N-BK7 vs sílica fundida: escolher o substrato certo

Resposta rápida

Se a sua aplicação funciona acima de aproximadamente 350 nm e pretende o vidro ótico mais económico e amplamente disponível, escolha N-BK7. Se precisar de transmissão no ultravioleta, menor expansão térmica ou melhor desempenho no UV profundo, escolha sílica fundida. Para focagem de laser a 1064 nm onde a aberração esférica importa, uma lente bestform no substrato certo dá-lhe o ponto mais pequeno.

Onde o N-BK7 vence e onde fica aquém

O N-BK7 é um vidro crown de borossilicato com um índice de refração de aproximadamente 1.517 a 587.6 nm. Esse índice é estável de lote para lote, o que o torna a escolha padrão para sistemas ópticos de luz visível e infravermelho próximo onde o custo e a disponibilidade importam. Transmite bem de cerca de 350 nm a 2,000 nm, cobrindo a maioria dos trabalhos com laser de díodo, visão de máquina e laboratório em geral. O N-BK7 também polido com excelente qualidade de superfície e aceita facilmente revestimentos antirreflexo padrão.

O N-BK7 deixa de ser a resposta certa quando se passa para o UV. Abaixo de aproximadamente 350 nm, a transmissão interna cai drasticamente. Se a sua fonte for um laser de 355 nm ou 266 nm, uma ótica de N-BK7 absorverá luz suficiente para causar distorção térmica e redução do rendimento. O material também tem um coeficiente de expansão térmica relativamente alto em comparação com a sílica fundida, portanto, em aplicações com grandes variações de temperatura, o foco pode derivar.

O que a sílica fundida acrescenta para estabilidade UV e térmica

A sílica fundida é dióxido de silício amorfo, não um material cristalino. O seu limite de transmissão UV estende-se muito mais fundo do que o do N-BK7, e os graus de baixo teor de OH transmitem bem para além de 3 micrómetros no infravermelho. Isso torna a sílica fundida o substrato padrão para lasers excimer, espectroscopia UV e qualquer aplicação onde a transmissão UV profunda seja inegociável. Também tem um coeficiente de expansão térmica mais baixo do que o N-BK7, por isso mantém melhor a forma e o foco quando a temperatura ambiente muda.

A contrapartida é o custo e a disponibilidade. Os blanks de sílica fundida são mais caros de produzir e certos graus demoram mais a obter. Também é mais macia do que algumas alternativas cristalinas, pelo que os procedimentos de manuseamento e limpeza são mais importantes. Para sistemas apenas visíveis, pagar por sílica fundida muitas vezes não compra nada que se possa medir.

A escolha do substrato altera a geometria da lente, não apenas a transmissão

O índice de refração do substrato determina o fator de forma que minimiza a aberração esférica numa lente de elemento único. É por isso que uma lente bestform é concebida para um material específico. Uma lente bestform fabricada em N-BK7 tem raios frontal e traseiro diferentes dos de uma lente fabricada em sílica fundida, porque a diferença de índice altera a relação ótima. Se substituir um substrato por outro num design bestform, perde a correção de aberração que o tornava bestform.

Isto é mais importante quando está a focar um laser num ponto mínimo. Uma lente esférica simples no substrato errado produzirá um ponto maior e um erro de frente de onda maior do que o mesmo design no vidro correto. Ao encomendar uma lente bestform, especifique o comprimento de onda de design e o substrato em conjunto para que os raios sejam calculados para a sua utilização real.

Aplicações cilíndricas e de janelas seguem a mesma lógica

As lentes cilíndricas focam a luz num eixo e são comuns na geração de linhas laser, imagiologia de matriz linear e espectroscopia de fenda. Aplicam-se as mesmas regras de substrato: escolha N-BK7 para trabalho cilíndrico em luz visível e infravermelho próximo onde o custo importa, e sílica fundida ou quartzo fundido quando é necessária transmissão UV ou estabilidade térmica. Uma lente cilíndrica em quartzo fundido G1, por exemplo, dá-lhe o alcance UV que o borossilicato não consegue igualar.

Para janelas e óticas de proteção, a decisão é mais simples. Se a janela só precisar de passar luz visível e proteger a ótica atrás dela, uma janela circular de qualidade comercial em N-BK7 ou equivalente é geralmente suficiente. Se a janela estiver à frente de uma fonte UV ou tiver de sobreviver a ciclos térmicos, uma janela de sílica fundida de baixo OH é a melhor escolha a longo prazo porque transmite até 3 micrómetros e lida com mudanças de temperatura com menos distorção.

Regras de decisão para a seleção do substrato

• Primeiro, o comprimento de onda: Se o seu comprimento de onda mais curto for inferior a 350 nm, escolha sílica fundida ou quartzo fundido. Se tudo estiver acima de 350 nm, N-BK7 é geralmente suficiente e custa menos. Verifique o espectro da fonte antes de qualquer outra coisa.
• Ambiente térmico: Se a ótica sofrer variações de temperatura superiores a cerca de 20°C ou precisar de manter o foco durante o aquecimento, a menor expansão térmica da sílica fundida reduz a deriva. Bancadas de laboratório estáveis favorecem o N-BK7; sistemas de campo ou de vácuo favorecem frequentemente a sílica fundida.
• Correção de aberrações: Para focagem de elemento único, o fator de forma ideal está ligado ao índice do substrato. Encomende o substrato e o comprimento de onda de projeto em conjunto para que os raios correspondam à sua aplicação. Nunca troque substratos num design bestform sem recalcular.
• Orçamento e prazo de entrega: N-BK7 é geralmente mais barato e mais amplamente disponível em stock. A sílica fundida custa mais e alguns graus demoram mais tempo a obter. Se o desempenho no visível for suficiente, N-BK7 liberta orçamento para revestimentos ou suportes.

Produtos que ilustram a decisão sobre o substrato

• Lentes laser Bestform, vidro ótico N-BK7*: As lentes laser Bestform em vidro ótico N-BK7 são moldadas de modo que os raios frontal e traseiro seguem uma proporção específica determinada pelo fator de forma do material, o que reduz a aberração esférica ao focar um laser num ponto mínimo. Se o seu laser opera no visível ou no infravermelho próximo e pretende o ponto focado mais pequeno, esta é a opção económica Bestform. Não substitua um substrato diferente sem recalcular o design.
• Lentes laser Bestform, sílica fundida de grau S1-UV: As lentes laser Bestform em sílica fundida de grau S1-UV estão disponíveis com uma opção de comprimento de onda de design, permitindo-lhe ajustar a lente à sua fonte UV. Para focagem a 355 nm ou 266 nm, a forma Bestform em sílica fundida preserva a correção de aberração no comprimento de onda onde N-BK7 absorveria. Especificar o comprimento de onda de design garante que os raios sejam otimizados para o seu laser.
• Janelas de qualidade comercial, circulares, em sílica fundida de grau I2-IR de baixo OH: Janelas circulares de qualidade comercial em sílica fundida de grau I2-IR de baixo OH transmitem até 3 mícrons e têm um baixo coeficiente de expansão térmica, com precisão de superfície de 2λ por polegada ou melhor. Esta janela funciona para aplicações de IR e UV onde o borossilicato falharia. O grau de baixo OH e a estabilidade térmica tornam-na adequada para ambientes com variações de temperatura.
• Lentes cilíndricas, quartzo fundido G1, grau comercial: As lentes cilíndricas de quartzo fundido G1 de grau comercial produzem uma linha focal paralela ao eixo cilíndrico, útil para imagens de matrizes lineares e fendas espectroscópicas. Quando precisar de focagem de um eixo no UV ou com melhor estabilidade térmica do que N-BK7, esta lente cilíndrica de quartzo fundido cobre aplicações que o borossilicato não consegue.

Qual substrato se adequa à sua aplicação

Escolha N-BK7 se precisar de

• Focagem de laser visível ou de infravermelho próximo onde o custo e a disponibilidade são importantes
• Ótica geral de laboratório, visão de máquina ou configurações educacionais acima de 350 nm
• Uma lente bestform para 1064 nm ou comprimentos de onda visíveis onde o design já está otimizado para borossilicato

Escolha sílica fundida ou quartzo fundido em vez disso se precisar de

• Transmissão UV abaixo de 350 nm, como sistemas laser de 355 nm ou 266 nm
• Estabilidade térmica em ambientes com grandes variações de temperatura
• Transmissão de infravermelhos até 3 micrómetros com janelas de sílica fundida de baixo teor de OH