産業用レーザー加工向けの石英および結晶ガラスの仕様を定めるとは、実用上を実際に左右する3つの数値を決め、他はそれに従わせるという作業であることが多い。本ガイドでは、図面に記載すべきパラメータ、実際に価格を変える公差、そして初回納品時に抜け落ちて議論の対象となる仕様項目を順に解説する。
産業用レーザー加工における光学石英および結晶ガラス
産業用レーザー加工において、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。レーザーシステムは、任意のアプリケーションの中で最高のエネルギー密度をビーム光路内のコーティングおよび窓に置く。損傷閾値、吸収、および熱レンズ効果は、機械が連続稼働の1シフトにわたって焦点シフトを保持するかどうかを決定し、いかなるコーティング故障も即時の生産停止である。
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。産業用レーザー加工において、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。
コーティングと成膜の検討事項
石英のコーティングは、応力と清浄度の管理を意味する。その低膨張性は、基板が密な酸化物スタックが導入する応力を緩和しないことを意味するため、薄い部品ではコーティングが窓を目に見えて反らせ得る；裏面に応力補償層をもつバランス設計が必要となることがある。石英は軟らかいガラスとは異なる方法で汚染を引き付け保持するため、コーティング前の洗浄はより長く、通常UVオゾンまたはプラズマ工程を含む。レーザー部品については、コーティングの吸収と損傷閾値が仕様を支配し、コーティングは都合の良い広帯域平均ではなく、動作波長とパルス幅で評価されなければならない。産業用レーザー加工において、硬質で低吸収のコーティングと、面取りされ精密ラップされたエッジの組み合わせこそが、石英窓が光学フラックスと熱サイクルの両方を生存させるものである。
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。産業用レーザー加工において、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。
実際に重要な公差
石英部品は他の光学要素と同様に見積もられるが、いくつかの公差は特別な注意に値する。平面度と透過波面は指定された波長で測定され、石英は剛性があり低膨張であるため、優れた平面度は公称ではなく実際に達成可能である。複屈折は溶融部品についてナノメートル毎センチメートルで指定され、結晶材料に本質的なものである；アプリケーションが偏光感受性である場合、その数値は図面に記載されるべきである。ウェハについては、部品が平面度が機械的に課される真空チャックで加工される可能性があるため、厚み変動（TTV）と反りが光学形状とともに重要である。表面品質はスクラッチ・ディグで示され、エッジ仕上げは欠けサイズで示される。産業用レーザー加工において、表面形状が温度時にも、それとも室温時のみに保持されなければならないかを明記する価値がある。
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。産業用レーザー加工において、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。
産業用レーザー加工に特有の要件
産業用レーザー加工において、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。レーザーシステムは、任意のアプリケーションの中で最高のエネルギー密度をビーム光路内のコーティングおよび窓に置く。損傷閾値、吸収、および熱レンズ効果は、機械が連続稼働の1シフトにわたって焦点シフトを保持するかどうかを決定し、いかなるコーティング故障も即時の生産停止である。
- 動作波長およびパルス幅でのレーザー損傷閾値
- 熱レンズ効果を制限する低吸収
- 石英または溶融石英基板
- 焦点安定性用の精密な透過波面
ISO 11551およびISO 21254損傷閾値試験方法、ISO 10110図面、および完成システムのレーザー安全文書。
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。
光学ガラスの代わりに石英をいつ選ぶべきですか？
部品が約300 nm以下を透過しなければならない、急速な熱サイクルを生存しなければならない、または高レーザーエネルギーに耐えなければならない場合。可視光窓およびフィルタについては、ホウケイ酸ガラスまたはB270が費用の一部で同じ機能を果たす。