Eine Sonderanfertigung bestellen optisches Fenster aus Rubin erfordert mehr Informationen als nur Durchmesser und Dicke. Zwei Fenster mit denselben Nennmaßen können sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wenn sie unterschiedliche Chromkonzentrationen, Kristallorientierungen, Poliergrade, Oberflächenqualitätsstandards oder Beschichtungen aufweisen.
Synthetischer Rubin ist mit Chrom dotiertes Aluminiumoxid, das üblicherweise als Cr³⁺₂O₃ bezeichnet wird. Er vereint die mechanischen Vorteile der Korund-Kristallstruktur mit der charakteristischen optischen Absorption und der roten Fluoreszenz, die durch das Chrom hervorgerufen werden. In der Fachliteratur wird Rubin als Cr³⁺-dotiertes Aluminiumoxid mit hoher Härte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemischer Stabilität beschrieben. Allerdings verändert Chrom im Vergleich zu farblosem Saphir auch sein Spektralverhalten.
Daher sollte eine aussagekräftige Spezifikation für ein optisches Fenster aus Rubin nicht nur dessen physikalische Abmessungen festlegen, sondern auch:
- Werkstoffgüte und Chromgehalt
- Kristallorientierung
- Lichtdurchlass
- Maßtoleranzen
- Oberflächenpolierung und Rauheit
- Ebenheit und durchgelassene Wellenfront
- Parallelität oder Keil
- Oberflächenfehler
- Spektrale Transmission
- Anforderungen an die Beschichtung
- Betriebsumgebung
- Prüfung und Dokumentation
In diesem Leitfaden wird erläutert, wie Sie diese Parameter festlegen und eine vollständige Angebotsanfrage für Prototypen oder Serienmengen erstellen.
Was ist ein optisches Fenster aus Rubin?
Ein optisches Rubin-Fenster wird in der Regel aus synthetischem Einkristall-Rubin und nicht aus natürlichem Edelsteinmaterial hergestellt. Rubin und Saphir haben zwar denselben Kristallgrundstoff aus Aluminiumoxid, doch Rubin enthält Chromionen, die ihm sein rosa bis tiefrotes Aussehen sowie seine charakteristischen Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften verleihen.
Der Begriff “Rubinglas” wird manchmal bei allgemeinen Suchanfragen verwendet, kann jedoch irreführend sein. Glas ist amorph, während synthetischer Rubin, der für optische Präzisionskomponenten verwendet wird, in der Regel ein kristallines Material ist. In einer Angebotsanfrage sollte klar angegeben werden, ob folgende Anforderung besteht:
- Synthetischer Einkristall-Rubin
- Polykristalliner transparenter Rubin
- Rubinrotes optisches Glas
- Ein farbloses Saphirglas mit roter Beschichtung
Diese Materialien sind nicht untereinander austauschbar.
Optische Fenster aus Rubin können in Schutzsichtfenstern, optischen Instrumenten, Sensorabdeckungen, Prüfsystemen, Druckgeräten, wissenschaftlichen Geräten und wellenlängenselektiven Anwendungen eingesetzt werden. Rubin wird auch als Laser-Verstärkungsmaterial verwendet, wobei jedoch für ein passives Rubinfenster und einen Rubin-Laserkristall unterschiedliche Spezifikationen gelten.
Beginnen Sie damit, die Funktion des Fensters zu definieren
Die Anwendung ermittelt, welche Parameter einer besonders strengen Kontrolle unterliegen sollten.
| Fensterfunktion | Wichtigste Spezifikationen |
|---|---|
| Schutzabdeckung oder Sichtfenster | Durchmesser, Dicke, freie Öffnung, Randbeschaffenheit, Oberflächenqualität und Umweltbeständigkeit |
| Bild- oder Kamerafenster | Ebenheit, durchgelassene Wellenfront, Keil, Oberflächenrauheit und spektrale Transmission |
| Rotes Spektral- oder Sichtfenster | Chromkonzentration, Schichtdicke, Farbgleichmäßigkeit und gemessene Transmissionskurve |
| Laserbezogene Komponente | Kristallorientierung, Absorption, Homogenität, Fluoreszenz, Beschichtung und Schwelle für laserinduzierte Schäden |
| Überdruck- oder Unterdruckfenster | Nicht unterstützte Werte für Öffnung, Dicke, Befestigungsart, Druckdifferenz, Temperatur und Sicherheitsfaktor |
Wenden Sie Toleranzen in Laserqualität nicht automatisch auf ein Sichtfenster an. Unnötig enge Vorgaben können die Bearbeitungszeit verlängern, die Produktionsausbeute verringern und den Stückpreis erhöhen, ohne das eigentliche System zu verbessern.
1. Geben Sie Durchmesser, Form und lichte Öffnung an
Außendurchmesser
Bei einem runden Rubinfenster geben Sie bitte den fertigen Außendurchmesser und dessen Toleranz an. Beispiel:
Durchmesser: Ø 25,00 ± 0,05 mm
Die geeignete Toleranz hängt von der Befestigungsart ab. Bei einem Sicherungsring oder einer losen mechanischen Halterung kann eine relativ große Toleranz zulässig sein, während bei einem Präzisionsmetallgehäuse oder einer geklebten Baugruppe eine strengere Maßkontrolle erforderlich sein kann.
Beispielhafte Ansatzpunkte sind:
| Anforderungsstufe | Beispiel für eine Durchmessertoleranz |
| Allgemeines Schutzfenster | ±0,10 mm |
| Präzise mechanische Passung | ±0,05 mm |
| Kompakte optische Baugruppe | ±0,02 mm oder genauer nach der Fertigungsprüfung |
Dies sind keine allgemeingültigen Akzeptanzgrenzen. Bei großen Durchmessern, sehr dünnen Fenstern und ungewöhnlichen Formen können andere Toleranzen erforderlich sein.
Nicht kreisförmige Fenster
Optische Fenster aus Rubin können außerdem in folgenden Ausführungen hergestellt werden:
- Rechteckige oder quadratische Teller
- Ovale Fenster
- Ringe
- Abgestufte Fenster
- Schlitzteile
- Fenster mit Flachstellen oder Ausrichtungsmerkmalen
- Sonderformen auf Basis einer CAD-Zeichnung
Bei nicht kreisförmigen Teilen sind Länge, Breite, Eckenradius, Profiltoleranz und Bezugsstruktur anzugeben.
Lichtdurchlass
Die freie Öffnung ist der Bereich, in dem die optischen Anforderungen erfüllt sein müssen. Sie unterscheidet sich vom Außendurchmesser.
Zum Beispiel:
Außendurchmesser: Ø 25,00 mm
Lichte Öffnung: Ø 22,00 mm, zentriert auf den Außendurchmesser
Wenn keine klare Apertur angegeben ist, weiß der Hersteller möglicherweise nicht, ob die Anforderungen an Ebenheit, Oberflächenqualität und Durchlässigkeit für die gesamte polierte Fläche oder nur für den zentralen optischen Bereich gelten.
Bei der Berechnung der lichten Öffnung sollte außerdem Folgendes berücksichtigt werden:
- Überlappung der Sicherungsringe
- Breite des Klebstoffs oder Dichtungsmittels
- Kontaktfläche der Dichtung
- Kantenabschrägung
- Ausrichtungstoleranz
- Erwarteter Strahldurchmesser und Strahlbewegung
Randbedingung
Rubin ist extrem hart, kann jedoch dennoch Kantenabsplitterungen aufweisen, wenn die Kante scharf bleibt oder unsachgemäß behandelt wird. Legen Sie die erforderliche Kantenbearbeitung fest, zum Beispiel:
- Fein geschliffene Kante
- Polierte Kante
- Schutzschräge
- Fase
- Abgerundete Kante
- Geschwärzte oder beschichtete Kante
Ein Beispiel für eine Zeichnungsanmerkung könnte lauten:
Kantenfasung: 0,20–0,30 mm × 45°, sofern nicht anders angegeben
Geben Sie außerdem die maximal zulässige Größe von Randspänen an und ob Randspäne außerhalb der freien Apertur zulässig sind.
2. Wählen Sie die richtige Dicke aus
Die Dicke beeinflusst sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch das optische Verhalten. Sie sollte nicht allein anhand des Fensterdurchmessers ausgewählt werden.
Mechanische Aspekte
Bei einem Druck- oder Vakuumfenster hängt die Wahl der Dicke von folgenden Faktoren ab:
- Nicht unterstützter optischer Durchmesser
- Maximaler Druckunterschied
- Statische, zyklische oder Stoßbelastung
- Befestigungs- und Dichtungsverfahren
- Maximale Betriebstemperatur
- Temperaturgradient
- Oberflächenbeschädigungen und Kantenbeschaffenheit
- Erforderlicher Sicherheitsfaktor
- Anforderungen an den Prüfdruck
Ein größerer Außendurchmesser bedeutet nicht zwangsläufig eine größere freiliegende Öffnung. Ein Fenster kann zwar einen Außendurchmesser von 50 mm haben, nach dem Einbau jedoch nur eine freiliegende Fläche von 30 mm aufweisen.
Bei sicherheitskritischen Druckbehältern sollte die endgültige Wandstärke durch eine mechanische Analyse und, falls erforderlich, durch eine Belastungsprüfung belegt werden. Eine allgemeine Wandstärketabelle sollte die anwendungsspezifische Auslegung nicht ersetzen.
Optische Überlegungen
Auch die Dicke ändert sich:
- Optische Weglänge
- Fokusposition bei konvergierenden Strahlenbündeln
- Strahlverschiebung bei nicht normalem Einfallswinkel
- Interferenzen und Geisterreflexionen
- Absorption durch das Rubinmaterial
- Wahrgenommene rote Farbe
- Fluoreszenzintensität
- Gesamte externe Übertragung
In den Absorptionswellenlängenbereichen lässt ein dickeres Rubinfenster im Allgemeinen weniger Licht durch als ein dünneres Fenster aus demselben Material und mit derselben Chromkonzentration. Daher muss die spektrale Transmission stets mit einer definierten Enddicke in Verbindung gebracht werden.
Dickentoleranz
Eine vollständige Spezifikation enthält sowohl die Nenndicke als auch die Toleranz:
Dicke: 3,00 ± 0,05 mm
Bei allgemeinen Schutzbauteilen sind Toleranzen von ±0,10 mm zulässig, während bei präzisen optischen Baugruppen Toleranzen von ±0,05 mm, ±0,02 mm oder noch engere Toleranzen erforderlich sein können. Bevor Sie sich für eine sehr enge Toleranz entscheiden, sollten Sie prüfen, ob das System tatsächlich von der absoluten Dicke, der Parallelität, der Gesamtdickenabweichung oder der durchgelassenen Wellenfront abhängt.
3. Die Ruby-Materialgüte definieren
“Ruby” allein ist keine vollständige Materialspezifikation.
Synthetisches Einkristallmaterial
Für hochpräzise optische Fenster lautet eine typische Materialbeschreibung wie folgt:
Synthetischer Einkristall-Rubin, Cr³⁺₂O₃
Geben Sie gegebenenfalls auch das zulässige Kristallwachstumsverfahren an. Gängige Wachstumsverfahren können zu unterschiedlichen Kristallstangengrößen, Defektdichten, Eigenspannungen und Kostenstrukturen führen. Ist das Wachstumsverfahren nicht funktional relevant, ist es in der Regel besser, die geforderte optische und innere Qualität zu definieren, anstatt den Prozess einzuschränken.
Chromkonzentration und Farbe
Die Chromkonzentration beeinflusst die Farbe, die Absorption und die Fluoreszenz des Rubins. Bezeichnungen wie “hellrosa”, “klassisches Rot” oder “dunkler Rubin” sind subjektiv und können je nach Anbieter und Produktionscharge variieren.
Geben Sie für eine funktionsfähige optische Komponente eine oder mehrere der folgenden Angaben an:
- Konzentrationsbereich für Chrom oder Cr₂O₃
- Mindestdurchlässigkeit bei der Betriebswellenlänge
- Vollständige Transmissionskurve über einen definierten Wellenlängenbereich
- Zulässige Farbabweichungen
- Freigegebenes physisches Farbmuster
- CIE-L*a*b*-Farbraum mit Messbedingungen
- Maximale Variation innerhalb eines Fensters
- Maximale Schwankung zwischen den Chargen
Für die meisten optischen Anwendungen ist eine messbare Transmissionsanforderung aussagekräftiger als eine visuelle Farbbeschreibung.
Interne Materialqualität
Legen Sie je nach Anwendungsfall Akzeptanzkriterien fest für:
- Blasen
- Inklusionen
- Wachstumsstörungen
- Dehnungsstreifen
- Farbzonierung
- Spannungsdoppelbrechung
- Kristallgrenzen
- Lokale Schwankungen bei der Übertragung
- Homogenität des Brechungsindexes
Der Prüfbereich und die Beleuchtungsmethode sollten angegeben werden. Eine kosmetische Sichtprüfung ist nicht gleichbedeutend mit einer interferometrischen Homogenitätsprüfung.
4. Kristallorientierung angeben
Rubin ist ein anisotroper und doppelbrechender Kristall. Die Kristallorientierung kann daher das Polarisationsverhalten, den Brechungsindex, die Wellenfrontleistung und das Spannungsverhalten beeinflussen.
Eine NIST-Studie zu einer bestimmten, im Czochralski-Verfahren gezüchteten Rubinprobe ergab bei 643,8 nm einen ordentlichen und einen außerordentlichen Brechungsindex von 1,76569 bzw. 1,75759. Diese probenspezifischen Werte verdeutlichen, warum die Kristallrichtung bei Präzisionsanwendungen eine Rolle spielen kann. NIST-Studie zu den photoelastischen Konstanten von Rubin
Zu den möglichen Anforderungen hinsichtlich der Ausrichtung gehören:
- C-Achse senkrecht zu den optischen Flächen
- C-Achse parallel zu den optischen Flächen
- A-Ebenen- oder R-Ebenen-Ausrichtung
- Benutzerdefinierte Achsrichtung relativ zu einer mechanischen Referenzfläche
- Ausrichtungstoleranz, z. B. ±0,5° oder ±1°
Wenn es sich bei dem Fenster lediglich um eine nicht abbildende Schutzabdeckung handelt, ist eine strenge Ausrichtungskontrolle möglicherweise nicht erforderlich. Bei polarisiertem Licht, Abbildungssystemen, Interferometrie oder Laseranwendungen sollte die Ausrichtung sorgfältig überprüft werden.
5. Festlegung der Polieranforderungen
Der Ausdruck “optisch poliert” ist für sich genommen nicht präzise genug. In der Spezifikation sollte erläutert werden, welche Oberflächen poliert werden und wie die Polierqualität bewertet wird.
Einseitiges oder beidseitiges Polieren
Bei den meisten lichtdurchlässigen Rubin-Fenstern müssen beide optischen Oberflächen poliert sein. Ein einseitiges Polieren kann akzeptabel sein, wenn eine Seite absichtlich geschliffen, verklebt oder ausschließlich als mechanische Referenzfläche dient.
Eine übliche Zeichnungsanmerkung lautet:
Oberfläche 1 und Oberfläche 2: beidseitige optische Politur
Falls die beiden Seiten unterschiedliche Anforderungen haben, kennzeichnen Sie diese jeweils als S1 und S2.
Oberflächenrauheit
Die Oberflächenrauheit beschreibt eher die mikroskopische Struktur als sichtbare Kratzer oder die allgemeine Ebenheit der Oberfläche. Eine übermäßige Rauheit erhöht die Lichtstreuung und kann die Leistung in Bildgebungs- und Lasersystemen beeinträchtigen.
Geben Sie Folgendes an:
- Ra- oder Rq-Wert
- Zulässiger Höchstwert
- Messgerät
- Abtastlänge oder Auswertungsbereich
- Raumfrequenz- oder Filterbedingungen, wenn diese entscheidend sind
- Ob die Anforderung über die lichte Öffnung gilt
Beispiele für Anforderungen können sein:
- Rq ≤ 2 nm für ein allgemeines optisches Sichtfenster
- Rq ≤ 1 nm für den Einsatz in Präzisionssensoren oder in der Bildgebung
- Rq ≤ 0,5 nm für Anwendungen mit geringer Streuung oder anspruchsvolle Laseranwendungen
Der korrekte Wert hängt von der Wellenlänge und der Empfindlichkeit des Systems ab. ISO 10110-8:2019 enthält Regeln zur Darstellung der optischen Oberflächenstruktur.
Ebenheit
Die Ebenheit beschreibt die Form einer einzelnen Oberfläche bei niedrigen räumlichen Frequenzen. Sie sollte Folgendes umfassen:
- Maximaler Oberflächenformfehler
- Freie Öffnung oder Testbereich
- Testwellenlänge
- Ob die Stromversorgung enthalten ist oder nicht
- Mess- und Berichtsverfahren
Beispiele hierfür sind:
Oberflächenebenheit: ≤ λ/2 bei 632,8 nm über die freie Apertur
oder:
Oberflächenformabweichung: ≤150 nm PV über die freie Apertur
Der aktuelle ISO 10110-5:2026 verwendet Nanometer als bevorzugte Einheit für Oberflächenformabweichungen. Wird die Ebenheit in Wellen oder Streifen angegeben, muss die Referenzwellenlänge angegeben werden.
Parallelität und Keil
Die Parallelität beschreibt das Winkelverhältnis zwischen den beiden polierten Oberflächen. Eine unzureichende Parallelität kann folgende Auswirkungen haben:
- Strahlabweichung
- Bildverschiebung
- Fokusfehler
- Ungleichmäßiger Strahlengang
- Ausrichtungsprobleme
Umgekehrt erfordern manche optische Systeme bewusst einen kleinen Keil, um Geisterreflexionen auszuscheiden.
Beispiele für Anforderungen sind:
Parallelität: ≤1 Bogenminute
oder:
Keilwinkel: 30 ±5 Bogensekunden, Keilrichtung an der Kante markiert
Fordern Sie nicht sowohl “parallele Flächen” als auch einen absichtlichen Keil an, ohne zu klären, welche Anforderung Vorrang hat.
6. Definition der optischen Oberflächenqualität
Die Oberflächenqualität bezieht sich auf lokale Mängel wie Kratzer, Vertiefungen und Kerben. Sie unterscheidet sich von der Oberflächenrauheit und der Ebenheit.
Zu den gängigen „Scratch-Dig“-Bewertungen gehören:
- 60:40 für optische Fenster in gewerblichen Anwendungen oder zum Schutzzweck
- 40-20 für allgemeine Präzisionsoptik
- 20-10 für anspruchsvolle Bildgebungs- oder Laserkomponenten
- 10-5 für hochempfindliche optische Systeme
Diese Körnungen sollten als anwendungsabhängige Ausgangswerte betrachtet werden. Die Festlegung von 10-5, wenn 40-20 ausreicht, kann die Kosten für das Polieren und die Prüfung erheblich erhöhen.
Eine Zeichnung sollte nicht nur “40-20” angeben. Sie sollte die maßgebliche Prüfnorm oder die einvernehmlich vereinbarte Vergleichsmethode angeben.
ISO 10110-7:2017 befasst sich mit lokalen Oberflächenfehlern, langen Kratzern und Kantenabsplitterungen innerhalb eines definierten Prüfbereichs. Es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass ISO- und herkömmliche Scratch-Dig-Systeme ohne eine vereinbarte Prüfmethode direkt austauschbar sind.
Legen Sie außerdem fest, ob die Anforderung an die Oberflächenqualität für Folgendes gilt:
- Die vollständig polierte Oberfläche
- Nur die effektive Öffnung
- Beschichtete Oberflächen nach der Beschichtung
- Beide Seiten einzeln
- Innere Fehler sowie Oberflächenfehler
7. Ebenheit ist nicht dasselbe wie die übertragene Wellenfront
Ein Fenster kann zwar auf jeder Oberfläche eine akzeptable Ebenheit aufweisen, dennoch jedoch einen inakzeptablen Wellenfrontfehler verursachen, und zwar aus folgenden Gründen:
- Dickenabweichung
- Ungleichmäßige Oberflächenkrümmung
- Materialinhomogenität
- Restspannung
- Kristallorientierung
- Doppelbrechung
- Zunehmender Stress
Für die Bildgebung, Interferometrie oder die Transmission kollimierter Laserstrahlen geben Sie die Verformung der durchgelassenen Wellenfront direkt an.
Ein Beispiel hierfür ist:
Wellenfrontfehler der durchgelassenen Strahlung: ≤ λ/2 PV bei 632,8 nm über die freie Apertur
Bei anspruchsvolleren Systemen kann der RMS-Wellenfrontfehler aussagekräftiger sein als ein PV-Wert. Die Messwellenlänge, die Polarisation, die Apertur, die Montagebedingungen sowie die Angabe, ob Neigung oder Leistung kompensiert wurden, sollten angegeben werden.
ISO 10110-14:2018 definiert Darstellungshinweise für die Verformung der durchgelassenen oder reflektierten Wellenfront.
8. Spektrale Transmission angeben
Rubin sollte nicht als farbloser Saphir mit rotem Erscheinungsbild betrachtet werden. Chrom bewirkt wellenlängenabhängige Absorption und Fluoreszenz, daher muss das spektrale Verhalten für die jeweilige Anwendung definiert werden.
Eine vollständige Übermittlungsanforderung sollte Folgendes enthalten:
- Betriebswellenlänge oder Wellenlängenbereich
- Mindest-, Durchschnitts- oder Nennübertragung
- Interne oder externe Übertragung
- Dicke des fertigen Fensters
- Einfallswinkel
- Polarisation, sofern relevant
- Temperatur prüfen, falls die Leistung temperaturabhängig ist
- Messauflösung
- Akzeptanz über die gesamte Apertur oder an ausgewählten Punkten
Zum Beispiel:
Externe Transmission: ≥X% bei 694 nm, gemessen bei normalem Einfallswinkel durch das fertige, 3,00 mm dicke Fenster
oder:
Legen Sie für jede Produktionscharge eine gemessene externe Transmissionskurve im Bereich von 400 bis 900 nm vor.
Interne versus externe Übertragung
Bei der externen Transmission kommt es an beiden Grenzflächen zwischen Luft und Rubin zu Reflexionen. Bei der internen Transmission entfallen diese Verluste durch Oberflächenreflexionen.
Rubin weist einen relativ hohen Brechungsindex auf. Unter Zugrundelegung eines ungefähren Brechungsindex von 1,76 beträgt die Fresnel-Reflexion bei normalem Einfall an jeder unbeschichteten Luftgrenzfläche etwa 7,61 TP3T. Daher kann selbst ein unbeschichtetes Fenster mit geringer Absorption keine externe Transmission von 1001 TP3T gewährleisten. Die Chromabsorption verringert die Transmission in den betroffenen Spektralbändern zusätzlich.
Klären Sie stets, ob sich ein Akzeptanzwert auf die interne oder externe Übertragung bezieht.
Überlegungen zur Fluoreszenz
Rubin kann bei Anregung mit geeigneten Wellenlängen eine starke rote Fluoreszenz abgeben. Dies kann in Sensor- oder Laseranwendungen von Vorteil sein, kann jedoch auch unerwünschte Hintergrundsignale in Bildgebungs- oder Detektionssystemen verursachen.
Falls die Fluoreszenz das System beeinflussen könnte, definieren Sie:
- Anregungswellenlänge
- Erfassungsbereich
- Zulässige Fluoreszenzintensität
- Anforderungen an die Abklingzeit
- Chromkonzentration
- Messgeometrie
9. Entscheiden Sie, ob eine optische Beschichtung erforderlich ist
Eine Antireflexbeschichtung kann die Durchlässigkeit verbessern und Geisterbilder reduzieren, allerdings muss die Beschichtung auf die tatsächlichen Betriebsbedingungen ausgelegt sein.
Bitte geben Sie folgende Informationen an:
- Beschichtung auf S1, S2 oder beiden Oberflächen
- Mittenwellenlänge oder Wellenlängenbereich
- Erforderlicher durchschnittlicher oder maximaler Reflexionsgrad
- Erforderliche Mindestübertragung
- Einfallswinkel
- Polarisation
- Betriebstemperatur
- Feuchtigkeit und chemische Belastungen
- Anforderungen hinsichtlich Abrieb oder Reinigung
- Laserleistung und Impulsparameter, falls zutreffend
Beispiel:
Beidseitige BBAR-Beschichtung, durchschnittlicher Reflexionsgrad ≤ 0,51 TP3T im Wellenlängenbereich von 650 bis 750 nm bei einem Einfallswinkel von 0°
Bei Einsatz von Hochleistungslasern sind außerdem die Wellenlänge, die Pulsdauer, die Wiederholungsrate, der Strahldurchmesser und die Spitzenfluenz anzugeben, damit eine geeignete Schwelle für laserinduzierte Schäden festgelegt werden kann.
10. Die Betriebsumgebung angeben
Je nachdem, wie das jeweilige Rubinfenster montiert und verwendet wird, kann eine unterschiedliche Ausführung erforderlich sein.
Eine Angebotsanfrage sollte Folgendes enthalten:
- Minimale und maximale Betriebstemperaturen
- Temperaturwechselbeanspruchung
- Temperaturgradienten
- Vakuumniveau
- Interner und externer Druck
- Luftfeuchtigkeit
- Einwirkung von Wasser oder Dampf
- Säuren, Laugen oder Reinigungschemikalien
- Salznebel
- Staub und abrasive Partikel
- Mechanische Einwirkung
- Vibration
- Strahlenbelastung
- UV-Belastung im Freien
- Erforderliche Lebensdauer
Die Informationen zur Befestigung sind besonders wichtig. Eine zu hohe Klemmkraft, ein harter Punktkontakt oder ein ungeeigneter Klebstoff können zu Spannungen und Wellenfrontverzerrungen führen, selbst wenn das noch nicht befestigte Fenster die optischen Spezifikationen erfüllt.
11. Empfohlene Überprüfung und Dokumentation
Das Prüfpaket sollte der Funktion und dem Risikograd des Bauteils entsprechen.
Zu den verfügbaren Unterlagen können gehören:
- Werkstoffzertifikat
- Bericht zur Chromkonzentration
- Zertifikat zur Kristallorientierung
- Maßprüfbericht
- Prüfung der Oberflächenqualität
- Bericht zur Oberflächenrauheit
- Interferogramm zur Ebenheit
- Interferogramm der durchgelassenen Wellenfront
- Spektrale Transmissionskurve
- Bericht zur Beschichtungsleistung
- Prüfung der Haftfestigkeit oder der Beständigkeit einer Beschichtung
- Prüfung der Spannungsdoppelbrechung
- Prüfbericht zum Erstmuster
- Rückverfolgbarkeit von Chargen
- Individuelle Seriennummern
- Konformitätsbescheinigung
Die Anforderung jedes einzelnen Prüfberichts für ein einfaches Schutzfenster kann unnötige Kosten verursachen. Bei kritischen optischen Baugruppen können chargenspezifische Messdaten jedoch das Qualifizierungsrisiko verringern.
Beispiel für eine Spezifikation eines optischen Fensters aus Rubin
Das folgende Beispiel lässt sich an einen Muster-Angebotsanfrage anpassen:
| Parameter | Beispiel für eine Anforderung |
| Material | Synthetischer Einkristall-Rubin, Cr³⁺₂O₃ |
| Form | Rundes Plano-Plano-Fenster |
| Durchmesser | Ø 25,00 ± 0,05 mm |
| Dicke | 3,00 ± 0,05 mm |
| Lichtdurchlass | Ø 22,00 mm, zentriert |
| Kristallorientierung | C-Achse senkrecht zu den optischen Flächen innerhalb von ±0,5°, falls erforderlich |
| Polieren | Beide optischen Flächen poliert |
| Oberflächenqualität | 40-20 Kratz- und Grabarbeiten gemäß vereinbartem Inspektionsstandard |
| Oberflächenrauheit | Rq ≤ 1,0 nm über die freie Apertur |
| Ebenheit der Oberfläche | ≤ λ/2 bei 632,8 nm über die freie Apertur |
| Parallelität | ≤1 Bogenminute |
| Übertragene Wellenfront | Bei Bedarf durch das optische System festlegen |
| Spektralanforderungen | Externe Transmission ≥ [Wert] % bei [Wellenlänge] |
| Beschichtung | Unbeschichtet oder Bereich der Antireflexbeschichtung und Reflexionsgrad angeben |
| Kante | 0,20–0,30 mm × 45° Schutzfase |
| Edge-Chips | Keine Chips innerhalb der freien Öffnung; die Grenze außerhalb der Öffnung ist noch festzulegen |
| Umwelt | Angabe von Temperatur, Druck, Vakuum und chemischer Belastung |
| Menge | Prototypenmenge und erwartetes Jahresvolumen |
| Dokumentation | Werkstoffzertifikat und Maßprüfbericht |
Die oben genannten Zahlenwerte sind Beispiele und keine allgemeingültigen Empfehlungen. Die endgültigen Toleranzen sollten entsprechend der optischen Funktion, der Befestigungsart und dem für die Prüfung zur Verfügung stehenden Budget festgelegt werden.
Häufige Fehler bei Ausschreibungen
Angabe von Durchmesser und Dicke
Bei einer Anfrage wie “Rubinlinsen, Ø 25 × 3 mm, poliert” bleiben die Materialgüte, die Toleranzen, die Öffnung und die optische Leistung undefiniert.
Verwendung der Farbe als einzige Übertragungsvoraussetzung
“Dunkelrot” ist subjektiv. Geben Sie eine Transmissionskurve, eine wellenlängenspezifische Anforderung oder ein zugelassenes Referenzmuster an.
Rubin als farblosen Saphir behandeln
Rubin hat denselben Korund-Grundstein, doch Chrom verändert die Absorption und Fluoreszenz. Eine Transmissionskurve für farblosen Saphir sollte nicht zur Zulassung eines Rubinfensters herangezogen werden.
Verwechslung von Oberflächenqualität und Rauheit
Die Anforderung „40-20 Scratch-Dig“ regelt sichtbare lokale Mängel. Die Rq-Anforderung regelt die mikroskopische Oberflächenstruktur. Das eine ersetzt das andere nicht.
Verwechslung von Ebenheit mit der übertragenen Wellenfront
Die Ebenheit bestimmt die Form der einzelnen Oberfläche. Die durchgelassene Wellenfront bewertet die optische Wirkung des gesamten Fensters.
Weglassen der lichten Öffnung
Ohne eine festgelegte freie Apertur könnte der Lieferant einen anderen Bereich prüfen als den, der vom optischen System genutzt wird.
Weglassen der Testwellenlänge
Eine Angabe der Ebenheit oder des Wellenfrontwerts, die lediglich als “λ/4” angegeben wird, ist unvollständig. Die Wellenlänge muss angegeben werden.
Für jeden Parameter die engste verfügbare Toleranz wählen
Extrem strenge Anforderungen an Maßgenauigkeit, Politur und Oberflächenqualität können die Produktionsausbeute erheblich verringern. Passen Sie nur die Parameter an, die sich auf die Systemleistung auswirken.
Was beeinflusst den Preis für optische Fenster aus Rubin?
Zu den wichtigsten Kostenfaktoren zählen:
- Fensterdurchmesser und Materialausnutzung
- Enddicke und Seitenverhältnis
- Rubinrote Farbe oder Chromgehalt
- Verfahren zur Kristallzüchtung
- Anforderung an die Kristallorientierung
- Grenzwerte für innere Fehler und Homogenität
- Toleranzen bei Durchmesser und Dicke
- Ebenheit der Oberfläche
- Übertragene Wellenfront
- Oberflächenrauheit
- Kratz- und Grabstufe
- Parallelität oder Keiltoleranz
- Maßgeschneiderte optische Beschichtung
- Umweltprüfungen
- Einzelne Prüfberichte
- Prototypenmenge und Jahresvolumen
Dünne Rubin-Fenster mit großem Durchmesser können eine besondere Herausforderung darstellen, da sie beim Schleifen, Polieren und Beschichten eine sorgfältige Handhabung erfordern.
Häufig gestellte Fragen
Ist ein optisches Fenster aus Rubin dasselbe wie ein Saphirfenster?
Rubin und Saphir weisen beide die Kristallstruktur von Al₂O₃-Korund auf. Rubin enthält Chrom, das für seine rote Farbe, seine optische Absorption und seine Fluoreszenz verantwortlich ist. Ihre mechanischen Eigenschaften mögen zwar ähnlich sein, doch sollte nicht davon ausgegangen werden, dass ihre spektralen Eigenschaften identisch sind.
Kann ich das Fenster ausschließlich anhand seiner roten Farbe identifizieren?
Die optische Farbe allein reicht für ein funktionsfähiges optisches Bauteil nicht aus. Geben Sie die Chromkonzentration, eine Transmissionskurve, die wellenlängenspezifische Transmission oder einen kontrollierten Farbbereich an.
Sollten beide Oberflächen poliert werden?
Beide Oberflächen werden in der Regel optisch poliert, wenn das Bauteil einen abbildenden oder kollimierten Strahl durchlässt. Für bestimmte geklebte oder nicht-abbildende Anwendungen kann eine einzige polierte Oberfläche ausreichend sein.
Ist eine Oberflächenqualität von 20-10 immer besser als eine von 40-20?
Die Anforderungen an das Erscheinungsbild und die Fehlerfreiheit sind zwar strenger, aber nicht immer zwingend erforderlich. Ein Schutzsichtfenster kann bereits bei einer Qualität von 40:20 oder 60:40 einwandfrei funktionieren. Die richtige Güteklasse hängt von der Strahlgröße, der Lage der Bildebene, der Laserleistung und der Empfindlichkeit des Systems ab.
Wie soll ich die Dicke wählen?
Berücksichtigen Sie den Druckunterschied, die nicht abgestützte Öffnung, die Befestigungsart, die Temperatur, den Sicherheitsfaktor und die optische Absorption. Sicherheitskritische Druckfenster sollten anhand einer mechanischen Analyse und nicht anhand einer allgemeinen Regel zum Verhältnis von Durchmesser zu Dicke bewertet werden.
Weist ein unbeschichtetes Rubin-Fenster eine hohe Lichtdurchlässigkeit auf?
Die externe Transmission wird sowohl durch die Chromabsorption als auch durch die Fresnel-Reflexion an den beiden Oberflächen mit hohem Brechungsindex verringert. Ist bei einer bestimmten Wellenlänge eine höhere Transmission erforderlich, kann eine Antireflexbeschichtung notwendig sein.
Welche weiteren Informationen werden für eine Laseranwendung benötigt?
Geben Sie die Wellenlänge, die Leistung oder Impulsenergie, die Impulsdauer, die Wiederholungsrate, den Strahldurchmesser, die Polarisation, den Einfallswinkel, die erforderliche Wellenfrontqualität und die Schwelle für laserinduzierte Schäden an. Geben Sie außerdem an, ob es sich bei dem Rubin um ein passives Fenster oder um ein aktives Lasermedium handelt.
Schlussfolgerung
Eine zuverlässige Spezifikation für ein optisches Rubin-Fenster muss die mechanische Zeichnung mit der tatsächlichen optischen Funktion verknüpfen. Durchmesser und Dicke legen lediglich die grundlegende Geometrie fest. Kristallorientierung, Chromkonzentration, Polierqualität, freie Apertur, Ebenheit, durchgelassene Wellenfront, spektrale Transmission und Beschichtung entscheiden darüber, ob das fertige Fenster im vorgesehenen System funktionieren wird.
Um ein genaues Angebot zu erhalten, senden Sie dem Lieferanten bitte folgende Informationen:
- Eine Maßzeichnung
- Anforderungen an Material und Ausrichtung
- Betriebswellenlänge
- Lichtdurchlass
- Anforderungen an die Politur und die Oberflächenqualität
- Transmissions- oder Beschichtungsziele
- Betriebsumgebung
- Prüfvorschriften
- Prototypen und Serienmengen
Sollten einige Parameter noch nicht feststehen, geben Sie bitte die Anwendung, die Befestigungsart und die angestrebte optische Leistung an. Der Hersteller kann Ihnen dann serienreife Toleranzen empfehlen, ohne dass dadurch unnötige Kosten entstehen.