光学窗口全攻略：材料、表面 & 定制一步到位

导语

在激光系统、光谱仪、机器视觉、光学检测等各类光学装置中，光学窗口扮演着“隐形守护者"的角色——它必须让光线几乎无损失地穿过，同时抵御尘埃、湿气、压力甚至温度波动的侵扰。面对市面上材料、尺寸、表面规格、镀膜等层出不穷的选项，很多工程师常常陷入“挑花眼"的困境。本文从 材料特性、表面质量、抗反射镀膜、等价玻璃与定制服务 四个维度，系统化梳理光学窗口的选型要点，并配以实际案例，帮你快速锁定适合的方案。

一、光学窗口到底是什么？

• 定义：光学窗口是 平坦、光学透明的薄板，专为在指定波段实现 较高透射、较低反射与吸收 而设计。它本身不对光束产生光学功率（即不聚焦或发散），主要功能是 保护光学系统和探测器，防止灰尘、油污、湿气或机械冲击进入光路。

• 常见形态：矩形、圆形、方形，厚度从 0.1 mm 到 数十毫米 不等，尺寸从 几毫米到 500 mm 均可实现。

二、材料特性与选型指南

光学窗口的核心属性决定了它在不同波段、温度、机械环境下的表现。下面把常见材料的关键参数列出，并配以典型应用示例，帮助你快速定位合适材料。

细节补充

• 透射率：同一材料的透射曲线往往呈现波段“窗口"。例如，CaF₂ 在 150 nm–200 nm（深紫外）和 3 µm–9 µm（红外）均保持 > 90% 的透射，是深紫外光谱仪的优先选择。

• 折射率 vs. 入射角：高折射率材料（Ge、Si）在大入射角下会产生显著的折射偏移，若系统要求低角度失真，需要在光路设计中加入补偿透镜。

• 硬度与耐久性：Sapphire 的 Knoop 硬度约 2000，足以抵抗划痕和高压差，适用于空间光学平台或高功率激光的窗口。

图 1：Edmund Optics® 窗口基片的透射波段

选材实战流程（简化版）

1.确定工作波段（如 800 nm – 1 µm）。

2.匹配材料透射：在对应波段选择透射 > 90% 的材料。

3.评估机械需求：是否需要高硬度、低热膨胀？

4.考虑光学需求：是否涉及高折射率导致光路偏差？

5.确认成本与可采购性：同类材料之间可能有等价玻璃可供替代。

三、表面质量：Scratch‑Dig 与 Flatness

光学窗口的表面状态直接影响光斑质量、散射损失以及在高功率激光下的热负荷。下面分别解析 划痕‑凹坑（Scratch‑Dig） 与 平面度（Flatness） 两大指标。

图 2：表面质量检测

1.Scratch‑Dig 规格

• 划痕宽度 (Scratch) 用英制号码表示，数值越小划痕越细。

• 凹坑深度 (Dig) 采用 μm 级别的直径表示，同样数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，激光在窗口表面产生的散射会导致约 0.3 % 的功率损失；而采用 20‑10 窗口则可将散射降低至 < 0.05 %，但成本会提升约 2‑3 倍。

2.平面度（Flatness）

平面度用光波长 λ 为单位衡量。常用分级如下：

• 测量方法：常用光学平板（optical flat）进行干涉条纹观察，条纹间距越密表示平面度越好。

• 影响：在 高功率激光系统 中，平面度不足会导致局部焦点畸变，使功率密度在窗口局部升高，引发热破坏。

图 3：光学平晶工作原理示意图

四、抗反射（AR）镀膜的作用与选型

光学窗口若无任何镀膜，单面在正常入射角下的 反射率约 4 %（玻璃–空气界面）。在多次透过或高功率激光应用中，这部分反射会显著降低系统效率并产生鬼像。抗反射（AR）镀膜 通过薄膜干涉原理，在目标波段实现 < 0.5 % 的残余反射，提升透射、对比度并减轻热负荷。

1. 常见 AR 镀膜类型

• 耐久性：大多数 AR 镀膜具备 抗划伤、耐化学、耐温 特性，适合室外或高温环境。

• 设计注意：AR 镀膜只能在其设计的波段内达到低反射，若在波段外使用，反而可能出现 增反射 现象。因此在选型前务必确认完整的系统光谱需求。

2. AR 镀膜选型建议

• 明确系统波段：是否为单波长激光，或需宽波段透射。

• 评估功率：高功率激光（> 1 W）推荐使用 耐高功率激光线镀膜，或在窗口背面加防护金属沉积层。

• 考虑环境：若在潮湿或化学腐蚀环境中工作，选用 耐湿/耐化学 AR 镀膜（常以硬化硅胶或氧化铝为护层）。

图4：我们提供的所有标准增透膜的反射率曲线图

五、玻璃等价与定制化服务

1. 玻璃等价表

在光学行业，同一种光学性能的玻璃常有 多家厂商的等价产品，如 N‑BK7 可对应 Schott BK7、Ohara S‑BSL7、CDGM H‑K9L。了解等价关系有助于：

• 降低采购成本（有时等价玻璃的库存更充足）。

• 保证供应链连续性（出现断货时可迅速切换供应商）。

2. 定制窗口的可能性

当标准尺寸、材料或镀膜无法满足特殊需求时，供应商通常提供 定制化服务，包括：

• 尺寸范围：从 3 mm 到 500 mm，厚度可低至 0.2 mm。

• 材料定制：如特殊氟化物、低膨胀陶瓷、金刚石前窗等。

• 特殊镀膜：宽带+激光线组合、导电 ITO、抗紫外/抗冲击复合镀膜。

• 快速交付：标准材料可实现 1‑2 天 交货，非标定制视加工难度 1‑3 周交付。

案例：一套用于 紫外激光刻蚀 的光学系统，需要 150 nm 波段透射 > 90%、且耐 200 °C 高温，常规 UV Fused Silica 窗口不满足硬度要求。通过定制 单晶氟化钙（CaF₂） 窗口，并加 宽带 AR（150‑300 nm） 与 硬化氧化铝 双层镀膜，最终实现 > 95% 透射 与 耐划伤，项目周期仅 10 天完成。

图5：定制窗口实拍图

六、实战案例：从选型到应用

案例概述

项目需求：为一台工业机器视觉相机（波段 850 nm）设计窗口，要求：

• NIR 透射 > 95%

• 抗反射镀膜提升对比度

• 中等硬度（抗划伤）

• 成本控制在预算范围内

选型步骤

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

2.硬度考量：BK7 的 Knoop 硬度约 560，足以应对常规机械碰撞；若需更高硬度，可选 Sapphire（硬度 2000），但成本上升。

3.表面质量：机器视觉对图像质量要求一般为 80‑50（成本较低）即可满足，若系统光路长且光功率较高，可提升至 40‑20。

4.AR 镀膜：选择 宽带 NIR AR（800‑1100 nm），可将两面反射降至 < 0.2 %。

5.尺寸与厚度：根据相机外壳固定孔径，选用 25 mm × 25 mm，厚度 2 mm（足够机械强度且不影响光束传输）。

结果

• 整体透射：约 96.5 %（材料+AR）。

• 成本：相较无镀膜窗口提升约 30 %，但仍低于采用 Sapphire 的 3‑4 倍。

• 交期：常规库存窗口 2 天交付，快速投入使用。

小结

1.光学窗口是 透明且不具光学功率 的防护元件，核心任务是 高透射、低反射、良好机械稳健。

2.材料特性（透射、折射率、阿贝数、硬度、热膨胀）决定窗口的适用波段与环境耐受性，常用材料从 UV Fused Silica、BK7 到 CaF₂、Sapphire、Germanium、ZnSe 各有侧重点。

3.表面质量分为 Scratch‑Dig 与 Flatness 两大指标，直接影响散射、波前误差和高功率激光的安全性。

4.抗反射（AR）镀膜是提升系统效率的关键，选型时务必匹配系统波长与功率等级。

5.玻璃等价与 定制服务 为供应链灵活性和特殊需求提供保障。