科学および実験室機器における要件は変化してきた—より薄い部品、より広い帯域、より過酷な環境—そしてその変化は石英および結晶ガラスサプライヤーに求められる品質を変えている。本稿では、需要の方向性、それが仕様に意味する内容、および設計が単一の工程に縛られないよう調達を構成する方法を検討する。
科学および実験室機器における光学石英および結晶ガラス
科学および実験室機器において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。実験室機器は再現性で評価されるため、その光学は文書化され、性能は測定キャンペーンの間ドリフトしてはならない。多くの機器は参照光路に対して較正され、これは窓またはフィルタの小さな変化が明らかな故障を生じるのではなくすべての読み取りをシフトすることを意味する。
コストを下げる設計ルール
石英を用いた設計は、その特性を活用しつつ二重に支払わないことを意味する。UV透過、低膨張、または高損傷閾値が実際に必要な場所でそれを使用し、他の場所では通常の光学ガラスを使用する；石英窓とホウケイ酸ガラス取付リングを使用するハイブリッドアセンブリは、石英自体はごくわずかしか動かないにもかかわらず重大な膨張不一致を考慮しなければならない。エッジを面取りに保ち、光学面への直接クランプを避ける。取付けがそれを支持しない限り、非常に薄い部品と非常に厳しい平面度の両方を指定するのを避ける。偏光作業については、図面に軸方向を明記する。科学および実験室機器において、最初の切断前の短い設計レビューは通常、厳しい公差の1つを完全に排除し、これが最も安価な可能な再設計である。
規格・文書・トレーサビリティ
石英光学は、他の要素と同じ図面規格、ISO 10110およびISO 12123を通じて指定され、OH含有量、気泡クラス、および均質性をカバーする追加の材料仕様を伴う。レーザーアプリケーションは損傷閾値試験規格を参照し、しばしば証明用サンプルデータを必要とする。清浄度仕様は半導体隣接部品で重要となり、そこでは単位面積あたりの粒子数が制御され文書化される。環境コンプライアンスはRoHSおよびREACH宣言によってカバーされる。科学および実験室機器において、部品のリリースの可否を最も頻繁に決定する文書は材料ロットに遡るトレーサビリティである。なぜなら組立中に発見された均質性または異物の問題は、影響を受けた部品が特定できない限り封じ込められないからである。
コストと納期を左右する要因
石英はすべての段階で光学ガラスよりも高価である。原料はBK7の数倍の価格であり、硬度のために研削・研磨がはるかに遅いため、深紫外グレード窓は同等のホウケイ酸ガラス部品の5〜10倍のコストとなる。グレード選択はサイズ以上に価格を駆動する：低OH材料および低気泡・高均質グレードは大きなプレミアムを伴う。平面度と表面品質は通常のパターンに従い、各ステップの厳格化が仕上げ工程を追加する。科学および実験室機器において、賢明なアプローチは、透過要件を満たす最も安価な石英を購入し、帯域が実際に必要とする場所のみ深紫外グレードを指定することである。なぜなら深紫外と指定された部品のほとんどは350 nm以下の光に決してさらされないからである。
石英および結晶ガラスが実際にどのように機能するか
石英および結晶ガラスは、関連するが異なる2つの材料をカバーする。溶融石英は合成された非晶質の二酸化ケイ素であり、溶融または化学気相堆積によって作られ、部品が約250 nm以下で動作しなければならない、高レーザーエネルギーに耐えなければならない、または急速な温度変化を許容しなければならない場合に常に選択される材料である。結晶石英は天然または育成された結晶であり、その圧電挙動のために価値があり、周波数制御、偏光光学、およびその特定の光学活性が重要な場所で使用される。両者は非常に低い熱膨張係数を共有し、それはソーダ石灰ガラスの約17分の1であり、これが石英窓が普通のガラスを割る温度勾配を生存できる理由である。科学および実験室機器において、その熱安定性と深紫外透過の組み合わせが、より安価な光学ガラスの代わりに石英が指定される通常の理由である。
科学および実験室機器に特有の要件
科学および実験室機器において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。実験室機器は再現性で評価されるため、その光学は文書化され、性能は測定キャンペーンの間ドリフトしてはならない。多くの機器は参照光路に対して較正され、これは窓またはフィルタの小さな変化が明らかな故障を生じるのではなくすべての読み取りをシフトすることを意味する。
- 文書化され安定した透過曲線
- 較正妥当性のためのバッチ間一貫性
- 実験室溶剤への化学耐性
- 干渉計光路用の精密表面品質
試験所のISO/IEC 17025コンテキスト、ISO 10110図面、および完全な材料およびコーティング文書。
選定データ一覧
| パラメータ | 標準値 | 備考 |
|---|---|---|
| 透過帯域 | 185 - 2500 nm（溶融石英） | 深紫外から近赤外 |
| 屈折率 | 1.458（溶融石英） | 低く高度に均一 |
| CTE | 0.55 × 10⁻⁶ /K | 耐熱衝撃性 |
| OH含有量 | < 10 ppm 低OH、> 200 ppm 高OH | UVまたはIR用途で選択 |
| 複屈折 | < 5 nm/cm（溶融） | 結晶石英は本質的に異方性 |
| 平面度 | λ/4 から λ/10 | 石英ウェハはλ/20まで |
| スクラッチ・ディグ | 40-20 標準、20-10 精密 | ISO 10110-7 |
| 厚み範囲 | 0.1 - 30 mm | ウェハは0.1 mmから |
| エッジ仕上げ | 研削、面取り、または精密ラップ | 欠け≤ 0.05 mm |
よくある質問
石英はレーザーアプリケーション用にコーティングできますか？
はい、そしてコーティングは通常基板よりも重要である。損傷閾値は動作波長とパルス幅で指定され、同じ材料ロットの証明用サンプルで検証される。
石英窓はどの程度平坦にできますか？
633 nmでのλ/4からλ/10は日常的なものであり、石英ウェハはλ/20まで研磨できる。石英は剛性があり低膨張であるため形状は安定しているが、平面度が自立時か取付時かのいずれに必要かを指定しなければならない。
窓だけでなく石英ウェハも提供しますか？
はい、0.1 mm以上から、真空チャック加工用に制御された厚み変動（TTV）と反り、および自動取扱い装置用に選択されたエッジプロファイルをもって提供する。