Inovasi IR Windows: Berdayakan 2024 dengan Jendela Inframerah

Penulis: Pradyumn – Magang Litbang

Editor: Qu Yingli – Direktur Litbang

Editor: Bryan Ng – Manajer Pemasaran

Jendela optik adalah komponen transparan selektif yang dirancang untuk memungkinkan panjang gelombang cahaya tertentu melewatinya, berdasarkan materialnya. Jendela ini dirancang dengan cermat untuk menjaga kejernihan optik, tahan terhadap kondisi lingkungan, dan meminimalkan distorsi atau perubahan cahaya yang melewatinya. Jendela optik terutama digunakan untuk melindungi komponen optik yang sensitif, memfasilitasi pengukuran, dan memungkinkan pengamatan atau pencitraan dalam berbagai aplikasi.

1. Pengantar Jendela dan Material Optik

Jendela optik memungkinkan panjang gelombang tertentu untuk melewatinya sambil memantulkan, menyerap, atau menghalangi panjang gelombang lainnya. Jendela optik dapat dibuat dari berbagai macam material, seperti silika leburan, Silikon , Kalsium Fluorida (CaF₂) , Germanium (Ge) , Kalium Klorida (KCl), Kalium Bromida (KBr), Safir (Al₂O₃) , N-BK7, dan Seng Selenida (ZnSe).

Masing-masing material ini memiliki profil transmisinya sendiri, yang dipilih berdasarkan aplikasinya. Sifat material, termasuk transmisi, indeks bias, dan kekerasan substrat jendela, dapat menjadi penentu pilihan jendela terbaik untuk aplikasi tertentu. Sebelum kita membahas jendela inframerah (IR windows), mari kita lihat jenis-jenis jendela optik lainnya untuk lebih memahami kategori ini.

1.1 Panduan Singkat tentang Windows Lainnya

Untuk transmisi dalam spektrum tampak (350nm – 750nm), N-BK7 dan silika leburan umumnya digunakan sebagai substrat untuk jendela optik . Karena silika leburan memiliki ketahanan kejut termal yang tinggi dan ambang batas kerusakan akibat laser (LIDT) yang tinggi, material ini ideal untuk aplikasi seperti optik laser daya tinggi, sistem pencitraan rentang tampak, dan spektroskopi.

Tabel 1: Wavelength Opto-Electronic Silika Fused (seri WFS) dan N-BK7 (seri WBK) Windows

N-BK7, sebaliknya, dapat digunakan untuk lensa kamera, filter optik, dan optik cahaya tampak untuk keperluan umum, karena transmisi optiknya yang sangat baik dalam spektrum tampak (kira-kira 350 – 2200nm). BK7 juga relatif keras dan menunjukkan ketahanan gores yang baik. Namun, tidak disarankan untuk aplikasi yang sensitif terhadap suhu seperti cermin presisi.

2. Jendela IR

Untuk aplikasi dalam spektrum IR , material seperti ZnSe , Al₂O₃ , Si , dan Ge digunakan. Jendela IR yang optimal harus memungkinkan semua radiasi inframerah melewatinya tanpa kehilangan apa pun. Jendela semacam itu biasanya digunakan untuk memisahkan lingkungan dengan tekanan atau suhu yang berbeda sambil memungkinkan energi cahaya pada panjang gelombang elektromagnetik tertentu untuk melewati antara kedua lingkungan tersebut.

Tabel 2: Wavelength Opto-Electronic Jendela Al₂O₃ (seri WSP) dan ZnSe (seri WZ)

Selain itu, mereka memberdayakan inspeksi komponen dan sambungan beraliran listrik di dalam lemari listrik tanpa perlu melepas penutupnya. Saat menggunakan jendela ini untuk keperluan industri, penting untuk memastikan jendela tersebut memenuhi persyaratan kekuatan dan standar lingkungan khusus untuk peralatan pemasangannya. Jendela ini tersedia dalam berbagai ukuran dan ketebalan untuk memungkinkan pemasangan yang benar.

2.1 Perbedaan Antara Jendela IR dan Jendela Lainnya

Cahaya inframerah dapat terdiri dari inframerah dekat (NIR), inframerah gelombang pendek (SWIR), inframerah gelombang menengah (MWIR), inframerah gelombang panjang (LWIR), dan inframerah jauh (FIR). Untuk aplikasi di wilayah inframerah, Ge sering digunakan sebagai bahan substrat untuk jendela optik . Tidak seperti bahan lain seperti silika leburan dan N-BK7, yang memungkinkan transmisi panjang gelombang cahaya dari wilayah spektrum elektromagnetik yang terlihat dan UV, Ge dan Si buram terhadap cahaya UV dan tampak, tetapi memiliki rentang transmisi yang luas di wilayah inframerah.

Material seperti Al₂O₃ , ZnSe , Seng Sulfida (ZnS) , dan CaF₂ memiliki pita transmisi lebar yang berkisar dari UV hingga MWIR untuk CaF₂ dan Al₂O₃ dan dari spektrum tampak hingga LWIR untuk ZnSe dan ZnS . Oleh karena itu, aplikasi yang hanya membutuhkan transmisi gelombang IR sebaiknya menggunakan jendela Ge atau Si .

2.2 Jendela IR Ge dan Aplikasi

Seperti yang terlihat dari profil transmisi, Ge berfungsi sebagai filter lolos panjang untuk panjang gelombang lebih besar dari 2µm. Karena indeks biasnya yang tinggi (4.0 dari 2µm hingga 14µm), ia memiliki aberasi kromatik minimal, dan lapisan anti-refleksi digunakan padanya. Selain itu, ia menunjukkan ketahanan terhadap goresan dan inert terhadap udara, air, alkali, dan berbagai asam. Kepadatannya yang relatif tinggi (5.323 g/cm³ ⁾ harus dipertimbangkan dalam aplikasi di mana berat menjadi batasan.

Tabel 3: Wavelength Opto-Electronic Jendela Ge IR (seri WGE)

Selain itu, karakteristik transmisi Ge sangat dipengaruhi oleh suhu. Saat suhu mencapai 100°C, penyerapan meningkat hingga Ge menjadi hampir buram, dan pada 200°C, ia kehilangan semua sifat transmisinya. Jendela optik Ge banyak digunakan dalam industri pertahanan dan kedirgantaraan, ilmu hayati dan kedokteran, OEM industri, dan berbagai aplikasi inframerah lainnya. Pembiasan membuatnya cocok untuk lensa sudut lebar dan mikroskop. Dalam sistem pencitraan termal, Ge umumnya digunakan untuk jendela dan lensa IR.

Salah satu aplikasi yang lebih umum untuk jendela Ge adalah pada sistem laser _CO2 berdaya rendah . Dengan LIDT (Ambang Batas Kerusakan Akibat Laser) sebesar 10 J/cm² ^, jendela Ge tidak cocok untuk laser berdaya tinggi atau gelombang kontinu (CW). Sebagian alasannya adalah laser berdaya tinggi menyebabkan peningkatan suhu, yang secara dramatis menurunkan sifat transmisi di atas 100ºC dan akhirnya merusak substrat itu sendiri setelah suhu mendekati 600ºC tercapai. Di sisi lain, Ge yang dilapisi AR sangat cocok untuk pengaturan laser pulsa berdaya rendah. Salah satu aplikasi yang sangat penting adalah pada laser kaskade kuantum (QC), yang digunakan dalam ilmu material tingkat tinggi.

2.3 Si IR Windows dan Aplikasi

Selain Ge , Si juga banyak digunakan untuk jendela IR. Si adalah salah satu mineral dan material optik terkeras yang tersedia untuk digunakan di NIR (1µm) hingga sekitar 6µm. Si berkualitas optik biasanya didoping (5 hingga 40 ohm-cm) untuk mencegah pita serapan dalam pita gelombang transmisi. Si memiliki indeks bias yang lebih rendah daripada Ge dan memiliki kepadatan yang lebih rendah, yang menghasilkan desain optik yang lebih ringan.

Si sangat ideal untuk digunakan sebagai jendela pada pita gelombang 3 hingga 5µm (MWIR) dan sebagai substrat untuk filter optik , dan kepadatan Si yang rendah (setengah dari Ge atau ZnSe ) membuatnya ideal untuk aplikasi yang sensitif terhadap berat, terutama aplikasi pada rentang 3–5µm. Si memiliki kepadatan 2.329 g/cm³ ^dan kekerasan Knoop 1150, sehingga lebih keras dan kurang rapuh daripada Ge.

Dengan konduktivitas termal yang tinggi, Si lebih cocok untuk laser daya tinggi dibandingkan dengan Ge. Hal ini sangat penting di bidang-bidang seperti inspeksi industri dan pengawasan. Namun, seperti yang terlihat dari profil transmisinya, ia memiliki pita serapan yang kuat pada 9µm, yang membuatnya tidak cocok untuk aplikasi laser _CO2.

Jendela silikon (Si) digunakan dalam berbagai aplikasi. Ini merupakan komponen integral dalam perangkat pencitraan termal, yang memungkinkan deteksi variasi suhu pada objek dan lingkungan. Selain itu, jendela Si juga banyak digunakan dalam peralatan spektroskopi IR untuk menganalisis komposisi berbagai material, serta dalam industri pertahanan dan keamanan untuk deteksi target dan kacamata penglihatan malam.

2.4 Perbedaan Antara Jendela IR Ge dan Si

Si dan Ge adalah material semikonduktor yang digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk teknologi jendela. Perbedaan utamanya terletak pada sifat fisik dan karakteristik optiknya. Jendela Si menawarkan transparansi yang lebih baik di SWIR dan MWIR tetapi kurang efisien di LWIR. Di sisi lain, jendela Ge memiliki transparansi inframerah yang unggul untuk LWIR, sehingga ideal untuk aplikasi pencitraan termal dan spektroskopi inframerah.

Namun, Ge umumnya lebih mahal dan lebih rapuh daripada Si. Si merupakan senyawa yang umum ditemukan di permukaan bumi. Di sisi lain, Ge merupakan material langka yang umum ditemukan dalam endapan timbal, perak, dan tembaga. Selain itu, biaya pemrosesan Ge juga lebih tinggi daripada Si, sehingga Ge menjadi senyawa yang lebih mahal. Pilihan antara jendela Si dan Ge bergantung pada persyaratan spesifik aplikasi, seperti rentang panjang gelombang, biaya, dan ketahanan mekanis. 

3. Lapisan Jendela

Lapisan anti-refleksi (AR) sering diaplikasikan pada jendela optik untuk memaksimalkan transmisi dalam rentang panjang gelombang yang diinginkan. Sebagian besar lapisan AR juga sangat tahan lama, memberikan ketahanan terhadap kerusakan fisik dan lingkungan. Karena alasan ini, sebagian besar optik transparan menyertakan beberapa bentuk lapisan anti-refleksi.

Saat memilih lapisan anti-refleksi (AR) untuk jendela, rentang spektral operasi penuh dari aplikasi spesifik harus dipertimbangkan secara menyeluruh. Meskipun lapisan AR dapat secara signifikan meningkatkan kinerja sistem optik, penggunaan lapisan tersebut pada panjang gelombang di luar rentang panjang gelombang desain berpotensi menurunkan kinerja sistem. Disarankan agar lapisan AR digunakan untuk jendela Ge.

4. Kesimpulan

Jendela optik sangat penting dalam industri optik dan digunakan untuk berbagai aplikasi dengan tujuan yang berbeda-beda. Berbagai material dapat digunakan sebagai jendela optik untuk menyaring panjang gelombang cahaya tertentu, berdasarkan profil transmisinya. ZnSe , ZnS , Al₂O₃ , dan CaF₂ adalah beberapa senyawa yang digunakan untuk jendela yang memungkinkan transmisi cahaya dalam spektrum tampak dan inframerah. Di sisi lain, Ge dan Si berguna dalam aplikasi yang hanya membutuhkan panjang gelombang dari spektrum inframerah untuk dilewatkan.

Berbagai faktor dapat mempengaruhi material mana yang harus dipilih untuk aplikasi tertentu. Selain jangkauan transmisi, hal ini juga mencakup faktor-faktor seperti kepadatan, kekerasan, suhu pengoperasian, sifat pengoperasian, dan biaya. Pertimbangan lainnya mencakup penambahan lapisan anti-reflektif, yang dapat mengubah profil transmisi agar berada dalam rentang aplikasi yang diinginkan. Dalam bidang optik yang terus berkembang, pentingnya jendela optik tetap penting, berfungsi sebagai pintu gerbang untuk membuka potensi teknologi dan aplikasi optik.

Wavelength Opto-Electronic Merancang dan memproduksi jendela optik dengan beragam material, mulai dari spesifikasi standar hingga presisi tinggi. Teknisi kami berpengalaman luas, dan dengan fasilitas canggih kami, Anda dapat yakin bahwa jendela kami berkualitas tinggi, terukur, dan teruji dengan metrologi komprehensif kami.