Saphirfenster für Hochdruck, Hochtemperatur & Laser
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Ein optisches Saphirfenster ist ein Einkristall-Al₂O₃-Fenster mit außergewöhnlicher mechanischer Festigkeit (Druckfestigkeit 2.000 MPa vs. 1.100 MPa bei Quarz), breitem Transmissionsbereich (170 nm bis 5,5 µm) und chemischer Inertheit: die Standardwahl für Hochdruckzellen (bis 2.000 bar), Laseroptik über 100 W/cm², Hochtemperatur-Durchflussküvetten bis 1.500 °C und Prozessfenster mit aggressiver Chemie, wo Quarz, CaF₂ und ZnSe versagen würden.
Einkristall-Al₂O₃ · Hochdruck · Hochtemperatur · Laser
Saphirfenster für Hochdruck-, Hochtemperatur- & Laseranwendungen
Einkristall-Saphir ist das richtige Fenstermaterial, wenn Quarzglas die Umgebung nicht übersteht. Härte Mohs 9, ~2 GPa Druckfestigkeit, Transmission von 170 nm bis 5500 nm, Einsatztemperatur bis 1500 °C und inert gegenüber fast allem außer heißer Phosphorsäure. Dieser Leitfaden behandelt Kristallorientierungen, mechanische Grenzen, Anwendungsbeispiele für CVD/PVD-Schaugläser, Hochdruckzellen, Ti:Saphir- und Nd:YAG-Laseroptik, IR-Kuppeln und die Sondergeometrie, die MachinedQuartz routinemäßig für OEM-Partner fertigt.
170–5500 nm
Transmissionsbereich
Mohs 9
Härte
2 GPa
Druckfestigkeit
2 Stk.
Sonder-MOQ
Einkristall-Saphir ist eines von drei Materialien, die wir routinemäßig als optische Fenster liefern; die anderen beiden sind Quarzglas und Calciumfluorid (behandelt in unserer umfassenderen Auswahlhilfe für optische Fenster). Was Saphir seinen 3–10-fachen Aufpreis gegenüber Quarz wert macht, ist eine spezifische Kombination von Eigenschaften, die kein anderes gängig verfügbares optisches Material erreicht: Härte, die nur Diamant übertrifft, Druckfestigkeit von 2 GPa, Transmission von 170 nm im Tief-UV bis 5,5 µm im Mittel-IR, Einsatztemperatur bis 1500 °C in inerter Atmosphäre und Inertheit gegenüber den meisten Säuren und Prozessplasmen.
Dieser Leitfaden ist die vertiefende Ergänzung zu unserem breiteren Fenstervergleich. Wenn Ihre Anwendung ein Fenster braucht, das eine raue mechanische Umgebung übersteht (Hochdruck, mechanischer Stoß, abrasive Strömung), ins Mittel-IR über das hinaus reicht, was Quarz leisten kann, absorbierte Laserleistung ohne thermische Linsenbildung ableitet oder über 800 °C an Luft arbeitet, ist Saphir wahrscheinlich das richtige Material. Das 100-SKU-Saphir-Sortiment von MachinedQuartz deckt Lagermaße von Ø 1,5 mm bis Ø 100 mm ab; Sondergeometrie, Kristallorientierung und AR-Beschichtung sind Routine.
Was MachinedQuartz Ihnen vorab mitteilen möchte. Wir fertigen routinemäßig Sonder-Saphirfenster ab 2 Stück: Sie brauchen keine 100-Stück-Verpflichtung für einen Sonderdurchmesser, eine Sonderdicke oder eine Keilgeometrie. Der Katalog deckt die Standard-Lagerformate ab; Sonderanfertigung ist der Standard für OEM-Arbeit, und der einzige Aufschlag sind die (kostenlose) technische Prüfung und die Produktionslieferzeit (12–25 Arbeitstage für die meiste Sondergeometrie im Standard-Bearbeitungsbereich). Senden Sie eine Skizze und Menge; wir antworten innerhalb eines Werktags.
1. Warum Saphir: vier herausragende Eigenschaften
Saphir ist Einkristall-Aluminiumoxid (Al₂O₃), synthetisch gezüchtet nach Czochralski-, Verneuil-, EFG- (edge-defined film-fed growth) oder HEM-Verfahren (Wärmetauschermethode) bei Temperaturen über 2000 °C. Der entstehende Boule wird zu Fenstern, Linsen, Substraten und Stäben geschnitten, geläppt und poliert. Vier Eigenschaften unterscheiden Saphir von amorphem Quarzglas und anderen transparenten Materialien.
1. Mechanische Härte (Mohs 9, nur von Diamant übertroffen)
Saphir ist eines der härtesten kommerziellen Materialien. Die Vickershärte beträgt 1900 HV (vs. ~600 bei Quarzglas). In der Praxis bedeutet das, dass Saphirfenster bei routinemäßiger Handhabung praktisch kratzfest sind, abrasive Prozessströmungen überstehen, die Quarz anätzen oder anlochen würden, und aggressive Reinigungsprotokolle (Säurebad, Ultraschall, mechanisches Wischen) ohne Oberflächenschäden vertragen. Für Schaugläser in Plasma-Ätzkammern, sandgestrahlten Umgebungen oder überall dort, wo mechanischer Verschleiß ein echtes Problem ist, ist Saphir die einzige Wahl.
2. Druckfestigkeit ~ 2 GPa
Die Druckfestigkeit von Saphir ist rund doppelt so hoch wie die von Quarzglas. In einem Druckbehälter-Schauglas übersetzt sich das direkt in einen sicheren Betriebsdruck: ein Saphirfenster mit 25 mm Durchmesser und 5 mm Dicke verträgt 200+ bar Druckdifferenz ohne Bruchrisiko; dieselbe Geometrie in Quarzglas versagt bei etwa 20 bar. Für Öl- & Gas-Bohrloch-Druckzellen, überkritische CO₂-Reaktoren, hydrothermale Synthese und Hochdruckspektroskopie ist Saphir das praktikable Material.
3. Hohe Wärmeleitfähigkeit (40 W/m·K)
Saphir leitet Wärme etwa 28-mal besser als Quarzglas (1,4 W/m·K). Für Laseroptik ist das wichtig, wenn das Fenster einen kleinen Teil der Laserleistung absorbiert: Die Wärme wird in die umgebende Halterung abgeleitet, statt sich im Fenster aufzustauen und thermische Linsenbildung oder Bruch zu verursachen. Saphir-Auskoppelspiegel in Hochleistungs-Nd:YAG- und Ti:Saphir-Systemen nutzen diese Eigenschaft, um 50+ W mittlere Laserleistung zu bewältigen.
4. Breites Transmissionsfenster (170–5500 nm)
Saphir transmittiert von 170 nm im Tief-UV (besser als Quarzglas bei 185 nm) durch das Sichtbare bis ins Mittel-IR bis 5,5 µm (wo Quarzglas bei 2,5 µm endet). Die Kombination aus UV- und Mittel-IR-Transmission in einem Material ist selten; CaF₂ reicht in beide Richtungen weiter, hat aber nicht Saphirs mechanische Eigenschaften. Für Anwendungen, die UV und IR umspannen (polarisierte Pyrometer, Dualband-Sensoren, Breitband-Prozessmonitore), ist Saphir oft die einzige Einmateriallösung.
Wofür Saphir NICHT geeignet ist. Wenn Ihre Anwendung reines sichtbares Licht bei mäßigem Druck und mäßiger Temperatur ist, ist Quarzglas zu 1/3 bis 1/10 der Kosten die richtige Wahl. Wenn Ihre Anwendung Tief-UV unter 170 nm oder Mittel-IR jenseits 5,5 µm braucht, ist CaF₂ die richtige Wahl. Saphirs Aufpreis ist nur gerechtfertigt, wenn die mechanische, thermische oder breit-spektrale Kombination bindend ist.
2. Saphir-Grundlagen: Zuchtmethoden und Qualitäten
„Synthetischer Saphir“ umfasst Einkristall-Al₂O₃, hergestellt nach vier wichtigen Zuchtmethoden. Jede Methode erzeugt Material mit leicht unterschiedlicher Defektdichte, optischer Klarheit und Kosten. Für Fensteranwendungen sind alle vier akzeptabel; die Unterschiede zählen vor allem bei Laser- und Substratqualitätsarbeit.
Zuchtmethoden
| Methode | Boule-Größe | Optische Qualität | Kosten | Am besten für |
|---|---|---|---|---|
| Czochralski (CZ) | bis Ø 200 mm | ausgezeichnet, defektarm | $$$$ | Laserqualität, HEMT-Substrate |
| Wärmetauscher (HEM) | bis 340-mm-Würfel | ausgezeichnet, große Fläche | $$$ | Große Fenster, IR-Kuppeln |
| Verneuil (Flammenschmelze) | bis Ø 50 mm | gut, einige Einschlüsse | $$ | Routine-Optikfenster, Schmuck |
| EFG (kantendefiniert) | geformt (Stab, Rohr, Band) | gut | $$ | direkt gezüchtete Stäbe, Rohre, Bänder |
Für optische Fenster bezieht MachinedQuartz CZ- und HEM-gezüchtete Boules; die resultierenden Fenster sind auf dem in der Lichtmikroskopie sichtbaren Niveau praktisch defektfrei. Verneuil-Material wird gelegentlich für kostensensible Anwendungen eingesetzt, bei denen die Oberflächengüte wichtiger ist als die innere optische Klarheit.
Qualitäten
- Optische Qualität: Standard für Fenster; transparent über 170–5500 nm ohne sichtbare Einschlüsse; die Standardspezifikation
- Laserqualität: engere optische Spezifikationen (geringere Streuung, niedrigerer Absorptionskoeffizient); verwendet in Laserresonator-Optik, wo absorbierte Leistung und Intrakavitätsstreuung zählen; ~ 50 % Aufpreis gegenüber optischer Qualität
- Substratqualität: spezifische Orientierung und Oberflächengüte für Kristallepitaxie-Arbeit (LED, HEMT); dicker (typischerweise 0,43 mm oder 0,65 mm) und auf atomare Planheit poliert; nicht dasselbe Produkt wie optische Fenster
SonderscheibeSonderdurchmesser
beliebig Ø 1 bis 200+ mm · 2-Stück-MOQ · keine Werkzeuggebühr
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quadratisch / rechteckig · Sonderorientierung · AR-Beschichtung verfügbar
Produktgalerie ansehen →3. Kristallorientierung: c-cut, a-cut, r-cut
Saphir ist ein trigonales Einkristallmaterial. Die c-Achse ist die einzigartige Achse hoher Symmetrie; die Standard-Fensterorientierungen sind durch den Winkel zwischen dieser Achse und der polierten Fensterfläche definiert. Für 95 % der Fensteranwendungen ist der c-cut (c-Achse senkrecht zur Fläche) die richtige Wahl und das, was wir standardmäßig liefern.
c-cut (0001 oder „c-Ebene“): Standard
c-Achse senkrecht zur Fensterfläche. Bei senkrechtem Einfall ist das Fenster effektiv isotrop: keine Doppelbrechung, keine Polarisationsdrehung, kein Walk-off. Verwendet für: optische Standardfenster, Schaugläser, Druckzellen, Laser-Pumpfenster, IR-Kuppeln. Für unpolarisierte optische Fenster verhält sich c-cut bei senkrechtem Einfall effektiv isotrop und ist der übliche Standard in der gesamten Optikindustrie.
a-cut (11−20 oder „a-Ebene“)
c-Achse parallel zur Fensterfläche. Das Fenster ist bei senkrechtem Einfall doppelbrechend: einfallendes Licht spaltet sich in ordentlichen und außerordentlichen Strahl mit unterschiedlichen Brechungsindizes (1,768 vs. 1,760 bei 588 nm). Verwendet für: Polarisatoren, Wellenplatten, polarisationsempfindliche optische Komponenten, Kristallachsen-Referenzstandards. Nur angeben, wenn die Doppelbrechung der gewünschte Effekt ist.
r-cut (1−102 oder „r-Ebene“)
c-Achse bei 57,6° zur Fensterfläche. Standardsubstrat für epitaktische Kristallzucht: GaN-basierte LEDs, HEMTs und Hochfrequenz-Leistungstransistoren. Andere Oberflächenvorbereitung (atomar-flache Politur, strengere Maßtoleranz) als optische Fenster; meist eine eigene Produktfamilie. Auf Anfrage für OEM-Substratbestellungen verfügbar.
Wenn Ihre Anwendung orientierungsempfindlich ist (polarisierter Laserresonator, Wellenplatte, polarisationsempfindliche Messung, Kristallepitaxie-Substrat), teilen Sie es uns bei der Angebotsanfrage mit. Orientierungsgesteuertes Material wird über eine separate Lieferkette bezogen, getrennt vom optischen Standard-Saphir, und erfordert eine ausdrückliche Spezifikation. Für Routine-Fensteranwendungen (die meisten Schaugläser, Druckzellen, IR-Kuppeln) ist die Orientierung typischerweise nicht die bindende Einschränkung.
4. Mechanische Eigenschaften: die Härte-Geschichte
Saphirs mechanischer Vorsprung gegenüber Quarzglas ist es, der den Aufpreis für Anwendungen in rauer Umgebung rechtfertigt.
Härte
- Mohs-Skala: 9 (vs. 5,5–6,5 bei Quarzglas, 6 bei BK7, 10 bei Diamant)
- Vickers: 1900 HV (vs. 600 bei Quarz)
- Knoop: 1370 (vs. 540 bei Quarz)
In der Praxis überstehen Saphirfenster routinemäßigen mechanischen Kontakt: Pinzetten, Linsenreinigungstupfer, versehentlicher Werkzeugkontakt bei der Montage —, der Quarzglas zerkratzen würde. Für Schaugläser in abrasiven Prozessströmungen (Sandstrahlgeräte, Schlämmpumpenbeobachtung, Tribologieprüfung) ist Saphirs Härte eine praktische Anforderung.
Festigkeit unter Last
- Druckfestigkeit: ~2 GPa parallel zur c-Achse; ~3 GPa senkrecht
- Biegefestigkeit (Bruchmodul): 350–500 MPa je nach Orientierung und Oberflächengüte
- Zugfestigkeit: 350–700 MPa (ähnlich technischen Keramiken)
- Elastizitätsmodul: 345 GPa (vs. 73 bei Quarz, 81 bei BK7)
Auslegung von Druckbehältern
Für ein rundes Saphirfenster in einem Druckbehälter lautet die Sicherheitsdruck-Formel (mit Sicherheitsfaktor 4) näherungsweise:
P_sicher (bar) ≈ 1100 × (t / D)²
Dabei ist t die Fensterdicke in mm und D der ungestützte Durchmesser (freie Apertur) in mm. Beispiele: ein Fenster mit 25 mm Apertur und 5 mm Dicke ist bis 44 bar sicher; dieselbe Apertur mit 10 mm Dicke bis 176 bar. Für 200 bar und darüber ist eine Doppelfensterkonstruktion (zwei dünnere Fenster, getrennt durch eine ölgefüllte Kammer) gängige Praxis. Für druckbewertete Schaugläser immer mit einem Sicherheitsfaktor von 4× auslegen und an einem Muster eine zerstörende Prüfdruckprobe durchführen.
Sonder-Druckzellenfenster. Wenn Sie eine Hochdruckzelle konstruieren und ein Angebot für ein bestimmtes Maß brauchen, liefern wir im Rahmen der Angebotsprüfung eine kostenlose Druckbewertungsanalyse. Senden Sie die ungestützte Apertur, den Arbeitsdruck und den Sicherheitsfaktor; wir empfehlen die geeignete Fensterdicke in c-cut-Saphir.
5. Thermische Eigenschaften & chemische Beständigkeit
Thermische Leistung
- Einsatztemperatur: 1500–1800 °C in inerter Atmosphäre; 800 °C an Luft (darüber beginnt langsame Oberflächenoxidation; alpha-Al₂O₃ ist thermodynamisch voll stabil, doch der praktische Einsatz verschlechtert sich)
- Wärmeleitfähigkeit: 40 W/m·K (28-mal Quarzglas mit 1,4)
- Wärmeausdehnungskoeffizient: 5,6 × 10⁻⁶ /K parallel zur c-Achse; 6,6 × 10⁻⁶ /K senkrecht (vs. 0,55 bei Quarzglas)
- Thermoschockbeständigkeit: mäßig. Übersteht ~150 °C/min Rampe ohne Bruch; unter Thermoschock nicht so robust wie Quarzglas wegen des höheren CTE
- Spezifische Wärme: 0,76 J/g·K
Chemische Beständigkeit
Saphir ist bei Raum- und mäßiger Temperatur gegenüber fast allem im Wesentlichen inert. Die Ausnahmen:
- Heiße Phosphorsäure (H₃PO₄) über 200 °C: ätzt Saphir langsam
- Geschmolzene Alkalimetalle (Na, K) und geschmolzene Alkalifluoride: greifen Saphir an
- HF bei hoher Temperatur: einiger Angriff; kalte HF ist im Wesentlichen inert (anders als Quarz, das sich auflöst)
- Wasserstoff-Sauerstoff-Plasma bei hoher Leistung: langsame Erosion; bei normalen CVD/PVD-Plasmaeinwirkungen meist kein Problem
Für alles andere: Mineralsäuren (HCl, HNO₃, H₂SO₄ bei Raumtemperatur), Laugen (NaOH, KOH bei mäßiger Temperatur), organische Lösungsmittel, Halogen-Prozessgase, Fluorkohlenstoffplasma, Sauerstoffplasma: ist Saphir die richtige Wahl. CVD-Prozess-Schaugläser und Plasma-Ätzkammerfenster sammeln routinemäßig Tausende Stunden Plasmaeinwirkung ohne messbare Oberflächenverschlechterung.
Thermoschock-Warnung. Saphirs CTE ist ~10-mal so hoch wie der von Quarzglas, daher können plötzliche Temperaturänderungen (z. B. ein heißes Fenster beim Reinigen in kaltes Lösungsmittel zu tauchen) Risse verursachen. Lassen Sie beim Aufheizen und Abkühlen Temperaturänderungen < 150 °C/min zu; lassen Sie heiße Fenster vor dem Reinigen zuerst auf Umgebungstemperatur abkühlen.
6. Optische Eigenschaften: Transmission, Brechungsindex, Doppelbrechung
Transmission
170 nm UV-Grenze bis 5500 nm (5,5 µm) IR-Grenze mit über 80 % Transmission für ein 1 mm dickes unbeschichtetes Fenster über den größten Teil des Bereichs. Die 170-nm-Grenze ist besser als Quarzglas bei 185 nm; die 5,5-µm-IR-Grenze ist deutlich besser als Quarz bei 2,5 µm. AR-Beschichtungen (V-Coat-Einzellinie, Breitband, Dualband) steigern die Spitzentransmission bei der Designwellenlänge auf über 99 %.
Brechungsindex und Dispersion
Saphir ist doppelbrechend (einachsig positiv). Bei 588 nm:
- Ordentlicher Strahl (senkrecht zur c-Achse): n_o = 1,768
- Außerordentlicher Strahl (parallel zur c-Achse): n_e = 1,760
- Doppelbrechung: Δn = n_o − n_e = 0,008
Für c-cut-Fenster bei senkrechtem Einfall verläuft der optische Weg entlang der c-Achse und nur der ordentliche Strahl wird angeregt: effektiv unpolarisiertes Verhalten. Für a-cut-Fenster oder schrägen Einfall auf c-cut zeigt sich die Doppelbrechung als polarisationsabhängige Transmission, Walk-off (Strahlen unterschiedlicher Polarisation laufen leicht auseinander) und mögliche Interferenzeffekte. Für Laserresonator-Arbeit, bei der die Polarisation zählt, geben Sie die Orientierung präzise an.
Oberflächenspezifikationen
| Spezifikation | Routine | Präzision | Lasertauglich |
|---|---|---|---|
| Oberflächenplanheit | λ/4 (155 nm) | λ/8 (75 nm) | λ/10 (60 nm) oder besser |
| Scratch-Dig | 40-20 | 20-10 | 10-5 oder 5-2 |
| Parallelität | < 1 Bogenminute | < 10 Bogensekunden | < 5 Bogensekunden |
| Oberflächenrauheit Ra | < 2 nm | < 1 nm | < 0,5 nm |
| AR-Beschichtung | typischerweise unbeschichtet | Breitband-AR | V-Coat, IBS-beschichtet |
7. Hochdruckzellen-Schaugläser
Saphirs Druckfestigkeit macht es zum Standard-Fenstermaterial für Druckbehälter über ~10 bar.
Öl & Gas, Bohrloch
Bohrloch-Messwerkzeuge
500–1000 bar Bohrlochdruck, 150–200 °C Umgebung. Saphir-Schaugläser für optische Sensoren (UV-Fluoreszenz, laserinduzierte Plasmaspektroskopie, Bohrlochbildgebung). Fensterdicke 5–10 mm, Durchmesser 10–40 mm typisch.
Hydrothermale Synthese
Überkritische Reaktoren
Überkritisches Wasser (220 bar, 374 °C kritischer Punkt), überkritisches CO₂ (74 bar, 31 °C kritisch) und Hochdruck-Hydrothermalreaktor-Schaugläser. In-situ-Raman-Spektroskopie und visuelle Beobachtung von Phasenübergängen während der Synthese.
Pharma-Reaktor
Hochdruck-Pharmareaktoren
50–200 bar Prozesszellen für Hydrierung, überkritische Fluidextraktion, Hochdruckkristallisation. Saphir-Schaugläser für In-situ-FTIR- oder Raman-Prozessüberwachung.
Diamantstempelzelle
Zubehör für Diamantstempelzellen
Obwohl die Stempel selbst aus Diamant sind, verwenden die umgebenden optischen Zugangsfenster in DAC-Geräten Saphir wegen der Kombination aus Druckbeständigkeit, optischer Klarheit und Präzisionsmaßen. Typischerweise Ø 10–25 mm, Dicke 2–5 mm.
Zusammenfassung zur Druckzellen-Auslegung
Verwenden Sie die Formel aus Abschnitt 4: P_sicher = 1100 × (t/D)² bar mit t in mm und D der freien Apertur in mm. Legen Sie immer mit einem Sicherheitsfaktor von 4× aus und prüfen Sie ein Muster auf das 1,5-fache des Arbeitsdrucks, bevor Sie die Zelle in Betrieb nehmen. Für sehr hohen Druck (> 1 kbar) sind Doppelfensterkonstruktion oder Saphir-auf-Saphir-Stapel Standard.
Sonder-Saphirmaße?
Senden Sie Geometrie + Menge (ab 2 Stück). Wir antworten innerhalb eines Werktags mit Angebot, Lieferzeit und kostenloser CAD-Prüfung.
8. Hochtemperaturanwendungen
CVD / PVD
Prozesskammer-Schaugläser
CVD-Reaktoren (300–800 °C Wand, 1000–1100 °C Substrat), PVD-Kammern, MOCVD, ALD. Saphir-Schaugläser für In-situ-Pyrometrie, Plasma-Emissionsüberwachung, Endpunkterkennung. CTE-angepasste Montage (Kovar- oder Inconel-Flansch) für thermische Wechselbelastung.
Halbleiter-RTP
Schnelle thermische Prozessierung
Schnelles thermisches Ausheilen (RTA), schnelle thermische Oxidation (RTO) und Laser-Spike-Anneal-Kammern. Waferoberfläche in Sekunden auf 1000–1300 °C erhitzt; das Kammerwand-Pyrometer braucht ein Saphirfenster für 0,9–1,6 µm IR-Transmission und Beständigkeit gegen Halogen-Prozessgase.
Industriepyrometer
Stahlwerk / Glasofen
Hochtemperaturpyrometer, die geschmolzenes Metall und Glasofen-Ports beobachten (1400–1600 °C Zieltemperatur). Saphirfenster wegen der Kombination aus mechanischer Robustheit (mechanischer Stoß durch fliegendes Material), optischer Klarheit bei NIR-Pyrometer-Wellenlängen (0,9–1,6 µm) und Inertheit gegenüber Rauchgasen.
Plasmazündung
Plasmabogen- / Funkenbeobachtung
Spektroskopische Beobachtung von Bogenplasmen, Zündfunkenstudien, Plasmaschneider-Optik. Saphirs Kombination aus Breitbandtransparenz und Beständigkeit gegen Sputtererosion macht es ideal für die direkte Plasmaeinwirkung.
9. Laseroptik: Substrate und Auskoppelspiegel
Ti:Saphir-Lasersubstrate
Titandotierter Saphir (Ti:Al₂O₃) ist in durchstimmbaren Festkörperlasern (700–1100 nm) selbst das Laser-Verstärkungsmedium. Der Laserstab ist Einkristall-Saphir mit kontrolliertem Ti-Dotanden; die umgebenden optischen Fenster (Pump-Eingangsfenster, Auskoppelspiegel, Endspiegelsubstrat) sind ebenfalls Saphir, wegen des angepassten CTE und der hohen Wärmeleitfähigkeit. Geben Sie a-cut oder c-cut je nach Polarisationsanforderung des Resonators an.
Nd:YAG- und Faserlaser-Fenster
Hochleistungs-Nd:YAG- (1064 nm) und Faserlasersysteme verwenden Saphirsubstrate für Auskoppelspiegel-Fenster, bei denen das Substrat ~1 % absorbierte Laserleistung ohne thermische Linsenbildung ableiten muss. Saphirs Wärmeleitfähigkeit von 40 W/m·K (vs. 1,4 bei Quarz) ist bei mittleren Leistungen über ~50 W der entscheidende Faktor.
Ultrakurzpuls-Laseroptik
Femtosekunden-Ti:Saphir-Verstärker-Ausgangsfenster, regenerative Verstärker-Auskoppelspiegel, OPA-Pumpfenster. Ultrakurzpulslaser haben Spitzenleistungsdichten, die weiche optische Materialien beschädigen können; Saphirs Härte und laserinduzierte Zerstörschwelle (typischerweise > 5 J/cm² bei 800 nm, 100-fs-Pulse) machen es zum richtigen Substrat.
Excimerlaser-Fenster
193-nm-ArF- und 248-nm-KrF-Excimerlaser können Saphir (mit Tief-UV-Qualitätsmaterial) als Ausgangsfenster verwenden. CaF₂ ist für das sehr tiefe UV gängiger, aber Saphir eignet sich gut für 248 nm und 308 nm, wo seine 170-nm-Grenze bequem unter der Arbeitswellenlänge liegt.
Sonder-Saphir in Laserqualität. Geben Sie für Hochleistungs-Laseroptik an: Arbeitswellenlänge, mittlere Leistung, Spitzenleistungsdichte, AR-Beschichtungsdesign, Polarisation, Ziel-Oberflächenplanheit und Orientierung. Saphir in Laserqualität (geringere Streuung, höhere LIDT) hat 50–100 % Aufpreis gegenüber optischer Qualität und lohnt sich für Resonatorarbeit; für routinemäßige Auskopplung genügt optische Qualität. Wir helfen, die richtige Qualität im Rahmen der Angebotsprüfung zu spezifizieren.
10. Verteidigung, Luft- & Raumfahrt & ruggedisierte Optik
IR-Kuppeln und Flugkörperfenster
Saphirs Kombination aus mechanischer Robustheit, Breitbandtransmission (sichtbar bis 5 µm) und Beständigkeit gegen Regenerosion und Sandabrieb macht es zum Standardmaterial für IR-Kuppelfenster an Hochgeschwindigkeitsflugzeugen, Flugkörper-Lenksystemen und FLIR-Systemen (Forward-Looking Infrared). Typische Geometrie: halbkugelförmige Kuppel mit 25–100 mm Radius; oder flache Plattenfenster 25–75 mm.
Laserschutzbrillen und -schaugläser
Manche Verteidigungs-Lasersysteme verwenden Saphirfenster, um Sensoren vor mechanischer Beschädigung (Splitter von Sprengmitteln, Umwelteinwirkung) zu schützen und zugleich die Laserwellenlänge durchzulassen. AR-Beschichtungen auf die spezifische Laserwellenlänge abgestimmt.
UAV- und Satellitenoptik
Außen montierte optische Sensoren an UAVs, Satelliten und Luft- & Raumfahrtplattformen verwenden Saphirfenster zum Schutz vor Vogelschlag, Meteoroideneinschlag und atmosphärischen Trümmern. Strengere Maß- und Oberflächenspezifikationen als bei Industriearbeit, weil das Fenster im Einsatz nicht ersetzt werden kann.
ITAR- / Exportkontroll-Hinweis. Saphirfenster für Verteidigungsanwendungen können in manchen Jurisdiktionen ITAR- oder lokalen Exportkontrollbeschränkungen unterliegen. Wir verkaufen an kommerzielle OEM-Partner; verteidigungsspezifische Anwendungen liegen in der Verantwortung des Compliance-Teams des Kunden. Prüfen Sie den ITAR-/Exportstatus, bevor Sie ein Saphirfenster für eine regulierte Anwendung spezifizieren.
11. Montage & Abdichtung: die CTE-Fehlanpassung ist der Haken
Saphirs Wärmeausdehnungskoeffizient (5,6–6,6 × 10⁻⁶ /K) ähnelt typischen Metallflanschen (Kovar 5,5, Edelstahl 304: 17, Kupfer 17), unterscheidet sich aber stark von Quarzglas (0,55) oder Borosilikatglas (3,3). Für Fenster, die in Metallflanschen montiert sind und thermische Wechselbelastung erfahren, ist das relevant.
Standard-Montageoptionen
- O-Ring-Stirndichtung: die einfachste Halterung. Ein Viton- oder EPDM-O-Ring presst das Fenster gegen einen Flansch. Toleriert thermische Wechselbelastung (der O-Ring absorbiert die CTE-Fehlanpassung), ist aber auf Vakuumniveaus über 10⁻⁶ mbar und Temperaturen unter dem Elastomer-Maximum (Viton ~200 °C, EPDM ~150 °C) begrenzt.
- Gewinde-Sicherungsring: Standard für Laseroptik und Geräte-Schaugläser. Das Fenster sitzt in einer Vertiefung; ein Gewindering presst gegen einen O-Ring oder eine Gummidichtung. Schneller Austausch, minimaler mechanischer Stress.
- Epoxidverklebung: für dauerhafte Installationen. Optisches Epoxidharz (Norland 61, EPO-TEK 301) verbindet das Fenster mit dem Flansch. Die ausgehärtete Baugruppe ist gasdicht bis ~10⁻⁶ mbar, geringe Ausgasung.
- Hartlöten (Au-Si-, Cu-Ag-Eutektikum): für Ultrahochvakuum- und Hochtemperaturanwendungen. Saphir wird metallisiert (Mo-Mn-Paste bei 1500 °C eingebrannt, dann vernickelt) und an einen Kovar- oder Molybdänflansch gelötet. Das Ergebnis toleriert 10⁻⁹ mbar Vakuum und 450 °C Ausheizen.
- Glas-Metall-Verbindung (CTE-angepasst): Saphir über Direktbonden oder ein zwischengeschaltetes Lotglas mit einem Kovar-Flansch verschmolzen. UHV-tauglich, hochtemperaturkompatibel.
Überlegungen zur thermischen Wechselbelastung
Für Fenster mit thermischer Wechselbelastung > 100 °C verursacht die CTE-Fehlanpassung zwischen Saphir und dem umgebenden Metall radiale Spannung an der Fensterkante. Optionen zur Bewältigung:
- Kovar-Flansch (CTE 5,5) statt Edelstahl (CTE 17) verwenden: nahezu perfekte CTE-Anpassung an Saphir
- Eine Weichmetalldichtung (Indium, Kupfer) verwenden, die die CTE-Fehlanpassung durch plastische Verformung absorbiert
- Für sehr hohe Zyklenzahlen eine Saphir-auf-Saphir-Dichtung mit einem Saphir-Stützring verwenden
- Oder die Spannung akzeptieren und mit einem Sicherheitsfaktor von 4× auf die Biegefestigkeit auslegen
12. Sondergeometrie: was MachinedQuartz fertigt
Der Standardkatalog deckt Lagermaße und -formen ab. Für OEM-Partner und Spezialanwendungen ist Sondergeometrie eher die Norm als die Ausnahme. Wir fertigen routinemäßig:
Standard-Sondervarianten (keine Werkzeuggebühr, im Bearbeitungsbereich)
- Sonderdurchmesser: beliebig Ø von 1 mm bis 200 mm (Routine); größer bis ~300 mm auf Anfrage
- Sonderdicken: 0,1 bis 20 mm; dünner oder dicker auf Anfrage mit längerer Lieferzeit
- Quadratische / rechteckige Platten: beliebig L × B bis 200 × 200 mm
- Keilfenster: 1–5 Bogenminuten Keilwinkel zur Etalon-Unterdrückung im Laserresonator
- Brewster-Winkel-Fenster: für polarisierte Laseroptik
- Abgeschrägte oder gefaste Kanten: für Abdichtanwendungen und Spannungsreduzierung
- Gebohrte Fenster: Durchgangslöcher für Kabel-, Gas- oder Faserdurchführung mit optischem Einblick
- AR-Beschichtungen: V-Coat-Einzellinie, Breitband oder kundenspezifisches Multiband; an qualifizierte Vakuumbeschichtungs-Partner vergeben
- Abgeglichene Sets: zwei Fenster, innerhalb enger Transmissionstoleranz abgeglichen, für Doppelstrahlsysteme
Spezial-Sonderanfertigung (einmalige Entwicklung)
Für Spezialbedarf jenseits des Standard-Bearbeitungsbereichs arbeiten wir mit Partnern zusammen an:
- Halbkugelförmige IR-Kuppeln: 25–100 mm Radius für Flugkörper- und FLIR-Optik
- Zylinderlinsen-Fenster: für Linienbeleuchtungsanwendungen
- Gestapelte / Sandwich-Baugruppen: zwei Saphirfenster mit einem Saphir-Abstandshalter für Doppelfenster-Druckzellen
- Metallisierte und gelötete Baugruppen: Saphir an Kovar-Flansch verschmolzen für UHV-Anwendungen
Sonder-MOQ = 2 Stück. Die meisten Spezial-Saphirlieferanten der Klasse Hellma / Crystran / Meller verlangen 25–100-Stück-Verpflichtungen, bevor sie eine Sondergeometrie anbieten. Wir fertigen routinemäßig Sonder-Saphir ab 2 Stück: die einzigen Aufschläge sind die (kostenlose) technische Prüfung und die Produktionslieferzeit (12–25 Arbeitstage für die meiste Sondergeometrie im Standard-Bearbeitungsbereich). Senden Sie eine Skizze und Menge; wir antworten innerhalb eines Werktags. Dies ist dasselbe Handelsprogramm, das für unsere anderen Produktlinien gilt: siehe unsere Großmengen-OEM-Seite für die vollständigen Preisstufen und Zahlungsbedingungen.
13. Katalog & Bestellung
Der MachinedQuartz-Saphirkatalog hat 100 Lager-SKUs für runde Scheiben von Ø 1,5 mm bis Ø 100 mm mit 0,2–5 mm Dicke. Alle Lager-SKUs sind Einkristall-Saphir in optischer Qualität mit 170–5500 nm Transmission. Sondergeometrie ist der Standard für OEM-Arbeit.
Lager-Maßbereich
| Format | Durchmesser | Dicke | Materialqualität |
|---|---|---|---|
| Runde Scheibe (klein) | Ø 1,5–5 mm | 0,2–0,5 mm | Einkristall-Saphir in optischer Qualität |
| Runde Scheibe (mittel) | Ø 5–25 mm | 0,5–2 mm | Einkristall-Saphir in optischer Qualität |
| Runde Scheibe (groß) | Ø 25–100 mm | 1–5 mm | Einkristall-Saphir in optischer Qualität |
| Sonder-rechteckig | bis 100 × 100 mm | 0,5–5 mm | optische Qualität; orientierungsspezifisch auf Anfrage |
| Sonderformen | nach Zeichnung | nach Zeichnung | nach Zeichnung |
Brauchen Sie ein Angebot für ein Saphirfenster?
Senden Sie Durchmesser (oder Form), Dicke, Oberflächenspezifikationen (oder „Routine“), AR-Beschichtungsanforderung (oder keine), Menge und etwaige Orientierungsanforderung (nur wenn Ihre Anwendung polarisationsempfindlich ist). Wir antworten innerhalb eines Werktags mit Angebot, Lieferzeit und kostenloser CAD-Prüfung bei Sondergeometrie. 2-Stück-MOQ bei Sonderanfertigung.
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14. Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen c-cut-, a-cut- und r-cut-Saphir?
C-cut (0001) hat die c-Achse senkrecht zur Fensterfläche: bei senkrechtem Einfall ist das Fenster effektiv isotrop, ohne Doppelbrechung. Das ist der übliche Standard in der gesamten Optikindustrie für unpolarisierte Schauglas-Anwendungen. A-cut (11-20) hat die c-Achse parallel zur Fläche und ist bei senkrechtem Einfall doppelbrechend (verwendet für Polarisatoren, Wellenplatten). R-cut (1-102) hat die c-Achse bei 57,6 Grad zur Fläche und wird für Kristallepitaxie-Substrate (LED, HEMT) verwendet. Für die meisten Schauglas-, Druckzellen- und IR-Kuppel-Anwendungen wird die Orientierung nicht ausdrücklich angegeben. Für polarisationsempfindliche Laseroptik oder Substratarbeit geben Sie die Orientierung bei der Angebotsanfrage an, und wir beziehen sie über die passende Lieferkette.
Welchen Druck verträgt ein Saphirfenster mit 25 mm Durchmesser?
Für ein Fenster mit 25 mm freier Apertur und 5 mm Dicke bei Sicherheitsfaktor 4 beträgt der sichere Betriebsdruck etwa 44 bar; bei 10 mm Dicke 176 bar. Die Formel lautet P_sicher (bar) ≈ 1100 mal (Dicke/Durchmesser) zum Quadrat, beides in mm. Legen Sie immer mit einem Sicherheitsfaktor von 4 auf den berechneten Berstdruck aus und prüfen Sie ein Muster auf das 1,5-fache des Arbeitsdrucks vor der Inbetriebnahme. Über 1 kbar ist eine Doppelfensterkonstruktion mit Pufferkammer Standard.
Können Saphirfenster AR-beschichtet werden?
Ja. Antireflex-Beschichtungen werden von qualifizierten Vakuumbeschichtungs-Partnern aufgebracht (wir vergeben den Beschichtungsschritt). Eine V-Coat-Einzellinie für eine Wellenlänge erreicht über 99 Prozent Transmission bei der Designwellenlänge; Breitband-AR-Beschichtungen decken Bereiche wie 400 bis 700 nm oder 1000 bis 1600 nm bei 95 bis 98 Prozent Transmission ab. Geben Sie beim Bestellen AR-beschichteter Fenster die Arbeitswellenlänge an. Die Lieferzeit beträgt 25 bis 35 Arbeitstage für AR-beschichtete Teile gegenüber 7 bis 14 Tagen für unbeschichtete.
Warum kostet Saphir so viel mehr als Quarzglas?
Die Einkristallzucht ist teuer. 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.
Transmittiert Saphir im Mittel-IR?
Ja, bis etwa 5,5 Mikrometer (5500 nm). Über 5,5 Mikrometer machen die Al-O-Gitterschwingungen (Multiphononenabsorption) das Material rasch undurchsichtig; die Transmission fällt von 80 Prozent bei 5 Mikrometer auf unter 10 Prozent bei 6 Mikrometer. Für Mittel-IR-Arbeit über 5 Mikrometer ist Calciumfluorid (CaF2) das richtige Material: es deckt bis 9 Mikrometer ab. Für routinemäßiges UV-Vis-NIR bis 5 Mikrometer ist Saphir ausgezeichnet.
Kann ich ein Saphirfenster in einer HF-Umgebung verwenden?
Kalte HF: ja, Saphir ist im Wesentlichen inert. Heiße HF (über etwa 200 Grad Celsius) oder heiße Phosphorsäure: Saphir wird über Wochen bis Monate langsam angegriffen. Fluorplasma unter typischen Ätzkammerbedingungen: Saphir ist beständig. Quarzglas dagegen wird von HF bei jeder Temperatur rasch aufgelöst; Saphir ist die richtige Wahl für jede HF- oder Fluoridplasma-Umgebung. CaF2 ist ebenfalls beständig, hat aber nicht Saphirs mechanische Robustheit.
Welchen kleinsten Sonder-Saphirdurchmesser kann MachinedQuartz fertigen?
Routinemäßige Sonderdurchmesser bis hinab zu 1 mm. Unter 1 mm wird es Spezialarbeit, weil Handhabung und Maßtoleranz schwieriger werden; auf Anfrage haben wir bis 0,5 mm gefertigt. Der Standardkatalog beginnt bei 1,5 mm. Für sehr kleine Sondergrößen rechnen Sie mit einer längeren Angebotsprüfung und möglicherweise einer einmaligen Entwicklungsgebühr, wenn die Größe unter dem Standard-Bearbeitungsbereich liegt.
Welches größte Saphirfenster kann MachinedQuartz liefern?
Routinemäßige Sonderanfertigung bis 200 mm Durchmesser. Über 200 mm wird es Spezialarbeit, weil die Boule-Größe den Fensterdurchmesser begrenzt (die größten kommerziellen Czochralski-Boules sind 200 bis 340 mm). Auf Sonderbestellung haben wir bis 250 mm aus HEM-gezüchteten Boules geliefert. Für sehr große Fenster (über 300 mm) verengt sich die Lieferkette erheblich und die Lieferzeiten verlängern sich auf 8 bis 12 Wochen; fragen Sie nach einem konkreten Angebot.
Kann Saphir für UHV-Anwendungen an Metall gelötet werden?
Ja. Standardprozess: Saphir wird durch Einbrennen einer Mo-Mn-Paste bei 1500 Grad Celsius metallisiert, was eine haftende, chemisch an den Saphir gebundene Metallschicht bildet. Die metallisierte Fläche wird dann vernickelt und (typischerweise mit Au-Si- oder Cu-Ag-Eutektikum) an einen Kovar-, Inconel- oder Molybdänflansch gelötet. Das Ergebnis toleriert 10 hoch minus 10 mbar Vakuum und 450 Grad Celsius Ausheizen. Wir löten nicht im Haus; wir arbeiten mit qualifizierten Keramik-Metall-Fügebetrieben zusammen. Die Mindestbestellmenge für gelötete Baugruppen liegt wegen der Rüstkosten typischerweise bei 5 Stück.
Wie geht MachinedQuartz mit thermischer Wechselbelastung bei Saphir-Schaugläsern um?
Drei Ansätze je nach Schwere der Wechselbelastung. Für mäßige Wechselbelastung (Bereich unter 100 Grad Celsius, selten) absorbiert eine O-Ring-Dichtung die CTE-Fehlanpassung und funktioniert gut. Für höhere Wechselbelastung (100 bis 400 Grad Celsius) ist CTE-angepasstes Flanschmaterial (Kovar mit CTE 5,5 passt zu Saphir mit 5,6 bis 6,6) die Standardlösung. Für aggressive Wechselbelastung (großes Delta T, hohe Zyklenzahl) bewältigen gelötete Saphir-auf-Kovar-Baugruppen dies, wobei das Metall die Restfehlanpassung durch plastische Verformung absorbiert. Teilen Sie uns Ihr Belastungsprofil bei der Angebotsanfrage mit.
15. Haftungsausschluss & Hinweise
Spezifikationen auf dieser Seite sind typische Werte für Einkristall-Saphir in Handelsqualität, hergestellt nach den Czochralski-, HEM-, Verneuil- oder EFG-Verfahren. Spezifische Materialeigenschaften (Transmission, Defektdichte, Oberflächengüte) hängen von Lieferant, Zuchtmethode und Charge ab. Für verbindliche Spezifikationen ziehen Sie das mit jeder Lieferung gelieferte Konformitätszertifikat heran.
Druckbehälter-Auslegung. Die Formeln in Abschnitt 4 und Abschnitt 7 sind vereinfachte Richtlinien für eine erste Auslegung. Die endgültigen Druckbewertungen hängen von der vollständigen Geometrie, den Randbedingungen, dem Montagedesign, dynamischer vs. statischer Belastung und dem beabsichtigten Sicherheitsfaktor ab. Führen Sie bei in Betrieb genommenen Druckzellen eine zerstörende Prüfung an einem Muster beim 1,5-fachen Arbeitsdruck durch und konsultieren Sie für Hochdruckkonstruktionen einen Maschinenbauingenieur. MachinedQuartz zertifiziert keine Druckbewertungen; wir liefern die Fenster.
Sondergeometrie und gelötete Baugruppen. Standard-Sondergeometrie innerhalb unseres Bearbeitungsbereichs versendet in 12–25 Arbeitstagen ohne Werkzeuggebühr. Spezialbaugruppen (gelötet, halbkugelförmige Kuppeln, großer Durchmesser, sehr enge Toleranz) können einmalige Entwicklungsgebühren und längere Lieferzeiten erfordern. Wird im Rahmen der Angebotsprüfung kalkuliert.
Markenhinweis. Czochralski, HEM, Verneuil, EFG sind Bezeichnungen für Kristallzuchtmethoden. Norland 61, EPO-TEK 301, Hellma, Crystran, Meller, Kovar, Inconel sind Marken ihrer jeweiligen Eigentümer. Verweise dienen ausschließlich dem technischen Vergleich und dem Lieferkettenkontext.
ITAR / Exportkontrolle: Saphirfenster für Verteidigungsanwendungen können in manchen Jurisdiktionen ITAR- oder lokalen Exportkontrollbeschränkungen unterliegen. Wir beliefern kommerzielle OEM-Partner; verteidigungsspezifische Anwendungen liegen in der Verantwortung des Compliance-Teams des Kunden.
Informationsstand: zuletzt geprüft Mai 2026. Katalog und SKU-Sortiment können sich ändern.
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