پنجره نوری شیشه ای چیست؟ خصوصیات ، کاربردها و راهنمای انتخاب

در دنیای اپتیک و فوتونیک ، که در آن سیستم های پیچیده لنزها ، آینه ها و لیزرها نور را دستکاری می کنند ، یک مؤلفه به طرز شگفت آور اساسی وجود دارد که برای موفقیت بسیار مهم است: پنجره نوری بشر غالباً نادیده گرفته می شود ، پنجره نوری شیشه ای فروتن یک اسب بخار است که به عنوان یک مانع شفاف که از ابزارهای حساس محافظت می کند ، محیط ها را از هم جدا می کند و نور را با حداقل تحریف منتقل می کند. دانستن اینکه آنها چه هستند ، نحوه کار آنها و نحوه انتخاب مناسب برای مهندسان ، طراحان و علاقه مندان به طور یکسان ضروری است.

در این مقاله ، ویندوزهای نوری شیشه ای را تغییر می دهد ، و فراتر از مفهوم اصلی برای کشف خصوصیات کلیدی که عملکرد آنها را تعریف می کند و ملاحظات عملی برای انتخاب مناسب برای برنامه شما است.

فراتر از شیشه ساده: عملکرد اصلی یک پنجره نوری

در ساده ترین آن ، یک پنجره نوری یک تکه شیشه ای مسطح ، معمولاً موازی با هواپیما است که اجازه می دهد نور با حداقل تأثیر در مسیر نوری از آن عبور کند. بر خلاف لنز ، هدف آن تمرکز یا واگرایی پرتوهای نور نیست. مشاغل اصلی آن عبارتند از:

1. حفاظت از محیط زیست: آب بندی یک سیستم نوری از گرد و غبار ، رطوبت ، مواد شیمیایی یا دیفرانسیل فشار. به عنوان مثال ، یک پنجره از سنسورها و لنزهای داخل یک دوربین زیر دریایی یا یک محفظه خلاء علمی محافظت می کند.
2. دسترسی پرتو: تهیه درگاه فیزیکی برای ورود یا خروج از یک سیستم. این در حفره های لیزر و ابزارهای طیف سنجی رایج است.
3. جدایی طیفی: با استفاده از یک پنجره ساخته شده از یک ماده خاص برای فیلتر کردن یا اجازه می دهد فقط طول موج خاصی از نور از آن عبور کند.

از آنجا که عملکرد آنها برای سیستم "نامرئی" است ، کیفیت آنها با توجه به اینکه چقدر کم نور را که از طریق آنها عبور می کند تغییر می دهد ، قضاوت می شود.

خصوصیات کلیدی که عملکرد را تعریف می کنند

همه شیشه ها برابر نیستند. عملکرد یک مسطح توسط چندین خاصیت ماده مهم و خصوصیات فیزیکی تعیین می شود.

1. مواد بستر:
نوع شیشه مورد استفاده ، معروف به ماده بستر ، مهمترین انتخاب است. هر ماده منحصر به فرد دارد دامنه انتقال - طیف نور که اجازه می دهد از آن عبور کند.

• شیشه بوروسیلیکات (به عنوان مثال ، BK7): یک انتخاب بسیار رایج و اقتصادی. این انتقال عالی از طیف قابل مشاهده به طیف مادون قرمز نزدیک (تقریباً 350 نانومتر تا 2000 نیوتن متر) را ارائه می دهد. این امر به دلیل ثبات شیمیایی خوب و ضریب کم انبساط حرارتی شناخته شده است و آن را در برابر شوک حرارتی مقاوم می کند.
• سیلیس ذوب شده: یک دی اکسید سیلیکون آمورف با خلوص بالا. این انتقال بسیار گسترده از ماوراء بنفش عمیق (DUV) به مادون قرمز نزدیک (تقریباً 180 نانومتر تا 2500 نانومتر) است. فوق العاده کم است ضریب انبساط حرارتی ، آن را برای کاربردهایی با نوسانات درجه حرارت زیاد و آستانه خسارت لیزر عالی ایده آل کنید.
• یاقوت کبود: در حالی که یک لیوان نیست بلکه یک کریستال واحد است ، اما اغلب در برنامه های پنجره شدید استفاده می شود. این فقط در سختی به الماس است و تقریباً ضد خراش است. از UV به مادون قرمز میانه (تقریباً 150 نانومتر به 5000 نانومتر) منتقل می شود و دارای هدایت حرارتی برجسته و مقاومت شیمیایی است.

2. کیفیت سطح و خراش سطحی
این مشخصات نواقص مجاز در سطح پنجره را تعیین می کند. این توسط یک کد دو شماره تعریف شده است (به عنوان مثال ، 60-40). شماره اول (خراش) به عرض خراش های میکروسکوپی در مقایسه با مجموعه ای از خراش های استاندارد تحت نورپردازی کنترل شده اشاره دارد. شماره دوم (حفاری) به قطر گودالهای ریز یا حفاری در میکرون اشاره دارد. تعداد کمتری نشانگر سطح نرم و نرم تر و با کیفیت بالاتر است. مشخصات 10-5 از کیفیت بسیار بالایی در نظر گرفته می شود ، در حالی که 80-50 برای برنامه های کمتر مهم استاندارد تر است.

3. صافی سطح
برای برنامه هایی که اعوجاج در برابر موج باید کاملاً به حداقل برسد (مانند سیستم های تداخل سنجی یا لیزر با قدرت بالا) ، صاف بودن پنجره بسیار مهم است. صافی در کسری از طول موج (λ) ، به طور معمول در 632.8 نانومتر (طول موج یک لیزر هلیوم-نئون) اندازه گیری می شود. صافی λ/10 بسیار دقیق است ، به این معنی که سطح از صافی کامل با کمتر از 63 نانومتر منحرف می شود.

4. موازی سازی
برای یک پنجره استاندارد ، دو سطح زمین و صیقلی هستند تا حد ممکن موازی باشند. عدم موازی سازی باعث می شود پرتو از مسیر اصلی خود منحرف شود. این توسط حداکثر انحراف زاویه ای مجاز در قوسهای یا قوسهای یا تنوع ضخامت فیزیکی در دیافراگم شفاف مشخص شده است.

5 آستانه آسیب لیزر
برای ویندوز مورد استفاده در سیستم های لیزر با قدرت بالا ، این مواد باید بدون آسیب رساندن به انرژی شدید الکترومغناطیسی مقاومت کنند. سیلیس و یاقوت کبود ذوب شده به طور معمول آستانه آسیب بسیار بالایی دارند که در ژول در هر سانتی متر مربع (J/cm²) اندازه گیری می شوند.

چگونه ویندوزهای نوری ساخته می شوند: نگاهی اجمالی به این فرآیند

ساخت پنجره های دقیق شامل یک فرآیند دقیق است. با انتخاب مواد بستر خام ، که به یک خالی خشن بریده می شود ، شروع می شود. سپس این خالی از طریق فرآیندی به نام سنگ زنی شکل می گیرد که آن را به ابعاد و ضخامت تقریباً نهایی می رساند. مهمترین مرحله ، جلا دادن ، استفاده از ساینده های به تدریج ظریف برای دستیابی به کیفیت سطح مورد نظر ، صاف بودن و موازی بودن است. سرانجام ، لبه ها اغلب برای جلوگیری از خرد کردن و اطمینان از برخورد ایمن ، از آن استفاده می شوند.

یک راهنمای عملی برای انتخاب پنجره سمت راست

انتخاب پنجره نوری صحیح ، تمرینی در متعادل کردن نیازهای عملکرد با بودجه است. در اینجا یک فرآیند انتخاب منطقی وجود دارد:

1. طول موج را تعریف کنید: طول موج اصلی برنامه شما چیست؟ (به عنوان مثال ، اشعه ماوراء بنفش ، قابل مشاهده یا IR؟) ماده بستر گزینه ها
2. ارزیابی محیط: آیا پنجره با سایش ، درجه حرارت شدید ، پاشش شیمیایی یا فشار زیاد روبرو خواهد شد؟ برای محیط های خشن ، سختی و کم ضریب انبساط حرارتی با اشاره به موادی مانند یاقوت کبود یا سیلیس ذوب شده ، بسیار مهم شوید.
3. تعیین نیازهای عملکرد: آیا سیستم شما به وفاداری کاملاً موج دار نیاز دارد؟ اگر چنین است ، شما به زیاد نیاز دارید صافی سطحی (به عنوان مثال ، λ/10 یا بهتر). برای یک پوشش محافظ ساده روی یک سنسور ، یک استاندارد کیفیت سطح مانند 60-40 ممکن است کافی باشد.
4. سطح قدرت را در نظر بگیرید: برای برنامه های لیزر با قدرت بالا ، باید تأیید کنید آستانه آسیب لیزر از مواد و اطمینان حاصل می شود که سطوح تمیز و عاری از نقص هایی هستند که می توانند انرژی را جذب کنند.
5. بودجه تعیین کنید: انتخاب مواد و مشخصات خود را با محدودیت های پروژه خود مطابقت دهید. ویندوزهای استاندارد BK7 با کیفیت 60-40 بسیار مقرون به صرفه هستند ، در حالی که ویندوزهای یاقوت کبود جلا بزرگ ، λ/10 بزرگ است.

با کار منظم از طریق این عوامل ، می توانید یک پنجره نوری شیشه ای را مشخص کنید که عملکرد قابل اعتماد و ماندگار را بدون پرداخت هزینه های غیر ضروری ارائه می دهد. این مؤلفه اساسی ، گرچه از نظر مفهوم ساده است ، اما سنگ بنای فناوری نوری مدرن است و همه چیز را از اکتشافات عمیق گرفته تا اسکنرهای بارکد روزمره امکان پذیر می کند. $ $