Ein Borosilikatglassubstrat ist ein grundlegendes Basismaterial für die Herstellung verschiedener optischer Komponenten. Das Material wird durch den Zusatz von Bortrioxid B(2)O(3) zur üblichen Silikatglasmischung hergestellt und wird in der Optikindustrie wegen seines außergewöhnlich niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), seiner hohen chemischen Beständigkeit und seiner ausgezeichneten optischen Klarheit im sichtbaren und nahinfraroten (NIR) Spektralbereich sehr geschätzt.
In der optischen Technik dienen diese Substrate als physische Grundlage, auf der komplexe Dünnschichtbeschichtungen abgeschieden werden, um Filter, Spiegel und Strahlteiler herzustellen.
Wichtige optische Spezifikationen
| Optische Eigenschaft | N-BK7 |
| Brechungsindex (nd bei 587.6 nm) | 1.5168 |
| Abbe-Zahl (V d) | 64.17 |
| Dispersion (nf - nc) | 80.5 × 10-4 |
| Transmissionsbereich | 350 nm bis 2100 nm |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 7.1 × 10-6 / K |
Zusammensetzung und wesentliche Merkmale
Normales Silikatglas (wie typisches Fensterglas) neigt bei schnellen Temperaturänderungen zur Rissbildung. Durch die Zugabe von Bortrioxid verändert sich die atomare Struktur des Glases, wodurch seine Wärmeausdehnung deutlich verringert wird.
- Geringe Wärmeausdehnung: Borosilikatglas hält starken Temperaturgradienten stand, ohne zu brechen. Diese Formbeständigkeit ist für optische Komponenten entscheidend, die ihre exakte Form und Oberflächenkontur beibehalten müssen, wenn sie intensiven Lichtquellen oder schwankenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind.
- Optische Transmission: Borosilikat-Substrate bieten eine hohe, gleichmäßige Transmission vom nahen Ultraviolettbereich (ca. 310 nm) über das sichtbare Spektrum bis in den nahen Infrarotbereich (bis etwa 2.7 µm).
- Chemische Beständigkeit: Es ist äußerst beständig gegen Wasser, neutrale und saure Lösungen sowie aggressive Chemikaliengemische und eignet sich daher optimal für Umgebungen, in denen eine Materialzersetzung problematisch ist.
- Kosteneffizienz: Borosilikat bietet zwar weder die außergewöhnlich hohe Transmission im tiefen UV noch die absolute thermische Stabilität von UV-Quarzglas, ist jedoch eine äußerst wirtschaftliche Alternative für Anwendungen außerhalb des tiefen UV-Bereichs.
Gängige Typen in der Optik
In der Photonikindustrie werden mehrere proprietäre und standardisierte Borosilikatglas-Zusammensetzungen häufig eingesetzt:
N-BK7 (Borosilikat-Kronglas): Wahrscheinlich das am häufigsten verwendete optische Glas für hochwertige Anwendungen im sichtbaren und NIR-Bereich. Es ist relativ hart, lässt sich leicht hochwertig polieren und wird häufig für Linsen, Prismen und dicke Substrate eingesetzt.
Anwendungen in optischen Komponenten
Aufgrund seines ausgewogenen Verhältnisses von optischer Klarheit, thermischer Stabilität und Kosten wird Borosilikatglas in zahlreichen optischen Systemen häufig als Substratmaterial eingesetzt:
- Optische Filter: Borosilikat dient als starres, transparentes Trägermaterial für dielektrische Dünnschichtbeschichtungen. Es ist das Standardsubstrat für viele Bandpassfilter, Kurzpass- und Langpass-Kantenfilter sowie Neutraldichtefilter (ND), die im sichtbaren und NIR-Bereich eingesetzt werden.
- Dichroitische Spiegel und Strahlteiler: Die thermische Stabilität von Borosilikat stellt sicher, dass die präzisen Anforderungen dichroitischer Beschichtungen an den Einfallswinkel (AOI) eingehalten werden. Dadurch werden eine umgebungsbedingte „Blauverschiebung“ und strukturelle Verformungen verhindert.
- Bildgebungssysteme: Es wird häufig als Schutzglas für Bildsensoren verwendet, einschließlich Sensoren für den normalen sichtbaren Bereich und einige SWIR-Anwendungen, sowie als Basismaterial für optische Präzisionsfenster.
- Beleuchtungssysteme: Aufgrund ihrer Temperaturwechselbeständigkeit eignen sich Borosilikatsubstrate ideal für den Einsatz vor hochintensiven Lichtquellen wie Xenon- oder Quecksilberbogenlampen, bei denen herkömmliches Glas durch die Hitze zerspringen würde.