Оптические окна и диапазоны прозрачности материалов

Содержание

Оптическое окно — плоскопараллельная пластина из прозрачного материала, которая пропускает излучение в заданном спектральном диапазоне и разделяет две среды, не внося оптической силы. Диапазоном прозрачности называют интервал длин волн с приемлемыми потерями: коротковолновая граница задана краем электронного (межзонного) поглощения, длинноволновая многофононным решёточным. Первое понятие описывает изделие, второе — свойство вещества, из которого оптическое окно изготовлено.

Отличие оптического окна от линзы измеримо: обе поверхности плоские и параллельны, поэтому пучок не собирается и не расходится. Марки кварцевого оптического стекла нормирует ГОСТ 15130-86, класс чистоты поверхности — ГОСТ 11141-84.

Границы прозрачности разводят материалы по задачам. Кварцевое стекло КУ-1 работает в 170-2500 нм, CaF₂ в 130 нм – 11 мкм, германий в 1.8-23 мкм. Показатель преломления определяет потери на френелевское отражение: непокрытое кварцевое окно (n = 1.46) пропускает 93 %, непокрытое германиевое (n = 4.0) только 47 %.

Три «окна прозрачности»

Одним термином в русскоязычной технической литературе обозначают три несовпадающих понятия, и подмена одного другим приводит к грубым ошибкам при выборе материала оптического окна:

• Окно прозрачности материала — интервал длин волн, где вещество пропускает излучение с приемлемыми потерями. У ZnSe это 0.5-22 мкм, у германия 1.8-23 мкм, у кварцевого стекла марки КВ — 260-3500 нм.
• Окна прозрачности атмосферы — участки спектра, где поглощение водяным паром и CO₂ минимально: 3-5 мкм (MWIR) и 8-14 мкм (LWIR). Между этими участками H₂O и CO₂ гасят сигнал.
• Окно прозрачности оптического волокна — диапазоны минимального затухания в кварцевом световоде: 850, 1310 и 1550 нм, дополнительно 1400 и 1580 нм. После устранения OH-пика второе и третье окна слились в непрерывный участок 1300-1600 нм, а L-диапазон сдвинул границу DWDM до 1620 нм.

Первые два значения связаны напрямую: материал оптического окна тепловизора подбирают под атмосферное окно, а не наоборот. Аппаратура MWIR регистрирует объекты горячее 500 °C, LWIR попадает на максимум излучения тел при обычных температурах; фотонные детекторы обоих каналов требуют охлаждения до 80-150 K, микроболометры обходятся без него. Кварцевое стекло КВ обрывается на 3500 нм, отсюда ZnSe и германий в тепловизионной оптике.

Дальше термин используется в первом значении, с привязкой ко второму.

Где применяются оптические окна

Материал окна подбирают под задачу: лазерная оптика, тепловизионные объективы, спектрофотометрия, смотровые окна КИПиА.

Выбор оптического окна начинается с длины волны рабочего излучения: от неё зависят и материал, и допустимая температура на границе сред. CO₂-лазер на 10.6 мкм требует селенида цинка, кварцевое стекло на этой длине волны непрозрачно. Nd:YAG на 1064 и 532 нм закрывают марки КВ, КИ и К8, эксимерные ArF на 193 нм и KrF на 248 нм — КУ-1 с границей 170 нм, фторид кальция и фторид магния.

Пять типовых задач и материалы для оптических окон под них:

• Лазерная техника — вывод излучения и защита резонатора: 10.6 мкм → ZnSe, GaAs, Ge; 1064 и 532 нм → КВ, К8; 193 нм → КУ-1, CaF₂, MgF₂.
• Тепловидение и пирометрия — защитное окно ИК-диапазона перед объективом: 8-14 мкм → Ge, ZnSe; 3-5 мкм для объектов горячее 500 °C.
• Спектрофотометрия и FTIR — окна кювет и элементы ATR: 170-2500 нм → КУ-1; средний ИК → ZnSe.
• Вакуумные и высокотемпературные камеры — смотровое окно на границе сред: до 1200 °C → кварцевое стекло; до 1800 °C → лейкосапфир Al₂O₃ (150 нм — 5.5 мкм).
• КИПиА в энергетике и нефтегазе — бесконтактный контроль температуры: 8-14 мкм → Ge (1.8-23 мкм). Германиевое окно выносят из зоны нагрева, его рабочий потолок 100 °C.

Тепловизионный сценарий с расчётом пропускания и требованиями к покрытиям разобран в материале про защитные окна для тепловизоров и пирометров.

Сводная таблица диапазонов прозрачности оптических материалов

Спектральный диапазон пропускания 13 материалов от глубокого УФ (130 нм) до дальнего ИК (25 мкм) с окнами прозрачности атмосферы MWIR (3–5 мкм) и LWIR (8–14 мкм).

Диапазон пропускания оптических материалов в таблице приведён для типовой толщины образца без просветляющего покрытия, по уровню пропускания порядка 10 %. С ростом толщины оба края сужаются: пластина CaF₂ толщиной 10 мм отрезает длинноволновую границу раньше, чем оптическое окно 2 мм. Реальное пропускание всегда ниже табличного: на каждой поверхности за счёт френелевского отражения теряется от 3.5 % (кварцевое стекло) до 36 % (германий).

Выше 50 мкм спектральный диапазон пропускания перекрывает z-срезанный кристаллический кварц, один из лучших материалов терагерцовой области: он прозрачен в видимом свете и сохраняет линейную поляризацию пучка. Оптические окна для среднего и дальнего ИК (ZnSe, Ge, Si, галогениды щелочных металлов) разобраны подробно в отдельном гиде по оптическим материалам для ИК-диапазона.

Чем заданы границы диапазона и почему у КУ-1 есть провалы в ИК

Коротковолновая граница любого оптического окна упирается в край межзонного поглощения: как только энергия фотона превышает ширину запрещённой зоны, излучение уходит на переброс электронов в зону проводимости. С длинноволновой стороны работает многофононное решёточное поглощение: частота излучения попадает в резонанс с колебаниями решётки или сетки стекла, и энергия рассеивается в тепло.

Между этими краями область прозрачна далеко не равномерно. Пример — марка КУ-1 с паспортным диапазоном 170-2500 нм. Водородно-кислородный синтез даёт стекло без полос поглощения 170-250 нм, что открывает глубокий УФ, но оставляет в сетке связанные OH-группы.

Их обертоны и составные колебания формируют полосы поглощения 2100-2300 и 2600-2800 нм. Оптическое окно КУ-1 в ближнем ИК прерывается дважды, поэтому под 2 мкм берут КВ или КИ с диапазоном 260-3500 нм. У КУ-2 полоса 170-250 нм слабая, а полоса 2600-2800 нм присутствует.

ГОСТ 15130-86 ограничивает показатель поглощения в видимой области значением не более 0.005 см⁻¹. Для сравнения, ZnSe на 10.6 мкм даёт 0.0005 см⁻¹, минимум среди распространённых ИК-материалов.

Границы диапазона прозрачности из паспорта не описывают форму кривой внутри интервала. Рабочую длину волны проверяют по спектру конкретной марки.

Френелевские потери и просветление

Пропускание непокрытой пластины T = 2n/(n²+1): чем выше показатель преломления материала, тем больше теряется на отражении до входа в материал.

Часть потока отражается на границе воздух–материал ещё до входа в оптическое окно, и доля отражённого растёт вместе с показателем преломления. У кварцевого стекла на одной поверхности теряется 3.5 %, у германия 36 %. Механизм не связан ни с поглощением, ни с рассеянием: это скачок оптического импеданса на границе сред.

Отражение на одной границе при нормальном падении:

R = ((n − 1) / (n + 1))²

Пропускание непоглощающей пластины с двумя рабочими поверхностями:

T = 2n / (n² + 1)

Здесь n — показатель преломления материала, учтены обе границы и многократные внутренние переотражения, поглощение в объёме принято нулевым.

Начиная с n ≈ 2 просветляющее покрытие становится условием работоспособности узла. Непокрытый ZnSe теряет на двух поверхностях 29 % при 10.6 мкм, AR-покрытие сводит суммарные потери к 1-2 %. Широкополосное просветление BBAR поднимает коэффициент пропускания подложки с 47-70 % до 85-95 %.

Для кремния и германия плёнка ZnS даёт отражение в минимуме не выше 0.5 %, а алмазоподобное покрытие из твёрдого углерода (n 2.0) работает на германии и как просветление, и как защита от абразива. Устройство и типы просветляющих покрытий разобраны в отдельном материале про просветление оптики.

Температурные и средовые ограничения, деградация окна

Температурный потолок отсекает кандидатов раньше спектра: германий теряет прозрачность в LWIR выше 100 °C, потому что термическое возбуждение поднимает поглощение свободными носителями. Оптическое окно остаётся в оправе, но перестаёт работать.

Рабочие потолки материалов для оптических окон:

• Ge — до 100 °C; ZnSe и ZnS — до 250 °C; Si — до 300 °C
• К8 и боросиликатное стекло — до 500 °C
• CaF₂ — до 600 °C
• кварцевое стекло — до 1200 °C
• лейкосапфир Al₂O₃ — до 1800 °C

Среда отсекает следующую группу. KBr (0.25-25 мкм) и NaCl (0.2-16 мкм) перекрывают самые широкие диапазоны, но оба гигроскопичны: поверхность мутнеет от влаги, поэтому оптические окна из них ставят только в осушенный объём или вакуумную камеру.

Селенид цинка мягок и плохо держит царапину: в запылённой или абразивной среде его меняют на сапфир, более узкий диапазон в обмен на твёрдость поверхности.

Оптическое окно деградирует и без механики. Соляризация кварцевого стекла при длительной работе в УФ наводит центры окраски и поднимает поглощение в коротковолновой части. Лучевое повреждение задаёт отдельный порог, который считают по паспортному LIDT материала и покрытия.

Марки кварцевого стекла и классификация материалов окон

От кварцевого стекла КУ-1 до фторидов и халькогенидов — материал выбирают под рабочую длину волны и температуру эксплуатации.

ГОСТ 15130-86 разделяет кварцевое оптическое стекло на марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, КУВИ и КУВ, задаёт 6 категорий оптической однородности и 2 категории люминесценции. Оптическое окно из кварцевого стекла выбирают по марке: она определяет не только границы прозрачности, но и поведение материала под пучком — полосы поглощения, свечение под возбуждением, устойчивость к дозе.

• КУ-1 → 170-2500 нм, n 1.46 → глубокий УФ и эксимерные лазеры. Полос поглощения в области 170-250 нм нет, стекло нелюминесцирующее и радиационно-оптически устойчивое. Оптическое окно КУ-1 держит рабочую температуру до 1200 °C.
• КУ-2 → 200-2500 нм, до 1200 °C → УФ и видимая область там, где слабая полоса поглощения 170-250 нм не мешает измерению.
• КВ → 260-3500 нм, до 1200 °C → ближний ИК, излучение 1064 нм, телекоммуникационные 1.5-1.6 мкм.
• КИ → 260-3500 нм с улучшенным пропусканием в ИК, до 1200 °C → те же задачи при повышенных требованиях к длинноволновому краю.

За пределами кварца выбор идёт по краю диапазона. Фториды берут под вакуумный УФ: LiF и MgF₂ держат самый коротковолновый край, CaF₂ и BaF₂ перекрывают от УФ до среднего ИК. Халькогениды ZnSe и ZnS ставят на 10.6 мкм, полупроводники Si и Ge закрывают тепловидение, лейкосапфир Al₂O₃ остаётся единственным вариантом при 1800 °C и абразивной среде.

Для видимой области при отсутствии УФ-требований достаточно К8. Каталог Кварц-Пром включает более 15 оптических материалов; подробный разбор марок кварцевого стекла и полные характеристики КУ-1 вынесены в отдельные материалы.

Размеры, допуски и обозначения на чертеже оптического окна

Расшифровка строки чертежа: N — общая ошибка формы, ΔN — местная ошибка, P — класс чистоты, θ — клиновидность, по ГОСТ 2.412-81.

Строка параметров на чертеже плоскопараллельной пластины по ГОСТ 2.412-81 читается тремя блоками: материал и габариты, точность формы поверхностей, чистота и покрытие. Четыре обозначения определяют, попадёт ли изготовленное оптическое окно в расчётную схему.

• N — общая ошибка формы поверхности, число интерференционных колец при контроле по пробному стеклу; растущее N смещает волновой фронт и уводит фокус собранного узла.
• ΔN — местная ошибка формы, тоже в кольцах, отвечает за локальные искажения на отдельных зонах светового поля.
• P — класс чистоты поверхности по ГОСТ 11141-84, нормирует допустимые царапины и точки, от него зависит рассеяние на детали и её стойкость к лазерному потоку.
• θ — клиновидность (пирамидальность) в угловых минутах и секундах, задаёт угловое отклонение проходящего пучка.

Рядом в таблице стоят κ, δ, e, f′min, ΔR; их заполняют, когда деталь входит в расчётный объектив.

Типовая спецификация оптических окон, которые мы изготавливаем: марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ; диаметр до 300 мм; толщина 1-30 мм; класс чистоты поверхности P IV; допуск на размеры ±0.1 мм; клиновидность Q < 5′; параллельность граней ≤ 30″ (до 5″ по запросу); плоскостность N 3-5 (до N = 1 по запросу); чистота S/D до 20/10 для лазерных применений; световой диаметр 90 % (80 % для деталей менее 20 мм); фаска (0.2-0.5) мм × 45°; формы круглые и прямоугольные по чертежу.

Отраслевой ориентир для прецизионных задач жёстче: N/ΔN 0.5/0.1 wave при 633 нм, параллельность 2″, допуски на диаметр и толщину до 0.01 мм.

По опыту изготовления по чертежам заказчика расчёт чаще всего останавливают три отсутствующих пункта: рабочая длина волны или диапазон, среда и температура эксплуатации, требование к просветлению с указанием длины волны.

Что указать в ТЗ:

1. Рабочая длина волны или диапазон
2. Требуемое пропускание в рабочей точке
3. Диаметр (или габарит) с допуском
4. Толщина с допуском
5. Плоскостность N и местная ошибка ΔN
6. Класс чистоты P по ГОСТ 11141-84 или запись scratch/dig по MIL-PRF-13830B, например 20/10
7. Клиновидность θ и параллельность граней
8. Световой диаметр
9. Фаска
10. Материал или марка стекла
11. Среда и температура эксплуатации, наличие просветляющего покрытия и его рабочий диапазон

Нормативная база ГОСТов на оптические окна

Опорный документ для кварцевых заготовок — ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое». Он закрепляет марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, КУВИ, КУВ и допускает заготовки-диски и прямоугольные пластины диаметром или диагональю не более 1200 мм.

Показатель поглощения в видимой области ограничен значением 0.005 см⁻¹ и контролируется на одном образце от каждой плавки.

Класс чистоты поверхности задаёт ГОСТ 11141-84 «Детали оптические. Классы чистоты поверхностей. Методы контроля».

Классов четырнадцать: 0-10, 0-20, 0-40 и I…IXa, а критерий — допускаемые размеры, число и расположение царапин и точек в зоне светового диаметра при шероховатости Rz не более 0.1 мкм по ГОСТ 2789-73. Глубину дефектов стандарт не нормирует, а класс конкретного оптического окна проставляют в чертеже по ГОСТ 2.412-81.

ГОСТ 2.412-81 «ЕСКД. Правила выполнения чертежей и схем оптических изделий» описывает таблицу параметров из трёх частей и вводит буквенные обозначения N, ΔN, P, θ, κ, δ, e, f′min, ΔR, которыми оптические окна описываются в конструкторской документации.

Сопутствующие документы:

• ГОСТ 23136-93 — Материалы оптические. Параметры — общая номенклатура нормируемых характеристик
• ГОСТ 3514-94 — Стекло оптическое бесцветное. Технические условия — требования к марочному стеклу
• ГОСТ 13659-78 — Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики — справочные данные по маркам
• ГОСТ 2789-73 — Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики — база для параметра Rz
• ГОСТ 3519-91 — Материалы оптические. Метод определения двулучепреломления
• ГОСТ 3520-92 — Материалы оптические. Метод определения показателей ослабления
• ОСТ 3-1901-95 — Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля
• MIL-PRF-13830B — американский стандарт, задаёт запись чистоты в формате scratch/dig, например 20/10

Подробный разбор ГОСТов на оптические детали, правил оформления чертежей и соответствия классов чистоты вынесен в отдельный материал.

Как изготавливают и обрабатывают оптическое окно

1. Подбор материала и заготовки — марку и толщину выбирают под требуемый спектральный диапазон.
2. Резка и предварительная механическая обработка — габариты с припуском под последующие операции.
3. Шлифовка рабочих поверхностей — снятие нарушенного слоя после резки, выход на геометрию плоскопараллельной пластины.
4. Полировка — доведение обеих поверхностей до заданных значений N и ΔN.
5. Снятие фаски — (0.2-0.5) мм × 45° по кромкам, чтобы исключить сколы при монтаже.
6. Контроль геометрии — плоскостность, параллельность граней, класс чистоты в зоне светового диаметра и допуски на размеры по спецификации выше.
7. Нанесение покрытия AR или BBAR при необходимости и входной контроль партии.

Жёсткая посадка в оправе портит оптику быстрее, чем царапина на поверхности: напряжения от зажима меняют форму волнового фронта и вызывают двулучепреломление (метод определения задан ГОСТ 3519-91). Крепление делают компенсирующим — упругие прокладки, кольца, точечные прижимы.

Если оптическое окно разделяет среды с разным давлением, толщину подбирают под нагрузку, а не под оптику. Типовой ряд толщин для оптических окон Кварц-Пром — 1–30 мм при диаметре до 300 мм. Компания работает с 2004 года и изготавливает окна по чертежам и ТЗ заказчика силами собственного штата в России.

Плоскостность N/ΔN и класс чистоты поверхности задаются на этапе шлифовки и полировки, до нанесения просветляющего покрытия.

Как выбрать материал под свою длину волны

С чего начинать отбор, когда кандидатов набирается десяток? С рабочей длины волны и требуемого пропускания именно на ней; прочность, теплопроводность и стоимость заготовки идут следующим кругом. Материал, который не держит нужный спектральный диапазон пропускания, не спасают ни просветление, ни геометрия.

При n выше 2 просветление становится обязательным элементом конструкции. Разрыв виден по таблице френелевских потерь выше: у низкопреломляющего стекла на двух поверхностях теряются единицы процентов, у полупроводников до объекта не доходит больше половины мощности (у германия пропускание непокрытого оптического окна 47 %).

Температура и среда эксплуатации отсекают материалы для оптических окон раньше спектра. Германий выпадает уже при 100 °C, халькогениды и кремний в интервале 250-300 °C. В горячей зоне остаются кварцевое стекло и лейкосапфир Al₂O₃, поэтому оптическое окно печи или плазменной камеры проектируют от температурного потолка, а спектр подбирают внутри оставшегося списка.

Частые вопросы

Чем оптическое окно отличается от обычного стекла?

Оптическое окно не имеет оптической силы: обе рабочие поверхности плоские и параллельны, поэтому пучок проходит сквозь пластину без фокусировки и смещения. В чертеже нормируются общая ошибка формы N, местная ошибка ΔN, параллельность граней и класс чистоты поверхности по ГОСТ 11141-84, а спектральный диапазон подтверждается измерением пропускания. Обычное листовое стекло не пропускает излучение короче 350 нм и длиннее 2.5 мкм.

Что называют окном прозрачности: материала, атмосферы или волокна?

У термина три разных значения. Окна прозрачности атмосферы — интервалы 3-5 и 8-14 мкм, где ИК-излучение проходит через воздух с наименьшим ослаблением. Окна прозрачности оптического волокна — длины волн 850, 1310 и 1550 нм. Окно прозрачности материала — интервал его собственного пропускания, у селенида цинка ZnSe он захватывает видимую область и почти весь средний ИК.

Какой материал выбрать для окна CO₂-лазера на 10.6 мкм?

Базовый выбор — селенид цинка ZnSe с диапазоном пропускания 0.5-22 мкм и коэффициентом поглощения 0.0005 см⁻¹ на длине волны 10.6 мкм. Альтернативы при других требованиях к прочности и теплоотводу — арсенид галлия GaAs и германий Ge. Без просветляющего покрытия окно теряет 29 % мощности на двух поверхностях за счёт френелевского отражения.

Почему германиевое окно пропускает меньше половины падающего излучения?

Показатель преломления германия n = 4.0 даёт коэффициент отражения 36 % на каждой границе, поэтому непокрытое оптическое окно пропускает лишь 47 %, тогда как кварцевое стекло без покрытия даёт 93 %. Широкополосное просветление BBAR поднимает пропускание до 85-95 % в рабочем интервале. Плёнка сульфида цинка ZnS снижает отражение в минимуме до величины не более 0.5 %.

Чем КУ-1 отличается от КУ-2, КВ и КИ?

КУ-1 работает от 170 нм и не имеет полос поглощения в интервале 170-250 нм, что делает его основной маркой для УФ-задач. КУ-2 пропускает от 200 нм и сохраняет слабую полосу поглощения 170-250 нм. Марки КВ и КИ рассчитаны на 260-3500 нм, причём у КИ улучшено пропускание в ИК-области. У КУ-1 есть полосы поглощения OH-групп на 2100-2300 и 2600-2800 нм, что ограничивает его применение в ближнем ИК.

Что означают N, ΔN, P и θ в чертеже окна?

N обозначает общую ошибку формы поверхности, ΔN — местную ошибку формы, P — класс чистоты поверхности, θ — клиновидность (непараллельность граней). Обозначения и правила простановки заданы ГОСТ 2.412-81, классы чистоты нормированы ГОСТ 11141-84. Эти четыре параметра определяют трудоёмкость полировки и итоговое волновое качество пучка.

Можно ли заказать окно по своему чертежу и какие данные нужны?

Да, изготовление ведётся по чертежам и техническому заданию заказчика. Минимально нужны: рабочая длина волны, диаметр и толщина с допусками, значения N и ΔN, класс чистоты поверхности, клиновидность, среда и температура эксплуатации, требование к просветляющему покрытию. Типовые окна выпускаются диаметром до 300 мм и толщиной 1-30 мм из марок КУ-1, КУ-2, КВ и КИ.

Инженеры Кварц-Пром подбирают материал оптического окна под конкретную рабочую длину волны и просчитывают конструкцию по вашему чертежу или ТЗ. Марки, типоразмеры и доступные варианты просветления собраны в каталоге оптических окон.