Kalk-Natron-Glas (auch als Natron-Kalk-Silikatglas bezeichnet) ist die weltweit am häufigsten verwendete Glasart und dient als grundlegendes, kostengünstiges Substratmaterial bei der Herstellung optischer Komponenten. Es bietet zwar nicht die extremen Leistungsmerkmale spezieller technischer Gläser, doch das ausgewogene Verhältnis aus optischer Klarheit, einfacher Bearbeitbarkeit und niedrigen Kosten macht es zu einem weit verbreiteten Basismaterial für Optiken im sichtbaren Spektralbereich und beschichtete optische Filter.
Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften
Die chemische Zusammensetzung von Kalk-Natron-Glas besteht üblicherweise aus drei Hauptbestandteilen:
- Siliziumdioxid (SiO₂): Ungefähr 70–74%; dient als primäres glasbildendes Oxid.
- Natriumoxid (Na₂O): Etwa 13–15%, wird als Flussmittel zugesetzt, um die Schmelztemperatur des Siliziumdioxids zu senken.
- Kalk (CaO): Etwa 7–10%, als Stabilisator zugesetzt, um zu verhindern, dass das Glas wasserlöslich wird, und um die chemische Beständigkeit zu verbessern.
- Andere Verbindungen wie Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) können in Spuren zugesetzt werden, um die Beständigkeit und Verarbeitungseigenschaften des Glases weiter zu verbessern.
Physikalisch zeichnet sich Natron-Kalk-Glas durch einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aus. Dadurch ist es anfälliger für Thermoschock als Borosilikatgläser oder technisch hergestellte kristalline Materialien. Bei schnellen, extremen Temperaturschwankungen kann es daher reißen oder zerspringen.
Optische Eigenschaften
Kalk-Natron-Glas weist im sichtbaren Spektralbereich (etwa 400 nm bis 700 nm) sowie im nahen Infrarotbereich (NIR) bis etwa 2.5 µm eine ausgezeichnete optische Transmission auf.
Außerhalb dieser Grenzen fällt die Transmission jedoch stark ab:
- Ultravioletter (UV) Bereich: Herkömmliches Kalk-Natron-Glas ist für tiefes UV-Licht praktisch undurchlässig. Im Gegensatz zu Substraten aus UV-Quarzglas, die bis tief in den ultravioletten Bereich eine außergewöhnlich hohe Transmission bieten (bis ~195 nm), beginnt Kalk-Natron-Glas unterhalb von 350 nm typischerweise stark zu absorbieren.
- Infrarotbereich (IR): Oberhalb von 2.5 µm nimmt die Transmission deutlich ab. Daher eignet sich das Material nicht für Bildgebungssysteme im mittleren Infrarot (MWIR) oder für anspruchsvolle Bildgebungssysteme im kurzwelligen Infrarot (SWIR), die eine breite spektrale Transparenz erfordern.
Der Brechungsindex (nd) von Standard-Natronkalkglas liegt typischerweise bei etwa 1.51 to 1.52. Seine Abbe-Zahl (Vd) beträgt ungefähr 58 to 60, was auf eine relativ geringe chromatische Dispersion hinweist.
Anwendungen in der Optik
Da es in großen Platten mit hoher Oberflächenqualität hergestellt werden kann, insbesondere als Floatglas, wird Kalk-Natron-Glas häufig als Basissubstrat für optische Dünnschichtbeschichtungen verwendet. Zu den gängigen Anwendungen gehören:
- Optische Filter: Es dient als Basisschicht, auf der dielektrische Dünnschichten abgeschieden werden, um optische Bandpassfilter, Kurzpassfilter und Langpassfilter für den Einsatz im sichtbaren und nahen IR-Spektralbereich herzustellen.
- Neutraldichte- (ND-)Filter: Kalk-Natron-Glas wird häufig als Substrat für absorbierende oder reflektierende ND-Filter verwendet, die in der Fotografie, Videografie und in grundlegenden Laboraufbauten eingesetzt werden.
- Spiegel und Strahlteiler: Es wird häufig als Substrat für handelsübliche Vorderflächenspiegel und dichroitische Strahlteiler verwendet.
- Schutzfenster und Deckgläser: Aufgrund seiner Haltbarkeit und Kratzfestigkeit eignet sich das Material ideal, um empfindlichere optische Sensoren oder interne Komponenten vor Umwelteinflüssen zu schützen, sofern das System keine UV-Transmission erfordert.
Herstellung und Fertigung
Kalk-Natron-Glas lässt sich sehr gut bearbeiten. Es kann problemlos zugeschnitten, kantengeschliffen, gebohrt und poliert werden, um die für Präzisionsoptiken erforderlichen Spezifikationen hinsichtlich Oberflächenebenheit und Oberflächenqualität zu erfüllen. Bei der Entwicklung von Dünnschichtbeschichtungen für Kalk-Natron-Substrate müssen Ingenieure jedoch den spezifischen Brechungsindex berücksichtigen, um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Beschichtung, etwa eine Antireflexbeschichtung oder ein Bandpass-Schichtsystem, bei unterschiedlichen Einfallswinkeln (AOI) korrekt funktioniert, ohne eine „Blauverschiebung“ zu verursachen.