Optische Fenster: Quarz vs. Saphir vs. CaF₂

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Die Wahl zwischen Quarz-, Saphir- und CaF₂-Fenstern ist eine Entscheidung, die von Wellenlängenbereich, Druckbelastbarkeit, chemischer Verträglichkeit und Kosten bestimmt wird. Quarz (185–3.500 nm) deckt UV-Vis-NIR zu den niedrigsten Kosten ab; Saphir (170 nm–5,5 µm) reicht ins Mittel-IR und bietet die 3-fache Druckfestigkeit für Hochdruckarbeit; CaF₂ (130 nm–9 µm) reicht am tiefsten ins Mittel-IR, ist aber mechanisch weicher und leicht wasserlöslich. Die Wellenlänge ist der primäre Filter; die übrigen Kriterien verfeinern die Wahl.

Materialwahl · UV · Sichtbar · IR

Optische Fenster: Quarz vs. Saphir vs. CaF₂ – Auswahlhilfe

Wählen Sie das richtige optische Fenstermaterial für FTIR-Spektroskopie, Lasersysteme, Halbleiter-Prozess-Schaugläser, Vakuumkammer-Ports und Hochdruckzellen. Transmissionskurven, mechanische Eigenschaften, chemische Beständigkeit, Montageoptionen und der Kompromiss, der entscheidet, welches der drei dominierenden Materialien zu Ihrer Anwendung passt.

Materialklassen

130–9000 nm

Kombinierter Bereich

350+

Lager-SKUs

2 Stk.

Sonder-MOQ

Ein optisches Fenster ist eine täuschend einfache Komponente: eine polierte Platte aus transparentem Material, die Licht durchlässt und zugleich die eine Seite gegen die andere abdichtet. Die Materialwahl entscheidet, welche Wellenlängen durchkommen, wie viel Druck oder Temperatur das Fenster übersteht, welche chemischen Einwirkungen es toleriert und wie es mit der umgebenden Hardware verbunden wird. Das falsche Material zu wählen kostet Monate an Neukonstruktion; das richtige zu wählen ist eine einzige Spezifikationszeile in der Stückliste.

Dieser Leitfaden vergleicht die drei dominierenden Materialien für optische Fenster im Labor- und OEM-Einsatz: Quarzglas (185–2500 nm), Saphir (170–5500 nm + extreme mechanische Eigenschaften)und Calciumfluorid CaF₂ (130–9000 nm IR-Spezialität). Zusammen decken sie praktisch den gesamten nutzbaren UV-Sichtbar-IR-Bereich ab, vom Tief-UV bei 130 nm bis ins Mittel-IR bei 9 µm. Die Entscheidung zwischen ihnen läuft auf vier Fragen hinaus: welcher Wellenlängenbereich, welche mechanische Umgebung, welche chemische Einwirkung und welches Budget.

Wer diesen Leitfaden braucht. OEMs für optische Instrumente (FTIR, Raman, UV-Vis, Lidar), Hersteller von Lasersystemen, Hersteller von Halbleiter-Prozessanlagen (CVD, PVD, Ätzkammern mit Schaugläsern), Vakuumkammer-Ingenieure, Konstrukteure von Hochdruckzellen und die Einkaufsteams, die die Fenster für all dies beschaffen. Wenn Sie je ein optisches Fenster per Copy-and-paste aus der Stückliste eines anderen spezifiziert und gehofft haben, dass es funktioniert, ist dieser Leitfaden für Sie.

Abbildung 1: Transmissionsspektren der drei dominierenden Fenstermaterialien. Quarzglas (JGS1, Tief-UV-Qualität) deckt 185–2500 nm ab, den Alltagsbereich UV-Sichtbar-NIR. Saphir reicht ins Tief-UV (170 nm) und weit ins Mittel-IR (5500 nm / 5,5 µm). CaF₂ deckt das gesamte Mittel-IR bis 9 µm ab und reicht mit 130 nm tiefer ins Tief-UV: das einzige gängige Material, das beides leistet.

1. Warum das Fenstermaterial zählt: die vier Auswahlachsen

Die Spezifikation eines optischen Fensters ist eine Auswahl entlang vier Achsen. Jede Achse kann ein oder mehrere Kandidatenmaterialien ausschließen.

Achse 1: Wellenlängenbereich

Wo im elektromagnetischen Spektrum Ihre Anwendung arbeitet. Quarz endet oberhalb 2,5 µm; Saphir oberhalb 5,5 µm; CaF₂ oberhalb 9 µm. Am Tief-UV-Ende reicht CaF₂ bis 130 nm; Quarz bis 185 nm; Saphir bis 170 nm. Außerhalb des Transmissionsbereichs ist ein Material schlicht undurchsichtig.

Achse 2: Mechanische Umgebung

Druckdifferenz über das Fenster, mechanischer Schock, Vibration, Temperaturschock. Saphir ist mit Abstand am robustesten (Mohs 9, nur Diamant übertrifft ihn) und funktioniert in Druckbehälter-Anwendungen, in denen Quarz brechen würde. Quarz ist mechanisch mäßig. CaF₂ ist das fragilste der drei: weich (Mohs 4), spröde und anfällig für Thermoschockrisse.

Achse 3: Chemische Einwirkung

Lösungsmittel, Säuren, Laugen, Plasma, Wasserdampfwechsel. Quarz und Saphir sind hochgradig inert (die Standardmaterialien für Chemielabor und Prozesstechnik). CaF₂ ist löslich in Mineralsäuren, sauren Dämpfen und sogar bei längerer Wassereinwirkung: bei IR-Küvetten sind trockene Handhabung und Lagerung im Exsikkator Pflicht.

Achse 4: Kosten & Verfügbarkeit

Budgetierung in Größenordnungen: Quarzglas ist das günstigste der drei (~10–30 $ pro typischem 25-mm-Fenster). Saphir kostet das 3–10-Fache von Quarz (Einkristallzucht + Politur schwieriger als bei amorphem Quarz). CaF₂ liegt kostenmäßig nahe bei Saphir, manchmal günstiger, ist aber in großen Durchmessern schwerer zu beschaffen.

Der häufigste Auswahlfehler ist die Verwendung von Quarzglas für eine Anwendung, die über 2,5 µm reichen muss. Das Fenster scheint bei der Justage bei Raumtemperatur zu funktionieren, versagt dann aber, wenn sich herausstellt, dass das IR-Signal zu 70 % vom angeblich transparenten Fenster absorbiert wird. Prüfen Sie den Wellenlängenbereich Ihrer Anwendung vor der Spezifikation gegen die Transmissionskante des Materials.

2. Die Transmissionsspektren im Detail

Transmission von Quarzglas

Quarzglas der Type-1- / JGS1-Qualität (die synthetische Tief-UV-Qualität) zeigt ein Transmissionsfenster von 185 nm bis 2500 nm mit über 90 % Transmission über den größten Teil des Sichtbaren und NIR. Scharfe Grenzen an beiden Enden: unter 185 nm übernimmt die SiO₂-Gitterabsorption; über 2500 nm machen Hydroxyl-(OH)-Absorptionsbanden und Si-O-Gitterschwingungen das Material undurchsichtig. JGS2 (Standard-UV-Qualität) endet bei 220 nm; JGS3 (IR-Qualität mit niedrigem OH) reicht bis ~3500 nm, auf Kosten eines leichten UV-Transmissionsverlusts.

Transmission von Saphir

Synthetischer Einkristall-Saphir (Al₂O₃) transmittiert von 170 nm bis 5500 nm. Über 5,5 µm machen die Al-O-Gitterschwingungen (Multiphononenabsorption) das Material rasch undurchsichtig; die Transmission fällt von 80 % bei 5 µm auf unter 10 % bei 6 µm. Die Tief-UV-Grenze bei 170 nm ist besser als bei Quarz, nützlich für Excimerlaser-Anwendungen (193 nm ArF). Im Sichtbar-NIR-Bereich ist die Transmission von Saphir mit Quarzglas vergleichbar.

Transmission von CaF₂

Calciumfluorid-Einkristall transmittiert am breitesten der drei: von 130 nm im Vakuum-UV bis 9000 nm im Mittel-IR. Die Tief-UV-Grenze bei 130 nm macht CaF₂ zur faktischen Wahl für Excimerlaser-Optik (193-nm-ArF-Laser) und Synchrotron-Strahllinien. Die IR-Transmissionskante bei 9 µm deckt die gesamte Fingerabdruckregion der FTIR-Spektroskopie ab, was CaF₂ zum Standard-Fenstermaterial für FTIR-Probenküvetten und ATR-Kristalle macht.

Antireflex-(AR)-Beschichtungen können auf alle drei Materialien aufgebracht werden, um die Transmission von typischen unbeschichteten 92 % auf über 99 % bei der Designwellenlänge zu steigern. AR-Beschichtungen sind wellenlängenspezifisch (Einzellinie, V-Coat, Breitband oder NIR/IR-Breitband). Geben Sie beim Bestellen AR-beschichteter Fenster die Arbeitswellenlänge an; unbeschichtet ist für die meisten Nicht-Laser-Arbeiten in Ordnung.

Abbildung 2: Materialeigenschaftsvergleich über sechs Dimensionen. Saphir dominiert bei Härte, chemischer Beständigkeit und thermischer Stabilität, kostet aber mehr und ist schwerer zu fertigen. Quarz gewinnt bei Kosten und Fertigungsfreundlichkeit und deckt die häufigsten Sichtbar-/UV-Anwendungen ab. CaF₂ deckt als einziges den breitesten Spektralbereich (130–9000 nm) ab, ist aber mechanisch und chemisch empfindlich.

3. Quarzglasfenster: das Arbeitspferd

Quarzglas (synthetisches amorphes SiO₂) ist das Standard-Fenstermaterial für die meisten Labor- und Industrieanwendungen. Die Kombination aus breiter UV-Vis-NIR-Transmission, ausgezeichneter chemischer Beständigkeit, geringer Wärmeausdehnung, mäßigen Kosten und guter Verfügbarkeit über Durchmesser von 1 mm bis 200+ mm macht es zum ersten Material, das man für jede Fensteranwendung unter 2,5 µm in Betracht zieht.

Qualitäten

JGS1 (Type 1, synthetisch): Tief-UV-Qualität, Transmission ab 185 nm. Höchste Reinheit; geringste metallische Verunreinigungen. Der Standard für UV-Laseroptik, Tief-UV-Spektroskopiefenster und excimernahe Anwendungen. MachinedQuartz-Platten und -Scheiben verwenden standardmäßig diese Qualität („Type 1 Material 185-2500 nm“).
JGS2 (Type 2, Quarzglas): Standard-UV-Vis-Qualität; Grenze bei 220 nm. Akzeptabel für UV-Vis-Spektrophotometerfenster und Anwendungen im sichtbaren Licht; nicht für Tief-UV.
JGS3 (Type 3, IR-Qualität mit niedrigem OH): erweitert die NIR-Transmission auf ~3500 nm durch Entfernen der Hydroxyl-Verunreinigungen; nimmt dafür einen leichten UV-Transmissionsverlust in Kauf. Verwendet für NIR-erweiternde Anwendungen und Laserschweiß-Optik.

Stärken

UV-Transparenz ab 185 nm (JGS1): deckt UV-Vis-NIR fast vollständig ab
Chemische Inertheit gegenüber allen gängigen Lösungsmitteln, verdünnten Säuren und Laugen
Geringe Wärmeausdehnung (0,55 × 10⁻⁶ /K): stabil über einen weiten Temperaturbereich, ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit
Einsatztemperatur bis 1100 °C dauerhaft, 1200 °C kurzzeitig
Günstig gegenüber Saphir und CaF₂ (~10–30 $ für ein typisches 25-mm-Fenster in Lagergeometrien)
In jeder Geometrie innerhalb des Standard-Bearbeitungsbereichs ohne Werkzeuggebühr verfügbar

Grenzen

Transmissionsgrenze bei 2,5 µm: nicht für Mittel-IR-Anwendungen
Geringere Härte als Saphir (Mohs 5,5–6,5): zerkratzt beim Reinigen leichter
Spröde: die Schlagfestigkeit ist mäßig; bei der Installation vor scharfen Stößen schützen
HF-löslich: nicht in Umgebungen mit Flusssäure oder Fluoridplasma verwenden

Für Chemie- und Materialdetails siehe unseren Leitfaden zur UV-Grenze and Leitfaden zu den Fertigungsmethoden.

Beispiele für Quarzformate

Transparente Quarzglasplatte in UV-Qualität, flache polierte Oberfläche, optischer Fensterrohling

Standard

Polierte UV-Platte

Flach · transparentes JGS1

Mattiert

Matte / Diffusorscheibe

Geschliffene Rückseite · gleichmäßiger Diffusor

Sieb

Sieb / perforiert

Gemusterte Durchgangslöcher

Kundenspezifische gerillte Quarzglas-Stufenplatte mit nicht-flacher Geometrie für optische Spezialbaugruppen

Gestuft

Gerillte / gestufte Platte

Nicht-flache Sondergeometrie

4. Saphirfenster: der mechanische Spezialist

Synthetischer Einkristall-Saphir (Al₂O₃, gezüchtet nach Czochralski-, Verneuil-, EFG- oder HEM-Verfahren) ist die richtige Wahl, wenn das Fenster eine raue mechanische Umgebung überstehen muss: hohen Druck, mechanischen Stoß, abrasive Strömung, aggressives Plasma oder extreme Temperatur. Saphir ist nach Diamant das zweithärteste kommerziell genutzte Material und gegenüber fast allem im Wesentlichen inert.

Stärken

Härte Mohs 9: bei normaler Handhabung praktisch kratzfest
Druckfestigkeit ~ 2 GPa: übersteht Mehrbar-Druckdifferenzen in Behälter-Schaugläsern
Breiter Transmissionsbereich 170–5500 nm: deckt UV bis Mittel-IR bis 5,5 µm ab
Hohe Wärmeleitfähigkeit (40 W/m·K vs. 1,4 bei Quarz): leitet die aus absorbierter Laserleistung entstehende Wärme besser ab
Einsatztemperatur bis 1500–1800 °C in inerter Atmosphäre, 800 °C an Luft
Inert gegenüber den meisten Säuren, Laugen und Plasma; nur angegriffen von heißer Phosphorsäure, geschmolzenen Alkalien und HF bei hoher Temperatur
Die Doppelbrechung ist klein, aber in der c-Achse von null verschieden: geben Sie für polarisationsempfindliche Anwendungen „c-cut“ oder „0°-Schnitt“ an

Grenzen

3–10-fache Kosten von Quarzglas gleicher Maße: die Einkristallzucht ist teuer
Mittel-IR-Grenze bei 5,5 µm: nicht für FTIR-Fingerabdruckbereich-Arbeit jenseits 5,5 µm
Die Doppelbrechung erzeugt polarisationsabhängige Transmission: relevant für polarisierte Laser, weniger für inkohärente Quellen
Schwerer zu fertigen als Quarz: Läppen und Polieren sind langsamer; komplexe Geometrien sind teurer
Nicht empfohlen für HF- oder Fluoridplasma-Umgebungen über 200 °C

Standard-Saphirformate

Die meisten Katalog-Saphirfenster sind runde Scheiben von Ø 1,5 mm bis Ø 100 mm mit 0,2–5 mm Dicke. Rechteckige Sonderplatten sind mit 0,5–10 mm Dicke erhältlich. Die Standard-Kristallorientierung ist die c-Achse senkrecht zur Fensterfläche (0°-Orientierung); andere Orientierungen auf Anfrage für spezifische Polarisationsanforderungen.

5. Calciumfluorid-(CaF₂)-Fenster: der IR-Spezialist

Calciumfluorid-Einkristall ist das Spezial-Fenstermaterial für das Mittel-IR. Sein Transmissionsbereich von 130–9000 nm ist der breiteste aller gängig verfügbaren optischen Materialien: die einzige praktikable Alternative für FTIR-Arbeit in der Fingerabdruckregion (5–9 µm), für Excimerlaser-Optik bei 193 nm und 157 nm und für kombinierte Tief-UV-und-IR-Anwendungen.

Stärken

Transmission 130–9000 nm: der breiteste der drei; deckt Vakuum-UV bis Mittel-IR ab
Niedriger Brechungsindex (n ≈ 1,40 im Sichtbaren): geringste Fresnel-Reflexion der drei (~3 % pro Fläche unbeschichtet)
Unlöslich in den meisten organischen Lösungsmitteln
Standard für FTIR-Probenküvetten, ATR-Kristalle, ArF-Excimerlaser-Fenster

Grenzen (das ist das fragile Material)

Weich: Mohs 4, beim Reinigen leicht zerkratzt. Nur weiches Linsenpapier oder Wildleder verwenden; niemals Papiertuch oder raues Wischen
Hygroskopisch: baut bei längerer Einwirkung von Luftfeuchtigkeit ab; die Oberfläche beschlägt über Monate in feuchten Umgebungen. Im Exsikkator oder trockenen N₂-Schrank lagern
Löslich in Mineralsäuren und Laugen, bei niedrigem pH sogar teilweise in Leitungswasser löslich
Thermoschockempfindlich: reißt bei plötzlichen Temperaturänderungen > 50 °C/min. Langsames Aufheizen erforderlich
Bei bestimmten Orientierungen doppelbrechend: geben Sie für nicht polarisierende Anwendungen den (111)-Schnitt an
Größere Durchmesser (Ø > 50 mm) werden durch die Grenzen der Kristallzucht sehr teuer

CaF₂ ist das in der Handhabung anspruchsvollste der drei. Viele Beschwerden über „gebrochene FTIR-Fenster“ gehen zurück auf: wochenlange Lagerung des Fensters in Laborluft (Beschlagen durch Wasserdampf), Verwendung eines Papiertuchs beim Reinigen (Kratzer) oder das direkte Platzieren einer heißen Probe auf einem kalten Fenster (Thermoschockriss). Für Labore mit hohem Durchsatz ein Budget für Fensterersatz einplanen; bei Präzisionsarbeit mit geringem Durchsatz hält die richtige SOP ein CaF₂-Fenster jahrelang.

Abbildung 3: Spezifikationsvergleich über neun Dimensionen. Saphirs Härte, thermische Stabilität und chemische Beständigkeit sind unübertroffen, aber zum 3–10-fachen Quarzpreis. CaF₂ deckt als einziges Vakuum-UV bis Mittel-IR ab, ist aber mechanisch und chemisch das fragilste. Quarz ist das günstigste und am leichtesten zu fertigende und deckt den größten Teil der Fensteranwendungen ab.

6. Direkter Eigenschaftsvergleich: was wohin passt

Die Tabelle unten ordnet die Eigenschaftsdimensionen den Material-Siegern zu. „Best“ bezeichnet das Material, das auf dieser Achse klar gewinnt; wählen Sie entsprechend, wenn eine Achse die bindende Einschränkung ist.

Auswahlachse	Best	Akzeptabel	Vermeiden
Tief-UV-Transmission (130–180 nm)	CaF₂	Saphir (170+ nm)	Quarz
UV-Vis-Transmission (200–700 nm)	Quarz (günstig)	Saphir	CaF₂ (überdimensioniert)
NIR-Transmission (1–2,5 µm)	Quarz (JGS3 am besten)	Saphir	—
Mittel-IR (2,5–5 µm)	Saphir	CaF₂	Quarz (undurchsichtig)
Mittel-IR (5–9 µm, Fingerabdruck)	CaF₂	—	Quarz, Saphir (undurchsichtig)
Hochdruck (> 10 bar über das Fenster)	Saphir	—	Quarz, CaF₂ (Bruchrisiko)
Mechanischer Stoß / Schock	Saphir	—	CaF₂ (sehr fragil)
Kostensensible Mengenbestellung	Quarz	—	—
HF-/Fluoridplasma-Einwirkung	Saphir (kalt)	CaF₂	Quarz (HF löst es auf)
Hygroskopische Umgebung	Quarz	Saphir	CaF₂ (beschlägt über Monate)
FTIR- / ATR-Kristalle	CaF₂	(Spezialität: ZnSe, Ge für > 9 µm)	Quarz, Saphir
UV-Laseroptik (193 nm ArF)	CaF₂	JGS1-Quarz	JGS2-Quarz

Runde Quarzglasscheiben JGS1 Type 1, UV-Transmission 185 bis 2500 Nanometer, für optische Fensteranwendungen

Quarz · 184 SKUs

Quarzglas-Platten & -Scheiben

JGS1-Qualität · 185-2500 nm · Ø 2 bis 100 mm · das kostengünstige Arbeitspferd

Quarzplatten ansehen →

Kundenspezifisches Saphir-Fenstersubstrat, runde Scheibe, optische Qualität, 170 bis 5500 Nanometer Transmission, für Hochdruck- und mechanische Anwendungen

Saphir · 100 SKUs

Saphirfenster / -platten

Einkristall · 170-5500 nm · Härte Mohs 9 · für Druck-/Stoß-/IR-erweiternde Anwendungen

Saphir-Sortiment ansehen →

Calciumfluorid-CaF2-Fenster, rund, optische Qualität, 130 bis 9000 Nanometer Transmission, für FTIR-Mittelinfrarot-Spektroskopie und Excimerlaser-Anwendungen

CaF₂ · 61 SKUs

Calciumfluorid-Fenster

Einkristall · 130-9000 nm · breitester Bereich · der FTIR- & Tief-UV-Laser-Spezialist

CaF₂-Sortiment ansehen →

7. Platten vs. Scheiben vs. Sondergeometrie

Die Optikindustrie hat sich auf drei Formfaktoren standardisiert. Jeder passt zu anderer Montagehardware und Anwendung.

Runde Scheiben (das dominierende Format)

Durchmesser Ø 1,5 mm bis 200 mm; Dicke 0,2 bis 10 mm. Runde Scheiben passen in Standard-Optikhalter (Ein-Zoll-, Halb-Zoll-, mm-genaue Präzisionshalter), O-Ring-Nuten, Sicherungsring-Baugruppen und Gewinde-Tubusfenster. Der Standard für Lasersysteme, FTIR-Probenküvettenfenster, Vakuumkammer-Schaugläser und alle allgemeinen Spektroskopiefenster.

Quadratische / rechteckige Platten

Gängige Maße 10 × 10 mm bis 100 × 100 mm; Dicke 0,5 bis 5 mm. Platten werden verwendet in: rackmontierten optischen Filtern, Sonder-Halterschlitzen, Strahlteiler-Substraten und Anwendungen, in denen ein rundes Fenster nicht effizient kachelt. Das Quarzplatten-Sortiment von MachinedQuartz beginnt bei 1 × 1 mm (Sub-Miniatur) bis 100 mm und auf Anfrage darüber hinaus.

Sondergeometrie

Über die Standardformate hinaus: Fenster mit abgeschrägter Kante für Laserresonatoren, Keilfenster zur Streifenunterdrückung, Brewster-Winkel-Fenster für polarisierte Laseroptik, gebohrte Fenster für Kabeldurchführungen, randgeschliffene abdichtbare Fenster für Kovar-gebondete Kammer-Ports. Alle auf Anfrage ohne Werkzeuggebühr für Designs, die in unseren Standard-Bearbeitungsbereich passen.

Keilfenster zur Streifenunterdrückung. Ein planparalleles Fenster im kohärenten Laserstrahlengang bildet ein Etalon: Vorder- und Rückfläche interferieren und erzeugen Streifen. Ein Keilfenster (Vorder- und Rückfläche um 1°–3° nicht parallel gefertigt) bricht das Etalon und beseitigt die Streifen. Geben Sie für Laserresonator-Anwendungen den Keilwinkel bei der Bestellung an.

Beispiele für Sondergeometrien

Verschiedene kundenspezifische Quarzscheiben, -fenster und -platten in unterschiedlichen Größen und Formen

Scheiben / Platten

Sondermaße

Ø 2 bis 100+ mm Bereich

Gebohrt

Durchgangsbohrung

Kabel-/Sensordurchführung

Gekrümmt

Gekrümmt / sphärisch

Linsensubstrat / Fensterkuppel

Verschiedene Quarzglasplatten und -fenster in Lager-Dicken und -Maßen

Auf Lager

Lagerplatten

0,2 bis 5 mm Dicken

Abbildung 5: Optische Sonderfenster-Geometrie. Das planparallele Standardfenster ist für inkohärentes Licht oder Nicht-Präzisionsanwendungen in Ordnung. Für kohärente Laserarbeit bricht ein Keilfenster (1–5 Bogenminuten Keilwinkel zwischen den Flächen) den Etalon-Effekt. Für polarisierte Laser beseitigt ein Brewster-Winkel-Fenster den Fresnel-Reflexionsverlust für die angepasste Polarisation. Für Kammerdurchführungen lassen gebohrte Fenster Kabel, Gasleitungen oder Fasern durch den optischen Port führen.

8. Montage, Abdichtung und Oberflächenspezifikationen

Abbildung 4: Vier Standard-Fenstermontagemethoden. Der Gewindering mit O-Ring ist die dominierende Wahl für Laseroptik und Routine-Schaugläser. Die O-Ring-Stirndichtung bewältigt Vakuum und mäßigen Druck. Epoxidverbindung ist dauerhaft. Kovar-/Glas-Metall-Verbindungen sind für Ultrahochvakuum und Hochtemperaturarbeit.

Montagemethoden

Gewinde-Sicherungsring: die Standardmethode für Laseroptik und Geräte-Schaugläser. Das Fenster sitzt in einer Vertiefung; ein Gewindering presst gegen einen O-Ring oder eine Gummidichtung. Erlaubt schnellen Austausch; minimaler mechanischer Stress auf das Fenster.
O-Ring-Stirndichtung: für Vakuum- und Druckanwendungen. Die Fensterfläche presst gegen einen Viton-, EPDM- oder PTFE-O-Ring; Schrauben pressen gleichmäßig. Geben Sie den Nenndruck für die Wahl der Fensterdicke an (Saphir erforderlich für > 10 bar).
Epoxidverklebung: für dauerhafte Installationen. Optisches Epoxidharz (Norland 61, EPO-TEK 301) verbindet das Fenster mit einem Metallflansch. Die ausgehärtete Baugruppe ist gasdicht bis ~10⁻⁶ mbar; geringe Ausgasung für Vakuumarbeit.
Glas-Metall-Verbindung (Kovar-Bond): für Hochvakuum (< 10⁻⁶ mbar) und Hochtemperaturanwendungen. Quarz oder Saphir wird über Direktbonden oder ein zwischengeschaltetes Lotglas mit einem Kovar-Flansch (oder einer anderen CTE-angepassten Legierung) verschmolzen. Spezialfertigung.
Indium-/Gold-Dichtung: für Ultrahochvakuum (< 10⁻⁹ mbar) wie Forschungs-Vakuumsysteme und Synchrotron-Strahllinien. Weichmetall-Dichtringe; die Fensterfläche muss optisch poliert UND an der Dichtfläche atomar plan sein.

Oberflächenspezifikationen, die Sie angeben sollten

Spezifikation	Routine	Präzision	Lasertauglich
Oberflächenplanheit	λ/2 (310 nm)	λ/4 (155 nm)	λ/10 (60 nm)
Oberflächengüte (Scratch-Dig)	60-40	40-20	20-10 oder 10-5
Parallelität	< 5 Bogenminuten	< 1 Bogenminute	< 10 Bogensekunden
Oberflächenrauheit Ra	< 5 nm	< 2 nm	< 0,5 nm
AR-Beschichtung	typischerweise unbeschichtet	Breitband-AR	V-Coat oder Dualband-AR für die Designwellenlänge

Geben Sie „Routine“ für industrielle / Prozess- / Nicht-Laser-Arbeit an. „Präzision“ für Laborspektrometer und die meisten Lasersysteme. „Lasertauglich“ nur, wenn die Laserleistungsdichte es erfordert (typischerweise > 10 W/cm² CW oder Kurzpuls mit hoher PRF). Engere Spezifikationen kosten mehr und bedeuten längere Lieferzeiten; überspezifizieren Sie nicht.

9. Anwendungsbeispiele

FTIR-Probenküvetten (CaF₂)

FTIR-Spektroskopie in der Fingerabdruckregion 5–9 µm erfordert CaF₂-Fenster. Standardaufbau einer FTIR-Probenküvette: zwei CaF₂-Fenster, getrennt durch einen kalibrierten PTFE- oder Blei-Abstandshalter (Schichtdicke 0,025 bis 0,5 mm), eingespannt in einen Edelstahlhalter. Die CaF₂-Fenster müssen mit äußerster Sorgfalt behandelt werden: trockene Umgebung, Reinigung nur mit weichem Tuch, zwischen den Einsätzen im Exsikkator lagern. Siehe unseren Leitfaden zu zerlegbaren Küvetten für die Details zum Küvettenaufbau.

Excimerlaser-Optik (CaF₂ oder JGS1-Quarz)

193-nm-ArF- und 248-nm-KrF-Excimerlasersysteme verwenden CaF₂ für die anspruchsvollsten Optiken (Spaltfenster, strahlformende Platten) und JGS1-Quarzglas für weniger kritische Komponenten. Die Tief-UV-Transmission und die Beständigkeit gegen laserinduzierte Schäden sind die bindenden Einschränkungen; eine Oberflächengüte von Scratch-Dig 10-5 ist für Laserresonator-Komponenten typisch.

Prozess-Schaugläser (Saphir)

CVD-Kammern, PVD-Anlagen, Halbleiter-Ätzwerkzeuge und Hochdruckreaktoren verwenden Saphir-Schaugläser wegen der Kombination aus mechanischer Robustheit, Plasmabeständigkeit und optischer Klarheit. Typische Spezifikation: Ø 25–100 mm Saphirscheibe, Dicke 5–10 mm für die Druckbelastbarkeit, montiert in einem Conflat-(CF)-Flansch über eine Metall-Glas-Verbindung oder einen Viton-O-Ring.

Vakuumkammer-Schaugläser (Quarz oder Saphir)

UHV-Vakuumsysteme (10⁻⁹ bis 10⁻¹¹ mbar) verwenden entweder Quarz- oder Saphirfenster. Quarz ist günstiger und für drucklose Beobachtung ausreichend; Saphir für Fenster unter Druckdifferenz oder bei Plasmaeinwirkung. Beide Materialien verbinden sich mit Kovar- oder Molybdän-Glas-Flanschen; Conflat-montierte Schaugläser sind kommerziell standardisiert.

Laserresonator-Endspiegel (Saphirsubstrat)

Hochleistungslasersysteme (Nd:YAG, Ti:Saphir) verwenden Saphirsubstrate für Auskoppelspiegel und Endspiegel wegen Saphirs hoher Wärmeleitfähigkeit (Wärmeableitung aus der absorbierten Laserleistung) und mechanischer Beständigkeit. Auf jeder Fläche mit einem geeigneten dielektrischen Schichtstapel beschichtet.

UV-Härtungssysteme (JGS1-Quarz)

Tief-UV-Härtungssysteme (200–300 nm) für Klebstoffe, Beschichtungen und 3D-Drucker-Harz verwenden JGS1-Quarzfenster im Lampengehäuse. Kostensensible Anwendung; Quarz ist hier die naheliegende Wahl gegenüber Saphir oder CaF₂.

Pyrometer-Fenster (Saphir oder Quarz)

Industriepyrometer, die Hochtemperaturprozesse beobachten (Stahlwerke, Glasöfen, Halbleiter-RTP-Kammern), verwenden Saphir für die höchsten Temperaturen und Quarz für Arbeit bei mäßiger Temperatur. Geben Sie eine NIR-Breitband-AR-Beschichtung für Pyrometer-Wellenlängen an (typischerweise 0,9–1,6 µm).

10. Entscheidungsmatrix: Anwendung zu Material

Anwendung	Empfohlen	Alternative	Hinweise
UV-Vis-Spektrophotometerfenster	JGS1-Quarzglas	Saphir	Quarz ist der universelle Standard; Saphir nur, wenn die mechanische Umgebung es verlangt
FTIR-Probenküvettenfenster	CaF₂	ZnSe (5-15 µm Erweiterung)	CaF₂ Standard für 1-9 µm; ZnSe für 5-15 µm oder als feuchtigkeitsbeständige Alternative
193-nm-ArF-Excimerlaser-Optik	CaF₂	JGS1-Quarzglas	CaF₂ für höchste Leistungsdichte; JGS1 als budgetschonende Alternative
Vakuumkammer-Schauglas (UHV, kein Druck)	JGS1-Quarzglas	Saphir	Quarz passt zu Kovar; günstiger und für reine Beobachtung ausreichend
Hochdruckzellen-Schauglas (> 10 bar)	Saphir	Quarz, CaF₂	Saphir ist das einzige Material mit ausreichender Druckfestigkeit
Plasmakammer-Schauglas	Saphir	Quarz (mildes Plasma)	Saphir widersteht Fluor- und Chlorplasma; Quarz erodiert in Fluorplasma
Prozess-Pyrometerfenster (hohe T)	Saphir	JGS1-Quarzglas	Saphir für Ofentemperaturen > 1000 °C; Quarz für mäßige
UV-Härtungs-Lampengehäuse	JGS1-Quarzglas	CaF₂ (überdimensioniert)	Kosten zählen; JGS1 deckt das UV-Härtungsband 200–300 nm ab
Raman-Spektroskopie-Sondenfenster	JGS2-Quarzglas	Saphir	Quarz für sichtbares Raman; Saphir, wenn die Sonde eine raue Umgebung berührt
Teleskop-Korrektionsplatte	JGS1/JGS2-Quarzglas	BK7 (günstiger)	Quarz für geringe Wärmeausdehnung; BK7 für kostensensible Amateurarbeit
Substrat für Hochleistungslaser-Auskoppelspiegel	Saphir	JGS1-Quarzglas	Saphirs Wärmeleitfähigkeit leitet absorbierte Leistung ab
Glasfaser-Durchführungsfenster	JGS1-Quarzglas	Saphir	Quarz passt zum CTE gängiger Faserummantelungsmaterialien

11. MachinedQuartz-Katalogsortimente

MachinedQuartz fertigt Fenster in allen drei Materialien über Hunderte von Lager-SKUs. Sondergeometrie ist ohne Werkzeuggebühr für Designs im Standardbereich verfügbar; es gilt eine Mindestbestellmenge von 2 Stück.

Kategorie	SKU-Anzahl	Standardbereich	Ansehen
Quarzglasplatten (quadratisch)	184	1 × 1 mm bis 100 × 100 mm; Dicke 0,2–3 mm; JGS1 standardmäßig	Quarzplatten
Quarzglasscheiben (rund)	106	Ø 2 mm bis 100 mm; Dicke 0,5–5 mm; JGS1 standardmäßig	Quarzscheiben
Saphirplatten / -scheiben	100	Ø 1,5 mm bis 100 mm; Dicke 0,2–5 mm; c-Achsen-Schnitt standardmäßig	Saphir-Sortiment
Calciumfluorid-(CaF₂)-Fenster	61	Ø 6 mm bis 50 mm; Dicke 0,6–3 mm; (111)-Schnitt standardmäßig	CaF₂-Fenster

Optionen für Sonderfertigung

Keilfenster (1–5 Bogenminuten Keilwinkel zur Streifenunterdrückung)
Brewster-Winkel-Fenster für polarisierte Laseroptik
Abgeschrägte oder geschliffene Kanten für Abdichtanwendungen
Gebohrte Fenster (Durchgangslöcher für Kabel, Gaszufuhr, Sensordurchführung)
AR-Beschichtungen (V-Coat-Einzellinie, Breitband UV/Vis/NIR/IR)
Geschliffene / matte Rückseite für Diffusoranwendungen
Spezifische Kristallorientierung (Saphir c-cut, a-cut, r-cut; CaF₂ (111) oder (100))

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12. Häufig gestellte Fragen

Kann ich ein Quarzglasfenster für FTIR-Arbeit verwenden?

Nein, nicht für die Fingerabdruckregion. Quarzglas transmittiert bis etwa 2,5 Mikrometer; die FTIR-Fingerabdruckregion reicht von 5 bis 9 Mikrometer, wo Quarz praktisch undurchsichtig ist. Für FTIR-Probenküvetten, ATR-Kristalle und jede Mittel-IR-Optikarbeit über 2,5 Mikrometer verwenden Sie CaF2. Für FTIR-Arbeit über 9 Mikrometer sind ZnSe oder Ge die Standardalternativen.

Was ist der Unterschied zwischen JGS1-, JGS2- und JGS3-Quarzglas?

JGS1 ist die synthetische, hochreine Tief-UV-Qualität; transmittiert ab 185 nm; geringste metallische Verunreinigungen; verwendet für UV-Laseroptik und Tief-UV-Anwendungen. JGS2 ist die Standard-UV-Vis-Qualität; Grenze bei 220 nm; günstiger als JGS1; der Standard für Fenster im sichtbaren Licht. JGS3 ist die Qualität mit niedrigem OH und erweiterter NIR-Transmission bis etwa 3500 nm; nimmt dafür einen leichten UV-Transmissionsverlust in Kauf; verwendet für Laserschweiß-Optik und NIR-erweiternde Anwendungen. Für die optischen Fenster auf dieser Seite verwendet MachinedQuartz standardmäßig JGS1 (Type-1-Material).

Warum kostet Saphir so viel mehr als Quarzglas?

Die Einkristallzucht. Synthetischer Saphir wird aus geschmolzenem Al2O3 nach Czochralski-, Verneuil-, EFG- oder HEM-Verfahren bei Temperaturen über 2000 Grad Celsius in teuren Iridium- oder Molybdäntiegeln gezüchtet. Jeder Boule wächst tage- bis wochenlang. Quarzglas ist amorph, hergestellt durch Schmelzen von Natur-Quarzsand oder chemisches Abscheiden von SiO2 aus der Gasphase; viel schneller und günstiger pro Kilogramm. Die Kosten der Einkristallzucht sind dem Saphir inhärent; rechnen Sie mit dem 3- bis 10-fachen Stückpreis gegenüber gleichwertigem Quarzglas.

Ist CaF2 sicher in der Handhabung?

CaF2 ist in fester Form ungiftig. Die Gefahr ist die Fragilität, nicht die Toxizität. CaF2 ist hygroskopisch (baut bei Feuchtigkeitseinwirkung über Monate bis Jahre ab), weich (Mohs 4, zerkratzt leicht), thermoschockempfindlich (reißt bei plötzlicher Temperaturänderung über 50 Grad pro Minute) und leicht löslich in Mineralsäuren. Mit Baumwollhandschuhen oder Fingerlingen handhaben; nur mit weichem Linsenpapier oder Wildleder reinigen; im Exsikkator lagern. Bei richtiger Handhabung hält ein CaF2-Fenster jahrelang; bei schlechter Handhabung wochenlang.

Brauche ich eine Antireflex-(AR)-Beschichtung auf meinem optischen Fenster?

Für die meisten Anwendungen nein. Unbeschichtete Quarz-, Saphir- und CaF2-Fenster transmittieren etwa 92 Prozent (8 Prozent Verlust durch Fresnel-Reflexion an zwei Flächen). Für Laseroptik, bei der jedes Prozent zählt, steigert eine V-Coat-AR-Einzellinie die Transmission bei der Designwellenlänge auf 99 Prozent oder mehr. Für Breitbandanwendungen liefern mehrschichtige Breitband-AR-Beschichtungen 95 bis 98 Prozent über den Bereich 200 bis 1000 nm. Geben Sie beim Bestellen AR-beschichteter Fenster die Arbeitswellenlänge an; unbeschichtet ist der Standard für industrielle und die meisten Laboranwendungen.

Welche Oberflächenspezifikationen sollte ich für ein Fenster angeben?

Für routinemäßige Industriearbeit: Oberflächenplanheit Lambda durch 2, Scratch-Dig 60-40, Parallelität unter 5 Bogenminuten. Für Laborspektrometer und die meisten Lasersysteme: Planheit Lambda durch 4, Scratch-Dig 40-20, Parallelität unter 1 Bogenminute. Für lasertaugliche Optik mit hoher Leistungsdichte: Planheit Lambda durch 10, Scratch-Dig 20-10 oder 10-5, Parallelität unter 10 Bogensekunden. Geben Sie an, was Sie tatsächlich brauchen; engere Toleranzen kosten mehr, ohne Nutzen zu liefern.

Kann ich ein Saphirfenster in einer HF-haltigen Umgebung verwenden?

Kalte HF: ja, Saphir ist im Wesentlichen inert. Heiße HF (über etwa 200 Grad Celsius) oder heiße Phosphorsäure: Saphir wird langsam angegriffen. Fluorplasma: Saphir ist beständig. Quarzglas dagegen wird von HF bei jeder Temperatur rasch aufgelöst, daher ist Quarz für HF-Umgebungen falsch. CaF2 ist das fluorbeständigste der drei (es ist schließlich Calciumfluorid), aber CaF2s andere Einschränkungen schließen es für Kammer-Schauglasarbeit meist aus.

Was ist ein Keilfenster und wann brauche ich eines?

Ein Keilfenster hat seine zwei optischen Flächen in einem nicht parallelen Winkel geschliffen (typischerweise 1 bis 5 Bogenminuten Keil). Der Keil bricht den Etalon-Effekt, den planparallele Fenster in kohärenten Laserstrahlen erzeugen (Vorder- und Rückflächenreflexionen interferieren und erzeugen Streifen im Strahlprofil und Rauschen in spektroskopischen Messungen). Für inkohärentes Licht oder wellenlängenmodulierte Systeme sind parallele Fenster in Ordnung. Für Einfrequenz-Dauerstrich-Laserarbeit, schmalbandige Laser und jede hochpräzise interferometrische Arbeit geben Sie Keilfenster an.

Stellt MachinedQuartz AR-Beschichtungen im Haus her?

Wir vergeben die AR-Beschichtung an qualifizierte Vakuumbeschichtungs-Partner. Wir übernehmen das vom Kunden vorgegebene Beschichtungsdesign (z. B. „V-Coat bei 633 nm mit R unter 0,5 Prozent“, „Breitband-AR 400-700 nm mit R unter 2 Prozent im Mittel“), beziehen die Beschichtung von einem Partner und liefern die fertigen AR-beschichteten Fenster. Die Lieferzeit für AR-beschichtete Teile beträgt 25 bis 35 Arbeitstage gegenüber 7 bis 14 Tagen für unbeschichtete.

Wie reinige ich ein Saphir- oder CaF2-Fenster?

Saphir ist robust. Zuerst Staub mit Druckluft entfernen; dann ein Tropfen Aceton oder Isopropanol auf einem fusselfreien Tuch (Linsenqualität, kein Kimwipe); in eine Richtung wischen (nicht schrubben). Bei hartnäckiger Kontamination eine verdünnte Seifenwasser-Spülung, gefolgt von IPA. CaF2 ist fragil. Zuerst Staub mit Druckluft entfernen; dann ein Tropfen trockenes Methanol auf Wildleder oder Linsenpapier; sanft in eine Richtung wischen. Niemals Wasser allein verwenden (CaF2 ist leicht löslich); niemals schrubben; sofort nach der Reinigung im Exsikkator lagern. Bei beiden Materialien sind Fingerabdrücke ein echtes Problem: tragen Sie Baumwollhandschuhe.

13. Haftungsausschluss & Hinweise

Materialspezifikationen auf dieser Seite sind typische Werte für Einkristall-Saphir und CaF₂ in Handelsqualität sowie synthetisches Quarzglas (JGS1 / JGS2 / JGS3). Spezifische Materialeigenschaften hängen von Lieferant, Zuchtmethode und konkreter Charge ab. Für verbindliche Spezifikationen ziehen Sie das mit jeder Lieferung gelieferte Konformitätszertifikat heran.

Anwendungsempfehlungen sind allgemeine Hinweise auf Basis der üblichen optischen Ingenieurpraxis. Spezifische Anwendungen können Anforderungen haben (laserinduzierte Zerstörschwelle, Vakuumkompatibilitäts-Zertifizierung, Biokompatibilität, regulatorische Konformität), die die Wahl weiter einschränken. Prüfen Sie vor der Bestellung gegen die vollständige Spezifikation Ihrer Anwendung.

Antireflex-Beschichtung wird an Vakuumbeschichtungs-Partner vergeben. Die Leistungsspezifikationen der Beschichtung stammen aus dem Zertifikat des Beschichtungsanbieters; MachinedQuartz integriert und liefert die beschichteten Fenster, scheidet die Beschichtungen aber nicht im Haus ab.

Markenhinweis. Norland 61 und EPO-TEK 301 sind Marken ihrer jeweiligen Eigentümer. Verweise auf spezifische Wettbewerbsprodukte (ZnSe, Ge für Fern-IR) dienen ausschließlich dem technischen Vergleich.

Informationsstand: zuletzt geprüft Mai 2026. Materialverfügbarkeit und Lager-SKU-Sortiment können sich ändern.

Optische Fenster: Quarz vs. Saphir vs. CaF₂ — Auswahlhilfe

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