Een artikel om te verstaan: Waarom kalkogeniedglas die onvervangbare kernmateriaal vir middel-tot-ver-infrarooi optiese filters is

Vra enige infrarooi optiese ingenieur wat die moeilikste materiaalkeuseprobleem in die middel-tot-ver-infrarooi band is, en jy sal heel waarskynlik dieselfde antwoord kry: om 'n materiaal te vind wat gelyktydig hoogs deursigtig is in die middel-tot-ver-infrarooi, meganies robuust genoeg is, en in staat is om werklike bedryfsomgewings te oorleef – is uiters moeilik.

Germanium is goed, maar duur en bandbeperk. Fluoorkristalle het 'n breë transmissiebereik, maar hulle is uiters higroskopies en begin selfs in effens vogtige toestande oplos. Silikon presteer redelik goed in die middel-infrarooi, maar die transmissie daarvan begin merkbaar daal bo 8μm en word ongeskik vir langer ver-infrarooi golflengtes.

Chalcogeniedglas is een van die min sistemiese oplossings vir hierdie seleksiedilemma.

Wat is kalkogeniedglas, en waarom presteer dit in die middel-tot-ver-infrarooi?

Chalcogeniedglas is 'n amorfe glasmateriaal wat hoofsaaklik uit Groep VI-elemente bestaan—swael (S), selenium (Se) en telluur (Te). Tipiese samestellings sluit in As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te, en verskeie ander formulerings.

Die fundamentele rede vir sy uitstekende transmissie in die middel- tot verre infrarooi lê in die relatief lae bindingsenergie van sy chemiese bindings.

Infrarooi-transmissie word bepaal deur die fonon-afsnyfrekwensie van die materiaal—die vibrasiefrekwensie van die chemiese bindings tussen atome bepaal die absorpsiegrens vir infrarooi lig. Laer bindingsenergie en hoër atoommassa lei tot laer fononfrekwensies, wat die materiaal toelaat om langer infrarooi golflengtes oor te dra.

Kalkogeenelemente het hoë atoommassas. Wanneer hulle chemiese bindings met arseen, germanium en ander elemente vorm, is die bindingsenergieë laag, en die fonon-afsnyfrekwensie kan verder as 10 μm of selfs langer strek. Dit stel kalkogeniedglas in staat om hoë transmissie oor die hele 8-14 μm langgolf infrarooi venster en verder te handhaaf. In teenstelling hiermee het oksiedglase soos SiO₂ hoë Si-O bindingsenergie, met fonon-afsnyfrekwensies van ongeveer 4-5 μm, wat hulle heeltemal ondeursigtig maak in die langgolf infrarooi - wat presies is hoekom jy niks deur gewone glas met 'n termiese beeldkamera kan sien nie.

Verskillende formulerings van chalcogeniedglas het verskillende transmissiebereike. Swaelgebaseerde stelsels (bv. As₂S₃) het 'n transmissievenster van ongeveer 0.6μm tot 11μm. Seleniumgebaseerde stelsels (bv. As₂Se₃) kan verder as 15μm strek. Telluriumgebaseerde stelsels het selfs breër transmissie, wat bo 20μm bereik. Hierdie verstelbaarheid laat chalcogeniedglas toe om verskeie toepassingsbande te dek - van middelgolf tot langgolf en selfs baie langgolf infrarooi - wat veel groter buigsaamheid bied as enige enkelkristallyne materiaal.

Vergelyking met Germanium: Elkeen het sy sterk punte, maar Chalcogenideglas bied unieke onvervangbaarheid

Germanium is die mees gebruikte materiaal in middel- tot ver-infrarooi optika. Die brekingsindeks by 8–14 μm is ongeveer 4.0, wat uitstekende ligversamelingsvermoë bied en dit die hoofstroomkeuse vir termiese beeldlense maak.

Germanium het egter drie noemenswaardige beperkings:

Eerstens, pryswisselvalligheid. Germanium is 'n seldsame metaal met 'n hoogs gekonsentreerde wêreldwye aanbod. Beïnvloed deur uitvoerbeleid en afwaartse vraag, kan die prys daarvan binne 'n paar jaar verdubbel of halveer, wat beduidende risiko's vir die voorsieningsketting inhou.

Tweedens, beperkte hardheid. Germanium het 'n Vickers-hardheid van ongeveer 780HV. In strawwe omgewings met sand, stof of reën is die oppervlak vatbaar vir skuur en krapmerke, wat die langtermyn-dienslewe as 'n venster- of filtersubstraat beperk in vergelyking met harder materiale.

Derdens, 'n eindige transmissiebereik. Germanium se transmissievenster strek oor ongeveer 2–15 μm, met transmissie wat merkbaar daal tot bo 15 μm.

Kalkogeniedglas presteer verskillend oor hierdie drie dimensies, maar die voordeel daarvan in transmissiebereik is struktureel - vir toepassings wat dekking van meer as 12 μm in die baie langgolf infrarooi vereis, is kalkogeniedglas een van die min praktiese keuses. Boonop, as 'n amorfe materiaal, kan kalkogeniedglas massaal in komplekse oppervlakprofiele geproduseer word deur middel van gietprosesse, met vervaardigingskoste laer as presisiebewerking van germanium, wat dit goed geskik maak vir grootskaalse siviele toepassings.

DLC-bedekking: Aanspreek van die hardheidstekortkoming van kalkogeniedglas

Kalkogeniedglas het 'n noemenswaardige meganiese swakheid: die hardheid daarvan is laag, tipies in die reeks van 100–200HV, ver onder dié van germanium (780HV) en silikon (1000HV). 'n Ongebedekte kalkogeniedglasoppervlak het nie voldoende skuurweerstand in buitelugomgewings met sand en stof nie, of in industriële omgewings wat gereelde skoonmaak vereis – wat die lewensduur daarvan in strawwe toestande beperk.

DLC (Diamond-Like Carbon)-bedekking is die mees volwasse tegniese oplossing vir hierdie probleem.

DLC is 'n amorfe koolstoffilm met 'n Vickers-hardheid wat tipies wissel van 1500 tot 3000HV, 'n lae wrywingskoëffisiënt (ongeveer 0.05–0.15 in droë toestande), en goeie transmissie in die middel- tot ver-infrarooi band. Wanneer dit op chalcogenide-glasoppervlaktes neergelê word, verbeter dit die substraat se weerstand teen slytasie, krapmerke en korrosie aansienlik, terwyl die impak op infrarooi transmissie tot binne 1–2 persentasiepunte beperk word.

Die betekenis van hierdie kombinasie is dat chalcogeniedglas breëband middel-tot-ver-infrarooi transmissie bied, terwyl DLC meganiese beskerming bied. Saam integreer hulle twee eienskappe wat selde gelyktydig in 'n enkele materiaal bereik word - "breëband transmissie" en "omgewingsduursaamheid" - in 'n enkele optiese element.

MULTI IR het onafhanklik DLC-bedekte chalcogeniedglasfilters ontwikkel, met prosesse wat verskeie substraatstelsels dek, insluitend As-S, As-Se en Ge-Sb-Se. Die adhesie en eenvormigheid van die DLC-films is spesifiek vir hierdie substrate geoptimaliseer. Die termiese uitbreidingskoëffisiënt-ooreenstemming tussen verskillende chalcogeniedglassubstrate en die DLC-film wissel aansienlik, wat die adhesiestabiliteit van die DLC-laag direk beïnvloed - dit is die tegnies mees uitdagende aspek van DLC-bedekking op chalcogeniedglas, en die moeilikste deel om te beheer vir produksiekonsekwentheid. Tans word MULTI IR se DLC-bedekte chalcogeniedglasprodukte verskeep in toepassings soos militêre infrarooi vensters, industriële termiese beeldvorming en langgolf-infrarooi stelsels vir motors.

Belangrike Seleksiekriteria vir Chalcogenide Glasfilters

Keuse op toepassingsvlak vereis gewoonlik die bevestiging van drie dinge:

1. Vereistes vir die bedryfsband. Verskillende kalkogeniedglasformulerings het verskillende transmissievensters. Vir toepassings in die 8–12μm-band is As–Se-stelsels oor die algemeen voldoende. Vir behoeftes wat verder as 14μm strek, word telluurbevattende of hoër seleniuminhoudformulerings benodig. Indien die substraatformulering verkeerd gekies word en die transmissie nie aan die spesifikasies voldoen nie, kan geen daaropvolgende bedekkingsproses vergoed nie.

2. Meganiese omgewingvereistes. Vir vaste binnenshuise installasies kan onbedekte chalcogeniedglassubstrate gebruik word, met DLC-bedekking wat koste verhoog. Vir buitelug-, motor-, lug- of mariene toepassings wat sand, stof, reën of vibrasie behels, is DLC-bedekking noodsaaklik. Die bedryfsomgewing bepaal of 'n bedekking benodig word, sowel as die dikte- en hardheidspesifikasies van die DLC-laag.

3. Afweging tussen transmissie en blokkering. Die deurlaatbaarheid van chalcogeniedglasfilters word beïnvloed deur beide substraatabsorpsie en oppervlakrefleksie. Anti-reflektiewe bedekkings kan piekdeurlaatbaarheid aansienlik verbeter, maar hul ontwerp moet saam met die optiese eienskappe van die DLC-laag oorweeg word—hulle kan nie onafhanklik geoptimaliseer word nie.

Van detektorvensters in militêre termiese beeldvormingstelsels tot filtervoorpunte in burgerlike gasontleders, weerspieël die wye toepassingsgebied van chalcogeniedglas in die middel- tot ver-infrarooi veld die unieke fisiese eienskappe van hierdie materiaal: baie min materiale kan gelyktydig hoë transmissie, verwerkbaarheid en 'n redelike mate van kostebeheer oor die hele 8-14μm-venster handhaaf.

Dit is nie omdat niemand na alternatiewe gesoek het nie—dit is omdat molekulêre fisika hier 'n hoë drempel stel, en chalcogeniedglas dit toevallig oorsteek.

Beelde gegenereer deur KI

MULTI-IR, 'n nasionale vlak "Klein Reus" Gespesialiseerde en Gesofistikeerde Onderneming, met meer as 10 000 soorte infrarooi-sensitiewe komponente in voorraad, wat onder die top 3 wêreldwyd in omvattende sterkte gereken word, en die hoofontwerper van die infrarooi filterbedryfstandaard.

Webwerf: www.mirhz.com | Globale webwerf: www.miroptech.com