光學窗口全攻略：材料、表面 & 定制一步到位

導語

在激光系統、光譜儀、機器視覺、光學檢測等各類光學裝置中，光學窗口扮演著“隱形守護者"的角色——它必須讓光線幾乎無損失地穿過，同時抵御塵埃、濕氣、壓力甚至溫度波動的侵擾。面對市面上材料、尺寸、表面規格、鍍膜等層出不窮的選項，很多工程師常常陷入“挑花眼"的困境。本文從 材料特性、表面質量、抗反射鍍膜、等價玻璃與定制服務 四個維度，系統化梳理光學窗口的選型要點，并配以實際案例，幫你快速鎖定適合的方案。

一、光學窗口到底是什么？

• 定義：光學窗口是 平坦、光學透明的薄板，專為在指定波段實現 較高透射、較低反射與吸收 而設計。它本身不對光束產生光學功率（即不聚焦或發散），主要功能是 保護光學系統和探測器，防止灰塵、油污、濕氣或機械沖擊進入光路。

• 常見形態：矩形、圓形、方形，厚度從 0.1 mm 到 數十毫米 不等，尺寸從 幾毫米到 500 mm 均可實現。

二、材料特性與選型指南

光學窗口的核心屬性決定了它在不同波段、溫度、機械環境下的表現。下面把常見材料的關鍵參數列出，并配以典型應用示例，幫助你快速定位合適材料。

細節補充

• 透射率：同一材料的透射曲線往往呈現波段“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）在大入射角下會產生顯著的折射偏移，若系統要求低角度失真，需要在光路設計中加入補償透鏡。

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

圖 1：Edmund Optics® 窗口基片的透射波段

選材實戰流程（簡化版）

1.確定工作波段（如 800 nm – 1 µm）。

2.匹配材料透射：在對應波段選擇透射 > 90% 的材料。

3.評估機械需求：是否需要高硬度、低熱膨脹？

4.考慮光學需求：是否涉及高折射率導致光路偏差？

5.確認成本與可采購性：同類材料之間可能有等價玻璃可供替代。

三、表面質量：Scratch?Dig 與 Flatness

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

圖 2：表面質量檢測

1.Scratch?Dig 規格

• 劃痕寬度 (Scratch) 用英制號碼表示，數值越小劃痕越細。

• 凹坑深度 (Dig) 采用 μm 級別的直徑表示，同樣數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，激光在窗口表面產生的散射會導致約 0.3 % 的功率損失；而采用 20?10 窗口則可將散射降低至 < 0.05 %，但成本會提升約 2?3 倍。

2.平面度（Flatness）

平面度用光波長 λ 為單位衡量。常用分級如下：

• 測量方法：常用光學平板（optical flat）進行干涉條紋觀察，條紋間距越密表示平面度越好。

• 影響：在 高功率激光系統 中，平面度不足會導致局部焦點畸變，使功率密度在窗口局部升高，引發熱破壞。

圖 3：光學平晶工作原理示意圖

四、抗反射（AR）鍍膜的作用與選型

光學窗口若無任何鍍膜，單面在正常入射角下的 反射率約 4 %（玻璃–空氣界面）。在多次透過或高功率激光應用中，這部分反射會顯著降低系統效率并產生鬼像。抗反射（AR）鍍膜 通過薄膜干涉原理，在目標波段實現 < 0.5 % 的殘余反射，提升透射、對比度并減輕熱負荷。

1. 常見 AR 鍍膜類型

• 耐久性：大多數 AR 鍍膜具備 抗劃傷、耐化學、耐溫 特性，適合室外或高溫環境。

• 設計注意：AR 鍍膜只能在其設計的波段內達到低反射，若在波段外使用，反而可能出現 增反射 現象。因此在選型前務必確認完整的系統光譜需求。

2. AR 鍍膜選型建議

• 明確系統波段：是否為單波長激光，或需寬波段透射。

• 評估功率：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金屬沉積層。

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

圖4：我們提供的所有標準增透膜的反射率曲線圖

五、玻璃等價與定制化服務

1. 玻璃等價表

在光學行業，同一種光學性能的玻璃常有 多家廠商的等價產品，如 N?BK7 可對應 Schott BK7、Ohara S?BSL7、CDGM H?K9L。了解等價關系有助于：

• 降低采購成本（有時等價玻璃的庫存更充足）。

• 保證供應鏈連續性（出現斷貨時可迅速切換供應商）。

2. 定制窗口的可能性

當標準尺寸、材料或鍍膜無法滿足特殊需求時，供應商通常提供 定制化服務，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、導電 ITO、抗紫外/抗沖擊復合鍍膜。

• 快速交付：標準材料可實現 1?2 天 交貨，非標定制視加工難度 1?3 周交付。

案例：一套用于 紫外激光刻蝕 的光學系統，需要 150 nm 波段透射 > 90%、且耐 200 °C 高溫，常規 UV Fused Silica 窗口不滿足硬度要求。通過定制 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，最終實現 > 95% 透射 與 耐劃傷，項目周期僅 10 天完成。

圖5：定制窗口實拍圖

六、實戰案例：從選型到應用

案例概述

項目需求：為一臺工業機器視覺相機（波段 850 nm）設計窗口，要求：

• NIR 透射 > 95%

• 抗反射鍍膜提升對比度

• 中等硬度（抗劃傷）

• 成本控制在預算范圍內

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，足以應對常規機械碰撞；若需更高硬度，可選 Sapphire（硬度 2000），但成本上升。

3.表面質量：機器視覺對圖像質量要求一般為 80?50（成本較低）即可滿足，若系統光路長且光功率較高，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：根據相機外殼固定孔徑，選用 25 mm × 25 mm，厚度 2 mm（足夠機械強度且不影響光束傳輸）。

結果

• 整體透射：約 96.5 %（材料+AR）。

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

• 交期：常規庫存窗口 2 天交付，快速投入使用。

小結

1.光學窗口是 透明且不具光學功率 的防護元件，核心任務是 高透射、低反射、良好機械穩健。

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

3.表面質量分為 Scratch?Dig 與 Flatness 兩大指標，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）鍍膜是提升系統效率的關鍵，選型時務必匹配系統波長與功率等級。

5.玻璃等價與 定制服務 為供應鏈靈活性和特殊需求提供保障。