Innovationen bei IR-Fenstern: Stärken Sie 2024 mit Infrarot-Fenstern

Autor: Pradyumn – F&E-Praktikant

Herausgeber: Qu Yingli – F&E-Direktor

Herausgeber: Bryan Ng – Marketingmanager

Optische Fenster sind selektiv transparente Bauteile, die je nach Material bestimmte Lichtwellenlängen durchlassen. Sie sind sorgfältig konstruiert, um optische Klarheit zu gewährleisten, Umwelteinflüssen standzuhalten und Verzerrungen oder Veränderungen des durchtretenden Lichts zu minimieren. Hauptsächlich dienen sie dem Schutz empfindlicher optischer Komponenten, der Durchführung von Messungen und der Beobachtung oder Bildgebung in verschiedenen Anwendungen.

1. Einführung in optische Fenster und Materialien

Optische Fenster lassen bestimmte Wellenlängen durch, während sie andere reflektieren, absorbieren oder blockieren. Optische Fenster können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise Quarzglas, Silizium , Calciumfluorid (CaF₂) , Germanium (Ge) , Kaliumchlorid (KCl), Kaliumbromid (KBr), Saphir (Al₂O₃) , N-BK7 und Zinkselenid (ZnSe).

Jedes dieser Materialien besitzt ein eigenes Transmissionsprofil, das je nach Anwendung ausgewählt wird. Materialeigenschaften wie Transmission, Brechungsindex und Härte des Fenstersubstrats können entscheidend dafür sein, welches Fenster für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist. Bevor wir uns mit Infrarotfenstern (IR-Fenstern) befassen, werfen wir einen Blick auf andere Arten optischer Fenster, um ein besseres Verständnis der gesamten Kategorie zu gewinnen.

1.1 Eine kurze exemplarische Vorgehensweise für andere Fenster

Für die Transmission im sichtbaren Spektrum (350 nm – 750 nm) werden N-BK7 und Quarzglas häufig als Substrate für optische Fenster verwendet . Quarzglas zeichnet sich durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und eine hohe Laserzerstörschwelle (LIDT) aus und ist daher ideal für Anwendungen wie Hochleistungslaseroptiken, Bildgebungssysteme im sichtbaren Bereich und Spektroskopie.

Tabelle 1: Wavelength Opto-Electronic Fenster aus Quarzglas (WFS-Serie) und N-BK7 (WBK-Serie).

N-BK7 hingegen kann aufgrund seiner hervorragenden optischen Transmission im sichtbaren Spektrum (ca. 350 – 2200 nm) für Kameraobjektive, optische Filter und allgemeine Optiken für sichtbares Licht verwendet werden. BK7 ist außerdem relativ hart und weist eine gute Kratzfestigkeit auf. Für temperaturempfindliche Anwendungen wie Präzisionsspiegel wird es jedoch nicht empfohlen.

2. IR-Fenster

Für Anwendungen im Infrarotbereich werden Materialien wie ZnSe , Al₂O₃ , Si und Ge eingesetzt. Ein optimales Infrarotfenster sollte die gesamte Infrarotstrahlung verlustfrei durchlassen. Solche Fenster dienen typischerweise der Trennung von Umgebungen mit unterschiedlichen Drücken oder Temperaturen, während gleichzeitig Lichtenergie einer bestimmten elektromagnetischen Wellenlänge zwischen den beiden Umgebungen hindurchtreten kann.

Tabelle 2: Wavelength Opto-Electronic Al₂O₃ (WSP-Serie) und ZnSe (WZ-Serie) Fenster

Darüber hinaus ermöglichen sie Inspektionen von stromführenden, unter Spannung stehenden Komponenten und Verbindungen innerhalb von Schaltschränken, ohne dass deren Abdeckungen entfernt werden müssen. Bei der Verwendung dieser Fenster für industrielle Zwecke ist es von entscheidender Bedeutung, sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Festigkeits- und Umweltstandards erfüllen, die speziell für die Ausrüstung gelten, in die sie eingebaut werden. Diese Fenster sind in verschiedenen Größen und Stärken erhältlich, um eine ordnungsgemäße Installation zu ermöglichen.

2.1 Unterschied zwischen IR-Fenstern und anderen Fenstern

Infrarotlicht lässt sich in Nahinfrarot (NIR), kurzwelliges Infrarot (SWIR), mittelwelliges Infrarot (MWIR), langwelliges Infrarot (LWIR) und Ferninfrarot (FIR) unterteilen. Für Anwendungen im Infrarotbereich wird Germanium (Ge) häufig als Substratmaterial für optische Fenster verwendet . Im Gegensatz zu anderen Materialien wie Quarzglas und N-BK7, die Lichtwellenlängen aus dem sichtbaren und UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchlassen, sind Ge und Silizium (Si) für UV- und sichtbares Licht undurchlässig, weisen aber im Infrarotbereich einen großen Transmissionsbereich auf.

Materialien wie Al₂O₃ , ZnSe , Zinksulfid (ZnS) und CaF₂ weisen ein breites Transmissionsband auf, das für CaF₂ und Al₂O₃ vom UV- bis zum MWIR-Bereich und für ZnSe und ZnS vom sichtbaren Spektrum bis zum LWIR-Bereich reicht. Daher sollten Anwendungen, die ausschließlich die Transmission von IR-Wellen erfordern, Germanium- oder Siliziumfenster verwenden.

2.2 Ge IR-Fenster und Anwendungen

Wie aus dem Transmissionsprofil ersichtlich, dient Germanium als Langpassfilter für Wellenlängen über 2 µm. Aufgrund seines hohen Brechungsindex (4.0 im Bereich von 2 µm bis 14 µm) weist es nur geringe chromatische Aberration auf und ist mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen. Darüber hinaus ist es kratzfest und beständig gegenüber Luft, Wasser, Laugen und verschiedenen Säuren. Seine relativ hohe Dichte (5.323 g/cm³ ⁾ sollte bei Anwendungen berücksichtigt werden, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt.

Darüber hinaus werden die Transmissionseigenschaften von Germanium (Ge) maßgeblich von der Temperatur beeinflusst. Bei 100 °C steigt die Absorption so stark an, dass Ge nahezu undurchsichtig wird, und bei 200 °C verliert es seine gesamte Transmissionsfähigkeit. Optische Fenster aus Ge finden breite Anwendung in der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie, den Lebens- und Medizinwissenschaften, der industriellen Erstausrüstung (OEM) sowie in einer Vielzahl weiterer Infrarotanwendungen. Aufgrund seiner Brechung eignet es sich für Weitwinkelobjektive und Mikroskope. In Wärmebildsystemen wird Ge häufig für Infrarotfenster und -linsen verwendet.

Eine der häufigsten Anwendungen für Germaniumfenster findet sich in _CO₂- Lasersystemen mit geringer Leistung . Mit einer Laser-induzierten Zerstörschwelle (LIDT) von 10 J/ ^cm² sind Germaniumfenster für Hochleistungs- oder Dauerstrichlaser (CW) ungeeignet. Dies liegt unter anderem daran, dass Laser mit höherer Leistung zu Temperaturanstiegen führen, wodurch die Transmissionseigenschaften oberhalb von 100 °C drastisch sinken und das Substrat bei Temperaturen um 600 °C schließlich beschädigt wird. Im Gegensatz dazu eignet sich ein antireflexbeschichtetes Germaniumfenster gut für gepulste Lasersysteme mit geringer Leistung. Eine besonders bemerkenswerte Anwendung findet sich in Quantenkaskadenlasern (QC), die in der Materialwissenschaft der Spitzentechnologie eingesetzt werden.

2.3 Si-IR-Fenster und Anwendungen

Neben Germanium (Ge) wird auch Silizium (Si) häufig für Infrarotfenster verwendet. Si zählt zu den härtesten Mineralien und optischen Materialien und eignet sich für den Einsatz im nahen Infrarotbereich (NIR, 1 µm bis ca. 6 µm). Optisches Si wird üblicherweise dotiert (5 bis 40 Ω·cm), um Absorptionsbanden im Transmissionsbereich zu vermeiden. Si besitzt einen niedrigeren Brechungsindex und eine geringere Dichte als Ge, was leichtere optische Konstruktionen ermöglicht.

Silizium eignet sich ideal für Fenster im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 µm (MWIR) und als Substrat für optische Filter . Seine geringe Dichte (halb so hoch wie die von Germanium oder Zinkselenid ) prädestiniert es für gewichtssensible Anwendungen, insbesondere im Bereich von 3 bis 5 µm. Mit einer Dichte von 2.329 g/cm³ ^und einer Knoop-Härte von 1150 ist es härter und weniger spröde als Germanium.

Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eignet sich Silizium (Si) besser für Hochleistungslaser als Germanium (Ge). Dies ist insbesondere in Bereichen wie der industriellen Inspektion und Überwachung von Bedeutung. Wie aus seinem Transmissionsprofil ersichtlich, weist es jedoch eine starke Absorptionsbande bei 9 µm auf, wodurch es für CO₂-Laseranwendungen ungeeignet _ist.

Siliziumfenster finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung. Sie sind ein integraler Bestandteil von Wärmebildgeräten und ermöglichen die Erfassung von Temperaturänderungen in Objekten und Umgebungen. Darüber hinaus werden sie häufig in Infrarotspektroskopie-Geräten zur Analyse der Zusammensetzung verschiedener Materialien sowie in der Verteidigungs- und Sicherheitsindustrie zur Zielerkennung und in Nachtsichtgeräten eingesetzt.

2.4 Unterschied zwischen Ge- und Si-IR-Fenstern

Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind Halbleitermaterialien, die in verschiedenen Anwendungen, unter anderem in Fenstertechnologien, eingesetzt werden. Der Hauptunterschied liegt in ihren physikalischen Eigenschaften und optischen Charakteristika. Siliziumfenster bieten eine bessere Transparenz im kurzwelligen (SWIR) und mittleren Infrarotbereich (MWIR), sind jedoch im langwelligen Infrarotbereich (LWIR) weniger effizient. Germaniumfenster hingegen weisen eine überlegene Infrarottransparenz im LWIR-Bereich auf und eignen sich daher ideal für Anwendungen in der Wärmebildgebung und Infrarotspektroskopie.

Germanium (Ge) ist jedoch im Allgemeinen teurer und empfindlicher als Silizium (Si). Si ist ein häufig vorkommendes Element auf der Erdoberfläche. Ge hingegen ist ein seltenes Material, das üblicherweise in Blei-, Silber- und Kupferlagerstätten vorkommt. Darüber hinaus sind die Verarbeitungskosten von Ge höher als die von Si, was Ge zu einem teureren Material macht. Die Wahl zwischen Si- und Ge-Fenstern hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab, wie z. B. Wellenlängenbereich, Kosten und mechanische Belastbarkeit. 

3. Fensterbeschichtung

Antireflexbeschichtungen werden häufig auf optische Fenster aufgebracht , um die Lichtdurchlässigkeit im gewünschten Wellenlängenbereich zu maximieren. Die meisten Antireflexbeschichtungen sind zudem sehr widerstandsfähig und bieten Schutz vor physikalischen und umweltbedingten Beschädigungen. Aus diesen Gründen verfügen die meisten lichtdurchlässigen Optiken über eine Antireflexbeschichtung.

Bei der Auswahl einer Antireflexbeschichtung für ein Fenster muss der gesamte spektrale Betriebsbereich der jeweiligen Anwendung sorgfältig berücksichtigt werden. Obwohl eine Antireflexbeschichtung die Leistung eines optischen Systems deutlich verbessern kann, kann die Verwendung der Beschichtung bei Wellenlängen außerhalb des Auslegungsbereichs die Systemleistung potenziell verringern. Für Germaniumfenster wird die Verwendung einer Antireflexbeschichtung empfohlen.

4. Fazit

Optische Fenster sind in der Optikindustrie unverzichtbar und werden für eine Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Verschiedene Materialien eignen sich als optische Fenster, um aufgrund ihrer Transmissionsprofile spezifische Lichtwellenlängen herauszufiltern. ZnSe , ZnS , Al₂O₃ und CaF₂ sind einige Beispiele für Verbindungen, die für Fenster verwendet werden, welche die Transmission von Licht im sichtbaren und infraroten Spektrum ermöglichen. Ge und Si hingegen eignen sich für Anwendungen, die ausschließlich Wellenlängen aus dem Infrarotbereich durchlassen müssen.

Verschiedene Faktoren können beeinflussen, welches Material für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden sollte. Hierzu zählen neben dem Übertragungsbereich auch Faktoren wie Dichte, Härte, Betriebstemperatur, Betriebsart und Kosten. Weitere Überlegungen umfassen die Hinzufügung einer Antireflexionsbeschichtung, die das Transmissionsprofil so verändern kann, dass es innerhalb des gewünschten Anwendungsbereichs liegt. Im sich ständig weiterentwickelnden Bereich der Optik bleibt die Bedeutung optischer Fenster von entscheidender Bedeutung, da sie als Tor zur Erschließung des Potenzials optischer Technologien und Anwendungen dienen.

Wavelength Opto-Electronic Wir entwickeln und fertigen optische Fenster aus verschiedenen Materialien – von Standardausführungen bis hin zu hochpräzisen Spezifikationen. Unsere Ingenieure verfügen über langjährige Erfahrung, und dank unserer hochmodernen Anlagen können Sie sich auf die hohe Qualität unserer Fenster verlassen, die mit unserer umfassenden Messtechnik vermessen und geprüft werden.