作者：李zx 时间：2026-07-07
本文旨在介绍光学元件中的窗片与平面基板常用光学材料，介绍氟化钙、合成石英、蓝宝石、硒化锌等材质的光学材料特性、透光波段、优缺点及应用场景。同时讲解平面基板选型要点，包含面形精度、基板平行度、光束偏移、楔角设计、表面粗糙度等专业知识。希望能够通过这篇文章帮助您了解更多光学知识。
此前我司光学知识栏目中的文章多讨论的光学元件，适用波长范围基本集中在透镜、半反镜通用的300~2000nm区间。但诸多光学实验需要覆盖更广的波长波段，例如真空紫外光谱分析、红外光谱分析、远红外检测等场景。
普通可见光透光玻璃对紫外、红外光均存在吸收损耗。BK7玻璃可用波段为350~1800nm，石英玻璃适用范围也仅170~2500nm。若想进一步拓展紫外与红外透光区间，就必须更换光学基材。不过目前尚无能够贯通紫外至红外全波段的透光材料。
图4-1 材料的透射波长范围
下文将划分两大波段，分别介绍主流透光基材。
常用材料包括氟化钙（CaF2）、蓝宝石（Al2O3）、无水合成石英（SiO2）。
氟化钙是近乎理想的透光材料，透光范围可覆盖130nm真空紫外至8000nm红外波段。但其光学材料特性相较于合成石英、BK7玻璃具备潮解性，长期处于高湿环境中表面会起雾发白，因此需放置在氮气或干燥空气密封腔体中使用。该材料广泛应用于傅里叶变换红外光谱仪分光镜、准分子激光光学元器件。
蓝宝石常被制作成饰品，也可人工合成，质地坚硬且呈无色透明结晶态。可用于腕表表镜、低温制冷设备零件、半导体基板等，取材难度较低，常作为可见光至近红外光学窗口片材料。凭借优异的抗划伤性能，也大量用作户外红外设备防护窗片。
普通合成石英在3.5微米红外波段仍保有高透光率，但受1.38μm、2.22μm、2.7μm三处羟基吸水峰限制，无法用于2微米以上长波段。通过生产工艺去除材料内部水分，可制得无水合成石英，适配最高3.5微米红外波段；代价则是紫外透光下限提升至200nm，紫外适用范围收窄。
近红外、红外光谱与分子结构关联紧密，常应用于物质定性、定量分析。常规可见光透光材料的光学材料特性无法适配8微米以上波长，该波段需专用红外透光材质。
硅（Si）、锗（Ge）半导体材料在可见光下呈现金属光泽，红外波段却具备透光性，常被用作红外热成像相机镜头。这类材料折射率远高于普通光学玻璃，单面反射率可达30%，会大幅削弱红外透射光强度，实际使用中一般镀制红外增透膜提升透光率。
红外光除检测分析外，还用于二氧化碳激光（10.6μm）热熔切割、熔接加工。激光作业时，需借助可见光导引光校准加工点位、调试光路光路。硒化锌（ZnSe）无法透过蓝、绿光，但可透射红光，是二氧化碳激光镜头与透光基板的常用材料。
上述光学材料可加工成圆片状，用作分光镜、滤光片基底，也可充当真空腔体、镜筒观测窗片。
光学窗口片除基础光学基材外，还有镀有增透膜的成品基板，以此最大化透光效率。
合成石英材质中，配有高激光耐受镀膜光学窗口片【WSQNAHP】，适配266nm、355nm、532nm、1064nm高能固体激光器；BK7玻璃与合成石英也搭载常用激光波段、宽频增透镀膜，对应型号为【WBMA】、【WSQMA】。
图4-2 带防反射膜的窗片的透过率曲线
西格玛光机备有各类未镀膜镜片基底，可满足定制特殊波长光学元件、自主镀膜加工的需求，常规尺寸基板均有现货。
平面基板品类划分精细，规格涵盖外形尺寸、板厚、面形精度、材质、基板平行度等多项参数，型号种类繁多。接下来讲解平面基板选型核心要点。
板厚、面形精度、基材是影响反射波前精度的核心因素。即便基板面形精度达标，若板材偏薄、选用BK7这类刚性偏弱材质，夹持固定后平面也极易形变。若要求平面基板面形精度达到λ/20级别，需选用合成石英等高刚性材质，且优先加厚基板。
图4-3 基板规格与面型精度的关系
对于分光镜、滤光片等透射光束类基板，基板平行度是关键问题。光束透过基板平行度不佳的基板时，会发生偏折后出射，该现象称为光束偏角。
图4-4 光束偏角和光束位移的原理图
垂直入射时，设元件的顶角（平行度误差）为α，则光束偏角δ₀可由公式4-1表示。
其中n为基板材料的折射率。BK7玻璃折射率为1.517，合成石英折射率为1.458，因此可近似认为光束偏角δ₀约等于0.5α，该结论便于实际运用。
若像分光镜这类器件，光束入射角大于0°，光束偏角δ<sub>θ</sub>会大于0.5α，此时公式4-1不再适用。需利用斯涅尔定律进行计算，或是采用公式4-2的近似公式求解。当入射角为45°时，BK7玻璃对应的光束偏角为0.88α，合成石英则为0.78α。
造成光束位置偏移的现象不只有光束偏角，通常还会伴随光束平移，即光束偏移量D。光束垂直入射时不会产生平移；即便使用无顶角误差的平行平板（α=0°），随着入射角θ₁增大，光束偏移量D也会随之增加，且基板厚度越大，偏移量变化越明显。
当α=0°时，出射光束与入射光束完全平行。因此在远离基板的位置观测，光束偏移量与刚出射时保持一致，观测距离不会改变光束的偏移位置。
设基板厚度为t，入射角为θ₁，出射角为θ₂，可推导出公式4-3。当入射角较小时，利用tanθ≈sinθ的近似关系对公式进行推导，便可得到公式4-4。（公式4-4为近似公式，在入射角不超过45°的范围内，计算得出的光束偏移量D误差很小。）
基于上述特性，人们通常会认为高精度光学系统必须选用平行度优异的光学元件。但在采用高相干激光的干涉仪中，其分光镜、参考面等部件，反而会特意使用顶角α为1°的楔角基板，对应型号为WSB、WSSQ、BS4。
原因在于高平行度基板的正反面反射光会发生干涉，产生无关干涉条纹，干扰观测结果。反射使用场景下，正反面反射率相近，干涉条纹对比度会达到峰值。平行度优于0.0003°的超高平行基板，条纹间距拉大肉眼难以辨识，但板面明暗不均，依旧会造成检测误差。透射工况中，基板约4%的单面反射率影响偏小，不过反射形成的干涉杂光仍会叠加在透射光路中，高精度测量场景无法忽视该干扰。
图4-5 平行平面基板产生的干涉条纹图像
在基板背面镀增透膜，能够弱化干涉条纹，但无法彻底消除。带楔角基板可压缩条纹间距，高分辨率观测设备也无法分辨明暗纹路，板面亮度趋于均匀。楔角基板会使光束产生倾角，可通过调整镜架角度、位置修正光路，不会影响干涉仪整体性能。
肉眼观察玻璃基板表面光滑平整，不存在凹凸起伏。但高能激光、软X射线工况下，微观表面粗糙度会引发不良影响。常规光学镜片研磨表面粗糙度合格标准为10纳米级别；低散射基板表面粗糙度研磨标准更高，表面凹凸需控制在0.2纳米以内。
低散射基板【OPSQSP】可用于制作X射线反射镜，也可作为多层镀膜基底，加工出低膜层缺陷的高品质反射镜。
图4-6 平面基板与低散射基板的散射光与表面粗糙度
