Auswahl von optischen Fenstern: Kalziumfluorid und seine Konkurrenten

Einführung

Optische Fenster werden in vielen Geräten verwendet. Sie lassen Licht hindurch und schützen gleichzeitig empfindliche Teile. Viele Instrumente, von Kameras bis zu Lasern, sind auf diese Fenster angewiesen. Ein gängiges Material ist Calciumfluorid.

Eigenschaften von Calciumfluorid

Kalziumfluorid ist ein bekannter Kristall. Es wird wegen seiner hervorragenden Lichtdurchlässigkeit verwendet. Es ist von tief ultravioletten Wellenlängen um 130 Nanometer bis zu infraroten Wellenlängen um 9 Mikrometer transparent. Das macht es für viele optische Anwendungen nützlich. Sein niedriger Brechungsindex von etwa 1,43 im sichtbaren Bereich trägt zur Verringerung von Reflexionsverlusten bei. Calciumfluorid ist auch für seine thermische Stabilität bekannt. Es verträgt mäßige Temperaturschwankungen, ohne dass sich seine optischen Eigenschaften wesentlich verändern. Diese Eigenschaften haben es zu einem Hauptbestandteil von Linsen und Prismen gemacht, die in optischen Hochleistungssystemen verwendet werden.

In gängigen Anwendungen wie der Halbleiterlithografie oder Lasersystemen werden Kalziumfluoridfenster wegen ihrer geringen Dispersion geschätzt. Sie bewahren die Strahlqualität auch bei komplexen optischen Pfaden. Sie werden häufig dort eingesetzt, wo geringe Signalverluste wichtig sind.

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Kalziumfluorid im Vergleich zu Quarzglas

Quarzglas ist ein weiteres häufig verwendetes optisches Material. Es ist sehr stabil und widersteht hohen Temperaturen. Seine Lichtdurchlässigkeit beginnt bei 180 Nanometern im ultravioletten Bereich und reicht bis in den nahen Infrarotbereich. Sein Brechungsindex liegt jedoch bei 1,46 und damit etwas höher als der von Calciumfluorid. Dieser höhere Index kann zu mehr Lichtreflexionen an der Oberfläche führen. Quarzglas wird bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, die mechanische Festigkeit und Haltbarkeit erfordern. Im Gegensatz dazu wird Calciumfluorid gewählt, wenn minimale Dispersion und geringere Streuung erforderlich sind.

Bei der Verwendung in Laseroptiken kann die geringere Dispersion von Kalziumfluorid beispielsweise die Strahlqualität verbessern. In rauen Umgebungen kann Quarzglas aufgrund seiner Robustheit bevorzugt werden. Je nach den Anforderungen der Anwendung bietet jedes Material klare Vorteile.

Kalziumfluorid versus Saphir

Saphir ist ein sehr hartes und haltbares Material. Es kann starke Kratzer und hohe mechanische Belastungen aushalten. Saphirfenster sind perfekt für extreme Bedingungen geeignet. Sie funktionieren sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen gut. Der Transmissionsbereich von Saphir beginnt in der Regel im Bereich des sichtbaren Lichts, während Kalziumfluorid im Vergleich dazu einen breiteren Transmissionsbereich aufweist. Es eignet sich besser für den ultravioletten und infraroten Teil des Spektrums. Die Wahl zwischen diesen beiden Materialien hängt von den Arbeitsbedingungen ab. Wenn Kratzfestigkeit eine Priorität ist, gewinnt Saphir. Wenn ein breiter Wellenlängenbereich benötigt wird, kann Kalziumfluorid die beste Wahl sein.

In der Praxis neigen einige Lasersysteme und fortschrittliche Bildgebungsanwendungen dazu, Kalziumfluorid wegen seiner minimalen Absorptionseigenschaften über ein breiteres Spektrum zu bevorzugen.

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Kalziumfluorid versus Magnesiumfluorid

Magnesiumfluorid ist ein weiteres nützliches optisches Material. Sein Transmissionsbereich reicht oft von etwa 120 Nanometern im Ultravioletten bis zu 7 Mikrometern im Infraroten. Sein Brechungsindex liegt bei etwa 1,38 und damit niedriger als der von Calciumfluorid und Quarzglas. Mit seinem niedrigeren Brechungsindex bietet Magnesiumfluorid noch weniger Reflexion und könnte ideal sein, wenn eine maximale Transmission erforderlich ist. Kalziumfluorid ist jedoch feuchtigkeitsbeständiger und hat unter vielen Bedingungen eine höhere thermische Stabilität.

Beide Materialien haben ihre Stärken. Magnesiumfluorid glänzt mit seinem niedrigeren Brechungsindex. Kalziumfluorid behauptet sich in seiner Nische durch seine Ausgewogenheit von Transmission, Stabilität und geringer Dispersion.

Kalziumfluorid im Vergleich zu Zinkselenid

Zinkselenid unterscheidet sich erheblich von den vorherigen Kristallen. Es funktioniert gut im Infrarotbereich. Seine Transmission beginnt bei 0,6 Mikrometern und reicht bis zu 20 Mikrometern. Damit ist es ideal für die Wärmebildtechnik und die Infrarotspektroskopie. Für den ultravioletten Bereich ist Zinkselenid jedoch nicht geeignet. Kalziumfluorid hat einen viel breiteren Einsatzbereich. Seine Fähigkeit, ultraviolettes Licht zu übertragen, ist bei Bedarf ein deutlicher Vorteil. Darüber hinaus bietet Calciumfluorid bei bestimmten Präzisionsanwendungen eine höhere Klarheit.

Wenn ein System im ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich arbeiten muss, ist Calciumfluorid oft die bessere Wahl. Zinkselenid ist für spezielle Aufgaben reserviert, bei denen die Leistung im tiefen Infrarotbereich entscheidend ist.

Wie man wählt

Die Wahl des besten optischen Fenstermaterials hängt von mehreren Faktoren ab. Prüfen Sie zunächst die Anforderungen an die Wellenlänge. Jedes Material hat einen bestimmten Übertragungsbereich. Als nächstes ist die Umgebung zu berücksichtigen. Ist die Komponente hohen Belastungen oder extremen Temperaturen ausgesetzt? Saphir oder Quarzglas eignen sich unter Umständen besser für raue Umgebungsbedingungen. In sauberen, stabilen Umgebungen ist Calciumfluorid sehr effektiv.

Berücksichtigen Sie auch die mechanische Festigkeit und die Gefahr von Kratzern. Saphir ist eines der härtesten verfügbaren Materialien. Schließlich sollten Sie auch die Kosten und die Einfachheit der Herstellung berücksichtigen. Jedes Material hat seinen eigenen Preis und stellt eigene Anforderungen an die Bearbeitung. In vielen Fällen führt ein Gleichgewicht zwischen optischer Leistung und Haltbarkeit zur endgültigen Entscheidung.

Häufig gestellte Fragen

F: Wie groß ist der Wellenlängenbereich von Calciumfluorid?
F: Der Wellenlängenbereich von Calciumfluorid reicht von etwa 130 Nanometern im Ultravioletten bis zu etwa 9 Mikrometern im Infraroten.

F: Warum ist Saphir dem Kalziumfluorid vorzuziehen?
F: Saphir wird wegen seiner hohen Kratzfestigkeit und mechanischen Beständigkeit gewählt.

F: Welches Material hat den niedrigsten Brechungsindex?
F: Magnesiumfluorid hat mit einem ungefähren Brechungsindex von 1,38 den niedrigsten Wert.