Un sustrato de vidrio de borosilicato es un material base fundamental utilizado en la fabricación de diversos componentes ópticos. Este material, caracterizado por la adición de trióxido de boro B(2)O(3) a la mezcla convencional de vidrio de silicato, es muy valorado en la industria óptica por su coeficiente de expansión térmica (CTE) excepcionalmente bajo, su alta resistencia química y su excelente claridad óptica en los espectros visible e infrarrojo cercano (NIR).
En ingeniería óptica, estos sustratos sirven de base física sobre la que se depositan complejos recubrimientos de película delgada para crear filtros, espejos y divisores de haz.
Especificaciones ópticas principales
| Propiedad óptica | N-BK7 |
| Índice de refracción (nd a 587.6 nm) | 1.5168 |
| Número de Abbe (V d) | 64.17 |
| Dispersión (nf - nc) | 80.5 × 10-4 |
| Intervalo de transmisión | 350 nm a 2100 nm |
| Coeficiente de expansión térmica | 7.1 × 10-6 / K |
Composición y características principales
El vidrio de silicato estándar (como el vidrio común de las ventanas) tiende a agrietarse cuando se producen cambios rápidos de temperatura. La adición de trióxido de boro modifica la estructura atómica del vidrio y reduce considerablemente su expansión térmica.
- Baja expansión térmica: El vidrio de borosilicato puede soportar gradientes de temperatura intensos sin fracturarse. Esta estabilidad dimensional es fundamental para los componentes ópticos que deben conservar su forma exacta y la figura de su superficie cuando se exponen a fuentes de luz de alta intensidad o a fluctuaciones de la temperatura ambiental.
- Transmisión óptica: Los sustratos de borosilicato ofrecen una transmisión alta y uniforme desde el ultravioleta cercano (aprox. 310 nm), a través del espectro visible, hasta el infrarrojo cercano (aproximadamente 2.7 µm).
- Durabilidad química: Presenta una alta resistencia al agua, a las soluciones neutras y ácidas y a las mezclas químicas potentes, por lo que resulta ideal para entornos en los que la degradación supone un problema.
- Rentabilidad: Aunque no ofrece la transmisión extrema en el UV profundo ni la estabilidad térmica absoluta de la sílice fundida UV, el borosilicato constituye una alternativa muy económica para aplicaciones que no operan en el rango ultravioleta profundo.
Tipos habituales en óptica
En la industria fotónica se utilizan ampliamente varias formulaciones propias y estándar de vidrio de borosilicato:
N-BK7 (vidrio crown de borosilicato): Probablemente sea el vidrio óptico más común para aplicaciones de alta calidad en el espectro visible y NIR. Es relativamente duro, admite fácilmente un pulido de alta calidad y se utiliza ampliamente en lentes, prismas y sustratos gruesos.
Aplicaciones en componentes ópticos
Debido a su equilibrio entre claridad óptica, estabilidad térmica y coste, el vidrio de borosilicato se utiliza ampliamente como material de sustrato en diversos sistemas ópticos:
- Filtros ópticos: El borosilicato sirve como base rígida y transparente para los recubrimientos dieléctricos de película delgada. Es el sustrato estándar de muchos filtros de paso de banda, filtros de borde de paso corto y paso largo, y filtros de densidad neutra (ND) que funcionan en los rangos visible y NIR.
- Espejos dicroicos y divisores de haz: La estabilidad térmica del borosilicato garantiza que se mantengan los requisitos precisos de ángulo de incidencia (AOI) de los recubrimientos dicroicos, lo que evita el «desplazamiento al azul» inducido por el entorno y la deformación estructural.
- Sistemas de formación de imágenes: Se utiliza con frecuencia como vidrio protector para sensores de imagen, incluidos los empleados en aplicaciones estándar de luz visible y algunas aplicaciones SWIR, y como material base para ventanas ópticas de precisión.
- Sistemas de iluminación: Debido a su resistencia al choque térmico, los sustratos de borosilicato son ideales para colocarlos delante de fuentes luminosas de alta intensidad, como lámparas de arco de xenón o mercurio, cuyo calor haría añicos el vidrio convencional.