Инновации в ИК-окнах: расширяйте возможности 2024 года с инфракрасными окнами

Автор: Прадьюмн – стажер по исследованиям и разработкам

Редактор: Цюй Инли – директор по исследованиям и разработкам

Редактор: Брайан Нг – менеджер по маркетингу

Оптические окна — это компоненты с избирательной прозрачностью, предназначенные для пропускания определенных длин волн света в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Эти окна тщательно проектируются для сохранения оптической прозрачности, устойчивости к воздействию окружающей среды и минимизации любых искажений или изменений проходящего через них света. В основном они используются для защиты чувствительных оптических компонентов, облегчения измерений, а также для наблюдения или получения изображений в различных областях применения.

1. Введение в оптические окна и материалы.

Оптические окна пропускают определенные длины волн, отражая, поглощая или блокируя другие. Оптические окна могут быть изготовлены из широкого спектра материалов, таких как плавленый кварц, кремний , фторид кальция (CaF₂) , германий (Ge) , хлорид калия (KCl), бромид калия (KBr), сапфир (Al₂O₃) , N-BK7 и селенид цинка (ZnSe).

Каждый из этих материалов имеет свой профиль пропускания, который выбирается в зависимости от области применения. Свойства материала, включая пропускание, показатель преломления и твёрдость подложки окна, могут иметь решающее значение при выборе оптимального окна для конкретной области применения. Прежде чем углубляться в тему инфракрасных окон (ИК-окна), давайте рассмотрим другие типы оптических окон, чтобы лучше понять всю категорию.

1.1 Краткое описание других окон

Для пропускания света в видимом спектре (350–750 нм) в качестве подложек для оптических окон обычно используются N-BK7 и плавленый кварц . Благодаря высокой термостойкости и высокому порогу лазерного повреждения (LIDT), плавленый кварц идеально подходит для таких применений, как мощная лазерная оптика, системы визуализации в видимом диапазоне и спектроскопия.

Таблица 1: Wavelength Opto-Electronic Окна из плавленого кварца (серия WFS) и N-BK7 (серия WBK)

N-BK7, с другой стороны, может использоваться для объективов фотоаппаратов, оптических фильтров и оптики видимого света общего назначения благодаря превосходному оптическому пропусканию в видимом спектре (приблизительно 350–2200 нм). BK7 также относительно тверд и демонстрирует хорошую устойчивость к царапинам. Однако его не рекомендуется использовать в чувствительных к температуре изделиях, таких как прецизионные зеркала.

2. ИК-окна

Для применения в ИК-спектре используются такие материалы, как ZnSe , Al₂O₃ , Si и Ge . Оптимальное ИК-окно должно пропускать всё инфракрасное излучение без потерь. Такие окна обычно используются для разделения сред с различным давлением или температурой, позволяя при этом световой энергии с заданной длиной волны электромагнитного излучения проходить между этими двумя средами.

Таблица 2: Wavelength Opto-Electronic Окна Al₂O₃ (серия WSP) и ZnSe (серия WZ)

Кроме того, они расширяют возможности проверки находящихся под напряжением компонентов и соединений внутри электрических шкафов без необходимости снятия их крышек. При использовании этих окон в промышленных целях очень важно убедиться, что они соответствуют необходимым стандартам прочности и экологическим стандартам, специфичным для оборудования, в котором они установлены. Эти окна бывают различных размеров и толщины, чтобы обеспечить правильную установку.

2.1 Разница между ИК-окнами и другими окнами

Инфракрасное излучение может включать ближний ИК-диапазон (NIR), коротковолновый (SWIR), средневолновый (MWIR), длинноволновый (LWIR) и дальний инфракрасный (FIR) диапазоны. Для применений в инфракрасном диапазоне германий ( Ge ) часто используется в качестве подложки для оптических окон . В отличие от других материалов, таких как плавленый кварц и N-BK7, которые пропускают длины волн света из видимого и УФ-диапазонов электромагнитного спектра, Ge и Si непрозрачны для УФ и видимого света, но обладают широким диапазоном пропускания в инфракрасном диапазоне.

Такие материалы, как Al₂O₃ , ZnSe , сульфид цинка (ZnS) и CaF₂ , обладают широкой полосой пропускания, охватывающей диапазон от УФ до средневолнового ИК-излучения для CaF₂ и Al₂O₃ и от видимого спектра до длинноволнового ИК-излучения для ZnSe и ZnS . Следовательно, для применений, требующих пропускания исключительно ИК-волн, следует использовать окна из Ge или Si .

ИК-окна и приложения 2.2 Ge

Как видно из профиля пропускания, германий служит длинноволновым фильтром для длин волн более 2 мкм. Благодаря высокому показателю преломления (4.0 от 2 мкм до 14 мкм) он обладает минимальной хроматической аберрацией, и на него нанесено антиотражающее покрытие. Кроме того, он демонстрирует устойчивость к царапинам и инертность к воздуху, воде, щелочам и различным кислотам. Его относительно высокая плотность (5.323 г/см³ ⁾ должна учитываться в тех областях применения, где вес является ограничением.

Кроме того, на характеристики пропускания Ge существенно влияет температура. При температуре 100 °C поглощение возрастает до такой степени, что Ge становится практически непрозрачным, а при 200 °C он полностью теряет свои пропускающие свойства. Оптические окна из Ge широко используются в оборонной и аэрокосмической промышленности, биологических и медицинских науках, промышленном производстве и в различных других областях применения инфракрасного излучения. Преломление делает его пригодным для широкоугольных линз и микроскопов. В тепловизионных системах Ge обычно используется для ИК-окон и линз.

Одно из наиболее распространенных применений германиевых окон — в маломощных CO₂ _- лазерных системах. С порогом лазерно-индуцированного повреждения (LIDT) 10⁻¹⁰ Дж/см² ^{германиевые} окна не подходят для мощных или непрерывных (CW) лазеров. Частично это объясняется тем, что более мощные лазеры вызывают повышение температуры, резко снижая пропускающие свойства при температуре выше 100 °C и в конечном итоге повреждая саму подложку при достижении температуры около 600 °C. С другой стороны, германий с антиотражающим покрытием хорошо подходит для маломощных импульсных лазерных установок. Особенно примечательным является его применение в квантовых каскадных лазерах (QC), используемых в высокотехнологичной материаловедческой науке.

2.3 Окна и приложения Si IR

Помимо германия (Ge) , кремний (Si) также широко используется для изготовления ИК-окон. Si — один из самых твердых минералов и оптических материалов, доступных для использования в ближнем ИК-диапазоне (1 мкм) до примерно 6 мкм. Оптический кремний обычно легируют (от 5 до 40 Ом·см) для предотвращения полос поглощения в полосе пропускания. Si имеет более низкий показатель преломления, чем Ge, и меньшую плотность, что делает оптические конструкции менее тяжелыми.

Кремний идеально подходит для использования в качестве окон в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм (средневолновый инфракрасный диапазон) и в качестве подложки для оптических фильтров . Низкая плотность кремния (вдвое меньше, чем у германия или селена цинка ) делает его идеальным для применений, чувствительных к весу, особенно в диапазоне 3–5 мкм. Он имеет плотность 2.329 г/см³ ^и твердость по Кнупу 1150, поэтому он тверже и менее хрупкий, чем германий.

Благодаря высокой теплопроводности кремний лучше подходит для мощных лазеров по сравнению с германием. Это особенно важно в таких областях, как промышленная инспекция и наблюдение. Однако, как видно из профиля пропускания, он имеет сильную полосу поглощения на длине волны 9 мкм, что делает его непригодным для применения в CO₂- _{лазерах}.

Кремниевые окна используются в различных областях. Они являются неотъемлемым компонентом тепловизионных устройств, позволяя обнаруживать изменения температуры в объектах и ​​окружающей среде. Также они широко используются в ИК-спектроскопическом оборудовании для анализа состава различных материалов, а также в оборонной и охранной промышленности для обнаружения целей и в приборах ночного видения.

2.4 Разница между германиевыми и кремниевыми ИК-окнами

Кремний (Si) и германий (Ge) — полупроводниковые материалы, используемые в различных областях, включая оконные технологии. Основное различие заключается в их физических свойствах и оптических характеристиках. Кремниевые окна обеспечивают лучшую прозрачность в коротковолновом и средневолновом инфракрасном диапазоне, но менее эффективны в длинноволновом инфракрасном диапазоне. С другой стороны, германиевые окна обладают превосходной прозрачностью в длинноволновом инфракрасном диапазоне, что делает их идеальными для применения в тепловизионной и инфракрасной спектроскопии.

Однако Ge, как правило, дороже и более хрупок, чем Si. Si — распространённое соединение на поверхности Земли. С другой стороны, Ge — редкий материал, часто встречающийся в месторождениях свинца, серебра и меди. Кроме того, стоимость обработки Ge выше, чем Si, что делает Ge более дорогим соединением. Выбор между окнами из Si и Ge зависит от конкретных требований к применению, таких как диапазон длин волн, стоимость и механическая прочность. 

3. Покрытие окон

Антиотражающие (АР) покрытия часто наносят на оптические окна для максимального пропускания света в желаемом диапазоне длин волн. Большинство АР-покрытий также очень долговечны, обеспечивая устойчивость как к физическим, так и к внешним воздействиям. По этим причинам подавляющее большинство пропускающей оптики имеет то или иное антиотражающее покрытие.

При выборе антиотражающего покрытия для окна необходимо тщательно учитывать весь рабочий спектральный диапазон конкретного применения. Хотя антиотражающее покрытие может значительно улучшить характеристики оптической системы, использование покрытия на длинах волн, выходящих за пределы расчетного диапазона, потенциально может снизить производительность системы. Рекомендуется использовать антиотражающее покрытие для германиевых окон.

4. Заключение

Оптические окна играют решающую роль в оптической промышленности и используются в самых разных областях применения и для различных целей. В качестве оптических окон могут использоваться различные материалы, фильтрующие определенные длины волн света в зависимости от их характеристик пропускания. ZnSe , ZnS , Al₂O₃ и CaF₂ — это лишь некоторые из соединений, используемых для изготовления окон, пропускающих свет в видимом и ИК-спектре. С другой стороны, Ge и Si полезны в приложениях, требующих прохождения только волн из ИК-спектра.

Различные факторы могут повлиять на выбор материала для конкретного применения. Помимо дальности передачи сюда входят такие факторы, как плотность, твердость, рабочая температура, характер работы и стоимость. Другие соображения включают добавление антибликового покрытия, которое может изменить профиль пропускания, чтобы он находился в желаемом диапазоне применения. В постоянно развивающейся области оптики значение оптических окон остается решающим, поскольку они служат воротами для раскрытия потенциала оптических технологий и приложений.

Wavelength Opto-Electronic Мы проектируем и производим оптические окна из различных материалов, от стандартных до высокоточных. Наши инженеры обладают богатым опытом, а благодаря нашему современному оборудованию вы можете быть уверены в высоком качестве наших окон, прошедших измерения и испытания с использованием комплексной метрологии.