光學(xué)窗口全攻略：材料、表面 & 定制一步到位

導(dǎo)語(yǔ)

在激光系統(tǒng)、光譜儀、機(jī)器視覺(jué)、光學(xué)檢測(cè)等各類光學(xué)裝置中，光學(xué)窗口扮演著“隱形守護(hù)者"的角色——它必須讓光線幾乎無(wú)損失地穿過(guò)，同時(shí)抵御塵埃、濕氣、壓力甚至溫度波動(dòng)的侵?jǐn)_。面對(duì)市面上材料、尺寸、表面規(guī)格、鍍膜等層出不窮的選項(xiàng)，很多工程師常常陷入“挑花眼"的困境。本文從 材料特性、表面質(zhì)量、抗反射鍍膜、等價(jià)玻璃與定制服務(wù) 四個(gè)維度，系統(tǒng)化梳理光學(xué)窗口的選型要點(diǎn)，并配以實(shí)際案例，幫你快速鎖定適合的方案。

一、光學(xué)窗口到底是什么？

• 定義：光學(xué)窗口是 平坦、光學(xué)透明的薄板，專為在指定波段實(shí)現(xiàn) 較高透射、較低反射與吸收 而設(shè)計(jì)。它本身不對(duì)光束產(chǎn)生光學(xué)功率（即不聚焦或發(fā)散），主要功能是 保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，防止灰塵、油污、濕氣或機(jī)械沖擊進(jìn)入光路。

• 常見(jiàn)形態(tài)：矩形、圓形、方形，厚度從 0.1 mm 到 數(shù)十毫米 不等，尺寸從 幾毫米到 500 mm 均可實(shí)現(xiàn)。

二、材料特性與選型指南

光學(xué)窗口的核心屬性決定了它在不同波段、溫度、機(jī)械環(huán)境下的表現(xiàn)。下面把常見(jiàn)材料的關(guān)鍵參數(shù)列出，并配以典型應(yīng)用示例，幫助你快速定位合適材料。

細(xì)節(jié)補(bǔ)充

• 透射率：同一材料的透射曲線往往呈現(xiàn)波段“窗口"。例如，CaF? 在 150 nm–200 nm（深紫外）和 3 µm–9 µm（紅外）均保持 > 90% 的透射，是深紫外光譜儀的優(yōu)先選擇。

• 折射率 vs. 入射角：高折射率材料（Ge、Si）在大入射角下會(huì)產(chǎn)生顯著的折射偏移，若系統(tǒng)要求低角度失真，需要在光路設(shè)計(jì)中加入補(bǔ)償透鏡。

• 硬度與耐久性：Sapphire 的 Knoop 硬度約 2000，足以抵抗劃痕和高壓差，適用于空間光學(xué)平臺(tái)或高功率激光的窗口。

圖 1：Edmund Optics® 窗口基片的透射波段

選材實(shí)戰(zhàn)流程（簡(jiǎn)化版）

1.確定工作波段（如 800 nm – 1 µm）。

2.匹配材料透射：在對(duì)應(yīng)波段選擇透射 > 90% 的材料。

3.評(píng)估機(jī)械需求：是否需要高硬度、低熱膨脹？

4.考慮光學(xué)需求：是否涉及高折射率導(dǎo)致光路偏差？

5.確認(rèn)成本與可采購(gòu)性：同類材料之間可能有等價(jià)玻璃可供替代。

三、表面質(zhì)量：Scratch?Dig 與 Flatness

光學(xué)窗口的表面狀態(tài)直接影響光斑質(zhì)量、散射損失以及在高功率激光下的熱負(fù)荷。下面分別解析 劃痕?凹坑（Scratch?Dig） 與 平面度（Flatness） 兩大指標(biāo)。

圖 2：表面質(zhì)量檢測(cè)

1.Scratch?Dig 規(guī)格

• 劃痕寬度 (Scratch) 用英制號(hào)碼表示，數(shù)值越小劃痕越細(xì)。

• 凹坑深度 (Dig) 采用 μm 級(jí)別的直徑表示，同樣數(shù)值越小表示凹坑越小。

案例：在 5 W 1064 nm Nd:YAG 激光 的光路中，若使用 40?20 窗口，激光在窗口表面產(chǎn)生的散射會(huì)導(dǎo)致約 0.3 % 的功率損失；而采用 20?10 窗口則可將散射降低至 < 0.05 %，但成本會(huì)提升約 2?3 倍。

2.平面度（Flatness）

平面度用光波長(zhǎng) λ 為單位衡量。常用分級(jí)如下：

• 測(cè)量方法：常用光學(xué)平板（optical flat）進(jìn)行干涉條紋觀察，條紋間距越密表示平面度越好。

• 影響：在 高功率激光系統(tǒng) 中，平面度不足會(huì)導(dǎo)致局部焦點(diǎn)畸變，使功率密度在窗口局部升高，引發(fā)熱破壞。

圖 3：光學(xué)平晶工作原理示意圖

四、抗反射（AR）鍍膜的作用與選型

光學(xué)窗口若無(wú)任何鍍膜，單面在正常入射角下的 反射率約 4 %（玻璃–空氣界面）。在多次透過(guò)或高功率激光應(yīng)用中，這部分反射會(huì)顯著降低系統(tǒng)效率并產(chǎn)生鬼像。抗反射（AR）鍍膜 通過(guò)薄膜干涉原理，在目標(biāo)波段實(shí)現(xiàn) < 0.5 % 的殘余反射，提升透射、對(duì)比度并減輕熱負(fù)荷。

1. 常見(jiàn) AR 鍍膜類型

• 耐久性：大多數(shù) AR 鍍膜具備 抗劃傷、耐化學(xué)、耐溫 特性，適合室外或高溫環(huán)境。

• 設(shè)計(jì)注意：AR 鍍膜只能在其設(shè)計(jì)的波段內(nèi)達(dá)到低反射，若在波段外使用，反而可能出現(xiàn) 增反射 現(xiàn)象。因此在選型前務(wù)必確認(rèn)完整的系統(tǒng)光譜需求。

2. AR 鍍膜選型建議

• 明確系統(tǒng)波段：是否為單波長(zhǎng)激光，或需寬波段透射。

• 評(píng)估功率：高功率激光（> 1 W）推薦使用 耐高功率激光線鍍膜，或在窗口背面加防護(hù)金屬沉積層。

• 考慮環(huán)境：若在潮濕或化學(xué)腐蝕環(huán)境中工作，選用 耐濕/耐化學(xué) AR 鍍膜（常以硬化硅膠或氧化鋁為護(hù)層）。

圖4：我們提供的所有標(biāo)準(zhǔn)增透膜的反射率曲線圖

五、玻璃等價(jià)與定制化服務(wù)

1. 玻璃等價(jià)表

在光學(xué)行業(yè)，同一種光學(xué)性能的玻璃常有 多家廠商的等價(jià)產(chǎn)品，如 N?BK7 可對(duì)應(yīng) Schott BK7、Ohara S?BSL7、CDGM H?K9L。了解等價(jià)關(guān)系有助于：

• 降低采購(gòu)成本（有時(shí)等價(jià)玻璃的庫(kù)存更充足）。

• 保證供應(yīng)鏈連續(xù)性（出現(xiàn)斷貨時(shí)可迅速切換供應(yīng)商）。

2. 定制窗口的可能性

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸、材料或鍍膜無(wú)法滿足特殊需求時(shí)，供應(yīng)商通常提供 定制化服務(wù)，包括：

• 尺寸范圍：從 3 mm 到 500 mm，厚度可低至 0.2 mm。

• 材料定制：如特殊氟化物、低膨脹陶瓷、金剛石前窗等。

• 特殊鍍膜：寬帶+激光線組合、導(dǎo)電 ITO、抗紫外/抗沖擊復(fù)合鍍膜。

• 快速交付：標(biāo)準(zhǔn)材料可實(shí)現(xiàn) 1?2 天 交貨，非標(biāo)定制視加工難度 1?3 周交付。

案例：一套用于 紫外激光刻蝕 的光學(xué)系統(tǒng)，需要 150 nm 波段透射 > 90%、且耐 200 °C 高溫，常規(guī) UV Fused Silica 窗口不滿足硬度要求。通過(guò)定制 單晶氟化鈣（CaF?） 窗口，并加 寬帶 AR（150?300 nm） 與 硬化氧化鋁 雙層鍍膜，最終實(shí)現(xiàn) > 95% 透射 與 耐劃傷，項(xiàng)目周期僅 10 天完成。

圖5：定制窗口實(shí)拍圖

六、實(shí)戰(zhàn)案例：從選型到應(yīng)用

案例概述

項(xiàng)目需求：為一臺(tái)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)（波段 850 nm）設(shè)計(jì)窗口，要求：

• NIR 透射 > 95%

• 抗反射鍍膜提升對(duì)比度

• 中等硬度（抗劃傷）

• 成本控制在預(yù)算范圍內(nèi)

選型步驟

1.波段匹配：850 nm 屬于 NIR，UV Fused Silica 與 BK7 均能提供 > 95% 透射。

2.硬度考量：BK7 的 Knoop 硬度約 560，足以應(yīng)對(duì)常規(guī)機(jī)械碰撞；若需更高硬度，可選 Sapphire（硬度 2000），但成本上升。

3.表面質(zhì)量：機(jī)器視覺(jué)對(duì)圖像質(zhì)量要求一般為 80?50（成本較低）即可滿足，若系統(tǒng)光路長(zhǎng)且光功率較高，可提升至 40?20。

4.AR 鍍膜：選擇 寬帶 NIR AR（800?1100 nm），可將兩面反射降至 < 0.2 %。

5.尺寸與厚度：根據(jù)相機(jī)外殼固定孔徑，選用 25 mm × 25 mm，厚度 2 mm（足夠機(jī)械強(qiáng)度且不影響光束傳輸）。

結(jié)果

• 整體透射：約 96.5 %（材料+AR）。

• 成本：相較無(wú)鍍膜窗口提升約 30 %，但仍低于采用 Sapphire 的 3?4 倍。

• 交期：常規(guī)庫(kù)存窗口 2 天交付，快速投入使用。

小結(jié)

1.光學(xué)窗口是 透明且不具光學(xué)功率 的防護(hù)元件，核心任務(wù)是 高透射、低反射、良好機(jī)械穩(wěn)健。

2.材料特性（透射、折射率、阿貝數(shù)、硬度、熱膨脹）決定窗口的適用波段與環(huán)境耐受性，常用材料從 UV Fused Silica、BK7 到 CaF?、Sapphire、Germanium、ZnSe 各有側(cè)重點(diǎn)。

3.表面質(zhì)量分為 Scratch?Dig 與 Flatness 兩大指標(biāo)，直接影響散射、波前誤差和高功率激光的安全性。

4.抗反射（AR）鍍膜是提升系統(tǒng)效率的關(guān)鍵，選型時(shí)務(wù)必匹配系統(tǒng)波長(zhǎng)與功率等級(jí)。

5.玻璃等價(jià)與 定制服務(wù) 為供應(yīng)鏈靈活性和特殊需求提供保障。