作者：韦bq 时间：2026-01-12
德国LAYERTEC是一家专注于光学元件与涂层技术的制造商，以高精度、高性能的光学产品闻名于业界，其常用光学材料有可见光和红外波段的熔融石英(康宁7980)，紫外波段的氟化钙(CaF2)，近红外的YAG晶体和蓝宝石(Sapphire)。这几款常用光学材料各自具备不同的生产工艺和特性，以下简述Layertec反射镜基材的生产工艺和特性。
熔融石英(Fused Silica)：
熔融石英(SiO₂)是光学工业中关键材料之一，也是可见光和红外波段反射镜的常用光学材料，生产高性能光学元件需采用品质的熔融石英。制造这种高品质熔融石英时，以合成材料替代天然石英砂，其化学成分与简单的玻璃形态相符，且是玻璃中稳定的变体。熔融石英的折射率为1.46（对应λ=500nm），阿贝数(Abbe number, 又称色散系数或V-数，用于表征透明介质的光线色散程度)达67.70。其透光范围覆盖180nm至约3μm波段，但因含羟基基团，该透光范围内存在吸收带，高羟基含量的熔融石英适用于紫外应用场景。对于波长范围为940nm、1390nm及2μm-3μm的透射元件，建议选用羟基（也叫氢氧基）含量较低的石英玻璃。
图1：透射率光谱 a)不同类型的熔融石英，厚度6.35mm b)熔融石英吸收带的放大图
生产工艺：为生产无杂质的非晶态(无气泡和条纹)熔融石英，存在多种工艺方法，这些熔融石英反射镜基材的生产工艺会影响最终产品的光学特性（表1）。
表1：熔融石英的光学规格（根据生产工艺而定）
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制造工艺 |
OH(羟基) |
Cl(氯) |
Cations阳离子 |
UV-Edge 50%透射率 |
商标示例 |
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石英砂或晶体的电融合 |
<20ppm |
0 ppm |
50–300ppm |
220nm |
Infrasil® Vitreosil-IR® |
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使用有机硅化合物的单阶段 CVD 工艺（火焰水解） |
200–500ppm |
0 ppm |
10–50ppm |
210nm |
Homosil® Optosil® |
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两阶段工艺 CVD 沉积和致密化，使用有机硅化合物 |
600–1200ppm |
50–100ppm |
<1ppm |
170nm |
康宁7980® Suprasil 1® J-Plasma SQ® |
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氢氧火焰中的四氯化硅 |
<20ppm |
< 200ppm |
1–2ppm |
170nm |
Suprasil 3001® |
熔融石英(Fused Silica)的特性与应用：
熔融硅重要的特性，对LAYERTEC的产品至关重要：
- 高化学纯度
- 耐久，耐热
- 高温下热膨胀系数低
- 高软化温度High softening temperature
- 在宽光谱范围内的高透明度（紫外-红外）
- 高辐射抗性
在短波长及可见光波段，采用含较高羟基含量的熔融石英(如康宁7980®)，紫外高功率激光器透射光学元件则使用准分子级材料。标准熔融石英在红外波段透射光学应用中存在局限，天然熔融石英(如Infrasil®)及特种熔融石英(如SUPRASIL 3001/3002/300®等)具有极低羟基含量(<20ppm)，因此亦可应用于约3um以下的红外波段。
氟化钙(Calcium Fluoride，CaF2)：
氟化钙(CaF2，又称萤石)是一种具有立方晶结构的光学均匀晶体材料。其折射率为1.43(对应波长λ=500nm)，具有极高的均匀性，阿贝数达94.996。该材料具有0.125um至8um的宽广透射范围。作为紫外材料的主要应用需满足高纯度与晶体品质要求，该材料适用于在可见光至近红外光谱范围内校正色差。
生产工艺：虽然天然萤石的重要性已减弱，但CaF2可从纯净的原料中合成，并培育出大体积晶体。晶体的纯度与完美程度决定了该材料的潜在应用领域。
图2：氟化钙（厚度3mm）透射率光谱
氟化钙(Calcium Fluoride)的特性与应用：
CaF2的机械性能使加工光学具有挑战性，该材料柔软（Mohs hardness 4），因此容易被刮花，很容易被切割（晶面劈裂度5级）。由于其热膨胀系数高，若加工速度快或在高温梯度下加工，存在开裂风险。此外，CaF2不能被粘结到其他材料上。未涂层抛光表面会与大气水分反应，长期暴露后因微观粗糙度增加而产生雾化现象，这会产生杂散光，降低对比度。
由于CaF2热膨胀系数较高，基板应尽可能涂覆氟化物层。此外，必须严格控制加热和冷却速率，以防止基板开裂。
LAYERTEC在紫外波段使用氟化钙。它被加工成激光反射镜、输出耦合镜、分光镜、透镜、准分子激光器及倍频固态激光器的窗口等元件。在含氟环境中，CaF2光学元件的寿命明显长于其他材料。
由于其机械性能，应用中应确保产品不受温度波动和温度梯度的影响。光学元件应置于干燥剂中并存放于恒定环境中，因此包装应在使用前短时间内打开。
蓝宝石(Sapphire):
蓝宝石(Al₂O₃)是刚玉矿物的变种，在光学工业中，使用的是合成形式。蓝宝石是一种具有菱形六方结构的各向异性材料，其光学特性随晶轴和入射角的变化而不同，这些特性在产品的计算中必须加以考虑。蓝宝石在180nm至约4um波长范围内保持透明，其折射率为1.77–1.78（λ=500nm）。
生产工艺：工业化过程中采用多种种植工艺来生产蓝宝石，除了HEM（热交换法）和Czochralski工艺（均从熔融态生长）外，蓝宝石反射镜基材的生产工艺还采用Verneuil工艺（火焰熔融工艺）。
图3：蓝宝石Sapphire（厚度3mm）的透射率光谱
蓝宝石(Sapphire)的性质与应用：
蓝宝石Sapphire作为基材的重要特性：
- 极高的硬度(Mohs硬度9)，只能通过少数材料(如金刚石)进一步加工
- 抗刮，高化学抗性
- 优异导热性
- 宽透射范围
由于其卓越的导热性和中红外段的优异的透射性，LAYERTEC主要将蓝宝石应用于2-3um波段的高性能元件。
钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)：
钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂或YAG)是一种具有立方结构的晶体材料，通过人工合成制备，其折射率为1.84(λ=500nm)，在0.25um至4um波段具有优良的透射性能。未掺杂YAG在2-3um波段无吸收，而熔融石英因羟基基团含量较高，恰在此波段呈现高吸收带。
生产工艺：YAG晶体主要采用Czochralsky法制备，将晶种接触熔体后，在旋转状态下缓慢向上移动，最终可制得长度超过300mm、直径达100mm的单晶体。
图4：未掺杂YAG（厚度3mm）的透射率光谱
钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)的性质与应用：
YAG具有多项有利于高性能光学元件制造的特性，其化学和机械阻力与蓝宝石相似。然而，由于其Mohs硬度较低的(8.5级)，YAG更容易加工。该晶体的高导热性与低吸收损耗特性使其能够承受高能量激光，掺杂形式的YAG晶体也适合用作激光的活性介质(Yb:YAG 1030nm、Nd:YAG 1064nm、Tm:YAG 2.01um、Ho:YAG 2.1um、Er:YAG 2.94um)。
在LAYERTEC，未掺杂YAG主要用于中红外波段(MIR)，波长可达≈4um。相较于蓝宝石，其优势在于无双折射特性，因此晶体取向可以任意选择用于多种用途。在内部光学生产中，YAG基板可制成不同尺寸，既有平面基板，也有曲面基板或透镜。
适用于紫外(UV)、可见光(VIS)及近红外/红外(NIR/IR)光学元件的各类基板材料：
表2：各种基材材料的规格
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Fused Silica (UV) |
Infrasil®1) |
YAG (undoped) |
Sapphire (C-cut) |
CaF2 |
N-BK7®2) |
Si |
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无吸收波长范围 |
190nm–2.0um3) |
300nm–3um |
400nm–4um |
400nm–4um |
130 nm–7um |
400nm–1.8um |
1.4–6um |
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折射率 |
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200nm |
1.55051 |
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1.49516 |
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|
300nm |
1.48779 |
|
|
|
1.45403 |
|
|
|
500nm |
1.46243 |
1.48799 |
1.8450 |
1.775 |
1.43648 |
1.5214 |
|
|
1um |
1.45051 |
1.45042 |
1.8197 |
1.756 |
1.42888 |
1.5075 |
|
|
3um |
|
1.41941 |
1.7855 |
1.71 |
1.41785 |
|
3.4381 |
|
5um |
|
|
|
1.624 |
1.39896 |
|
3.4273 |
|
9um |
|
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|
1.32677 |
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|||||||
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在3um波段具有吸收特性 |
yes |
yes |
no |
no |
no |
yes |
no |
|
在940nm吸收 |
对于940nm波长的高功率应用，推荐使用熔融石英SUPRASIL 300®1)和SUPRASIL 3001/3002®1)。 |
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双折射 |
no |
no |
no |
yes |
no4) |
no |
no |
|
热膨胀系[10⁻⁶K⁻¹]⁵)(0–20°C) |
0.5 |
0.5 |
7 |
5 |
18 |
7 |
2.6 |
|
抗温与抗热能力 |
高 |
高 |
高 |
高 |
高 |
高 |
高 |
|
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|||||||
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GDD fs² per mm |
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|
400nm |
98 |
98 |
240 |
150 |
68 |
120 |
|
|
800nm |
36 |
36 |
97 |
58 |
28 |
45 |
|
|
1064nm |
16 |
16 |
61 |
29 |
17 |
22 |
|
|
1500nm |
-22 |
-22 |
13 |
-25 |
1.9 |
-19 |
|
|
2000nm |
-100 |
-100 |
-59 |
-120 |
-21 |
-99 |
|
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|||||||
|
TOD fs3 per mm |
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||||||
|
400nm |
30 |
30 |
75 |
47 |
19 |
41 |
|
|
800nm |
27 |
27 |
57 |
42 |
16 |
32 |
|
|
1064nm |
44 |
44 |
71 |
65 |
21 |
49 |
|
|
1500nm |
130 |
130 |
140 |
180 |
46 |
140 |
|
|
2000nm |
450 |
450 |
360 |
530 |
120 |
460 |
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|
1）Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG 注册商标 |
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|
2）SCHOTT AG的注册商标 |
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3）在此波长范围内存在吸收带，请参阅透射率曲线 |
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4）仅在真空紫外波长范围内具有可测量的效应 |
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5）请注意，文章中不同作者的观点并不一致。此外，晶体的热膨胀系数还可能取决于晶体取向。因此，此处给出的数值仅为近似值 |
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所有数值仅供参考。LAYERTEC无法保证所提供数值的准确性 |
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