. Die Mohs-Härte liegt bei etwa 6, sodass Oberflächen in abrasiven Umgebungen leichter zerkratzen. Die Temperaturwechselbeständigkeit ist mäßig – schnelle Temperaturschwankungen können zu Spannungsbrüchen führen. Für Anwendungen, die im sichtbaren Bereich bleiben und in kontrollierten Umgebungen betrieben werden – Laboreinrichtungen, Bildgebungssysteme, Bildverarbeitungs- und Inspektionsgeräte – bieten optische Glasfenster ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis ohne den Kostenaufschlag von Saphir oder Quarz.

Oberflächenebenheit, Antireflexionsbeschichtungen und genaue Parallelität sind die Parameter, die bei der Bestellung von Glasfenstern sorgfältig spezifiziert werden sollten. Ein schlecht parallelisiertes Fenster führt zu Wellenfrontfehlern, die keine nachgeschaltete Optik vollständig korrigieren kann.

Optisches Quarzfenster: Der UV- und Präzisionsspezialist

Quarzglas (Fused Silica, SiO₂) besetzt eine spezifische Nische, die weder Glas noch Saphir füllen kann: UV-Transparenz bis etwa 150–180 nm, kombiniert mit einem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE ≈ 0,55 × 10⁻⁶/°C). Diese Wärmeausdehnung nahe Null macht Quarzfenster bei schwankenden Temperaturen formstabil – eine entscheidende Eigenschaft in der Halbleiterlithographie, Spektroskopie und Präzisionsmesstechnik, wo selbst Verformungen im Mikrometerbereich zu Messfehlern führen.

Quarz verträgt in vielen Konfigurationen auch schnelle Temperaturwechsel besser als Glas oder sogar Saphir, da sein niedriger WAK die inneren Spannungen begrenzt, die bei schnellen Temperaturänderungen entstehen. Für UV-Lasersysteme – gängige Beispiele sind Excimerlaser bei 248 nm oder 193 nm – ist Quarz typischerweise das einzig brauchbare Fenstermaterial.

Die Einschränkung im Vergleich zu Saphir ist mechanischer Natur. Quarz ist härter als BK7 (Mohs ≈ 7), gehört aber nicht zur gleichen Kategorie wie Saphir. In Umgebungen mit hohem Abrieb oder hohem Druck ist es nicht die erste Wahl.

Side-by-Side: Die wichtigsten Parameter auf einen Blick

So wählen Sie: Ein Entscheidungsrahmen

Beginnen Sie mit der Betriebswellenlänge. Wenn Ihr System im UV-Bereich unter 380 nm läuft, ist Quarz normalerweise die Lösung. Wenn es UV- bis mittlere IR-Strahlung abdeckt – was bei Multisensor-Verteidigungs- oder Forschungsplattformen üblich ist –, ist die breite Transmission von Saphir kaum zu übertreffen. Für rein sichtbare Systeme in sauberen, stabilen Umgebungen ist Glas fast immer die kostengünstigste Wahl.

Bewerten Sie als Nächstes die mechanische Umgebung. Ist das Fenster Abrieb, hohen Druckunterschieden oder Partikeleinwirkungen ausgesetzt? Saphir. Temperaturwechsel in einer Vakuumkammer oder Halbleiterfabrik? Quarz. Tisch-Laborgerät mit kontrollierten Bedingungen? Glas.

Berücksichtigen Sie abschließend die Anforderungen an die Beschichtung. Alle drei Materialien akzeptieren Standard-AR-Beschichtungen, jedoch unterscheiden sich Haftung und Haltbarkeit. Auf Saphir haften Beschichtungen aufgrund der Oberflächenhärte besonders gut. Auf BK7-Glas funktionieren Standard-Sol-Gel- und Sputterbeschichtungen zuverlässig und kostengünstiger. Quarz erfordert aufgrund seiner sehr geringen Oberflächenenergie eine sorgfältige Prozesskontrolle, dafür sind jedoch leistungsstarke UV-Beschichtungen etabliert.

Für kundenspezifische Geometrien – nicht standardmäßige Durchmesser, abgeschrägte Kanten, spezifische Parallelitätstoleranzen – arbeiten Sie mit einem erfahrenen Fachmann zusammen Hersteller optischer Fenster Wer mit allen drei Materialien umgeht, spart erhebliche Iterationszeit. Der richtige Lieferant kann Sie zum Materialaustausch beraten, wenn eine Option das Budget übersteigt oder für die Anwendung zu spezifiziert ist.

Das Fazit

Optische Fenster aus Saphir, Glas und Quarz sind jeweils hervorragend – im richtigen Kontext. Saphir bietet unübertroffene Haltbarkeit und Spektralbreite. Quarz besitzt den Bereich UV- und präzise thermische Stabilität. Glas bleibt das Arbeitstier für Anwendungen im sichtbaren Bereich, bei denen es auf das Budget ankommt. Definieren Sie zunächst Ihren Wellenlängenbereich, Ihre mechanischen Anforderungen und Ihre Betriebsumgebung, und die Materialauswahl wird in der Regel unkompliziert.