En artikel at forstå: Hvorfor chalcogenidglas er det uerstattelige kernemateriale til optiske filtre i mellem- til fjerninfrarødt

Spørg enhver infrarød optisk ingeniør, hvad det sværeste materialevalgsproblem er i det mellem- til fjerninfrarøde bånd, og du vil højst sandsynligt få det samme svar: at finde et materiale, der samtidig er yderst transparent i det mellem- til fjerninfrarøde bånd, mekanisk robust nok og i stand til at overleve virkelige driftsmiljøer – er ekstremt vanskeligt.

Germanium er godt, men dyrt og båndbegrænset. Fluoridkrystaller har et bredt transmissionsområde, men de er ekstremt hygroskopiske og begynder at opløses selv under let fugtige forhold. Silicium klarer sig rimeligt godt i det midterste infrarøde område, men dets transmittans begynder at falde mærkbart over 8 μm og bliver uegnet til længere fjerninfrarøde bølgelængder.

Chalcogenidglas er en af ​​de få systemiske løsninger på dette udvælgelsesdilemma.

Hvad er chalcogenidglas, og hvorfor udmærker det sig i mellem- til fjerninfrarødt?

Chalcogenidglas er et amorft glasmateriale, der primært består af Gruppe VI-elementer - svovl (S), selen (Se) og tellur (Te). Typiske sammensætninger omfatter As-S, As-Se, Ge-Sb-Se, Ge-As-Se-Te og forskellige andre formuleringer.

Den grundlæggende årsag til dens fremragende transmission i det mellem- til fjerninfrarøde område ligger i den relativt lave bindingsenergi i dens kemiske bindinger.

Infrarød transmission bestemmes af materialets fonon-afskæringsfrekvens – vibrationsfrekvensen af ​​de kemiske bindinger mellem atomer bestemmer absorptionsgrænsen for infrarødt lys. Lavere bindingsenergi og højere atommasse resulterer i lavere fononfrekvenser, hvilket gør det muligt for materialet at transmittere længere infrarøde bølgelængder.

Chalcogen-elementer har høje atommasser. Når de danner kemiske bindinger med arsen, germanium og andre elementer, er bindingsenergierne lave, og fonon-afskæringsfrekvensen kan strække sig ud over 10 μm eller endda længere. Dette gør det muligt for chalcogenidglas at opretholde høj transmittans over hele det 8-14 μm langbølgede infrarøde vindue og videre. I modsætning hertil har oxidglas såsom SiO₂ høj ​​Si-O-bindingsenergi med fonon-afskæringsfrekvenser omkring 4-5 μm, hvilket gør dem fuldstændig uigennemsigtige i den langbølgede infrarøde stråling - hvilket netop er grunden til, at man ikke kan se noget gennem almindeligt glas med et termografikamera.

Forskellige formuleringer af chalcogenidglas har forskellige transmissionsområder. Svovlbaserede systemer (f.eks. As₂S₃) har et transmissionsvindue fra cirka 0,6 μm til 11 μm. Selenbaserede systemer (f.eks. As₂Se₃) kan strække sig ud over 15 μm. Telluriumbaserede systemer har endnu bredere transmission og når over 20 μm. Denne justerbarhed gør det muligt for chalcogenidglas at dække flere anvendelsesbånd - fra mellembølge til langbølge og endda meget langbølget infrarød - hvilket giver langt større fleksibilitet end noget enkeltkrystallinsk materiale.

Sammenligning med germanium: Hver har sine styrker, men chalcogenidglas tilbyder unik uerstattelighed

Germanium er det mest anvendte materiale i mellem- til fjerninfrarød optik. Dets brydningsindeks ved 8-14 μm er cirka 4,0, hvilket giver fremragende lysindsamlingsevne, hvilket gør det til det almindelige valg til termiske billedlinser.

Germanium har dog tre bemærkelsesværdige begrænsninger:

For det første, prisvolatilitet. Germanium er et sjældent metal med en stærkt koncentreret global forsyning. Påvirket af eksportpolitikker og downstream-efterspørgsel kan prisen fordobles eller halveres inden for få år, hvilket udgør betydelige risici i forsyningskæden.

For det andet, begrænset hårdhed. Germanium har en Vickers-hårdhed på cirka 780 HV. I barske miljøer med sand, støv eller regn er overfladen modtagelig for slid og ridser, hvilket begrænser dens lange levetid som vindues- eller filtersubstrat sammenlignet med hårdere materialer.

For det tredje, en begrænset transmissionsrækkevidde. Germaniums transmissionsvindue spænder over cirka 2-15 μm, med en mærkbar faldende transmittans ud over 15 μm.

Chalcogenidglas fungerer forskelligt på tværs af disse tre dimensioner, men dets fordel i transmissionsrækkevidde er strukturel - til applikationer, der kræver dækning ud over 12 μm i det meget langbølgede infrarøde område, er chalcogenidglas et af de få praktiske valg. Derudover kan chalcogenidglas, som et amorft materiale, masseproduceres til komplekse overfladeprofiler gennem støbeprocesser, med lavere produktionsomkostninger end præcisionsbearbejdning af germanium, hvilket gør det velegnet til store civile applikationer.

DLC-belægning: Håndtering af hårdhedsmanglen ved chalcogenidglas

Chalcogenidglas har en bemærkelsesværdig mekanisk svaghed: dets hårdhed er lav, typisk i området 100-200HV, langt under hårdheden for germanium (780HV) og silicium (1000HV). En ubelagt chalcogenidglasoverflade mangler tilstrækkelig slidstyrke i udendørs miljøer med sand og støv eller i industrielle miljøer, der kræver hyppig rengøring - hvilket begrænser dets levetid under barske forhold.

DLC (Diamond-Like Carbon) belægning er den mest modne tekniske løsning på dette problem.

DLC er en amorf kulfilm med en Vickers-hårdhed, der typisk spænder fra 1500 til 3000 HV, en lav friktionskoefficient (ca. 0,05-0,15 under tørre forhold) og god transmittans i det mellem- til fjerninfrarøde bånd. Når den afsættes på chalcogenidglasoverflader, forbedrer den substratets modstandsdygtighed over for slid, ridser og korrosion betydeligt, samtidig med at den begrænser virkningen på infrarød transmittans til inden for 1-2 procentpoint.

Betydningen af ​​denne kombination er, at chalcogenidglas giver bredbåndstransmission i mellem- til fjerninfrarødt, mens DLC giver mekanisk beskyttelse. Sammen integrerer de to egenskaber, der sjældent opnås samtidigt i et enkelt materiale - "bredbåndstransmission" og "miljømæssig holdbarhed" - i et enkelt optisk element.

MULTI IR har uafhængigt udviklet DLC-coatede chalcogenidglasfiltre med processer, der dækker flere substratsystemer, herunder As-S, As-Se og Ge-Sb-Se. Adhæsionen og ensartetheden af ​​DLC-filmene er specifikt optimeret til disse substrater. Den termiske udvidelseskoefficient, der matcher forskellige chalcogenidglassubstrater og DLC-filmen, varierer betydeligt, hvilket direkte påvirker DLC-lagets adhæsionsstabilitet - dette er det teknisk mest udfordrende aspekt af DLC-coating på chalcogenidglas og den sværeste del at kontrollere for produktionskonsistens. I øjeblikket sendes MULTI IR's DLC-coatede chalcogenidglasprodukter i applikationer, herunder militære infrarøde vinduer, industriel termisk billeddannelse og langbølgede infrarøde systemer til biler.

Vigtige udvælgelseskriterier for chalcogenidglasfiltre

Valg på applikationsniveau kræver typisk bekræftelse af tre ting:

1. Krav til driftsbånd. Forskellige chalcogenidglasformuleringer har forskellige transmissionsvinduer. Til anvendelser i 8-12 μm-båndet er As-Se-systemer generelt tilstrækkelige. Til behov, der strækker sig ud over 14 μm, kræves formuleringer med tellur eller et højere selenindhold. Hvis substratformuleringen er forkert valgt, og transmittansen ikke opfylder specifikationerne, kan ingen efterfølgende belægningsproces kompensere.

2. Krav til mekanisk miljø. Til faste indendørs installationer kan ubelagte chalcogenidglassubstrater anvendes, hvor DLC-belægning øger omkostningerne. Til udendørs, bil-, luftbårne eller marine applikationer, der involverer sand, støv, regn eller vibrationer, er DLC-belægning afgørende. Driftsmiljøet bestemmer, om belægning er påkrævet, samt tykkelses- og hårdhedsspecifikationerne for DLC-laget.

3. Afvejning mellem transmittans og blokering. Transmittansen af ​​chalcogenidglasfiltre påvirkes af både substratabsorption og overfladerefleksion. Antireflekterende belægninger kan forbedre peak-transmittansen betydeligt, men deres design skal overvejes sammen med DLC-lagets optiske egenskaber – de kan ikke optimeres uafhængigt.

Fra detektorvinduer i militære termiske billeddannelsessystemer til filterfrontender i civile gasanalysatorer afspejler den brede anvendelse af chalcogenidglas i det mellem- til fjerninfrarøde felt de unikke fysiske egenskaber ved dette materiale: meget få materialer kan samtidig opretholde høj transmittans, bearbejdningsbarhed og en rimelig grad af omkostningskontrol på tværs af hele 8-14 μm-vinduet.

Det er ikke fordi, ingen har ledt efter alternativer – det er fordi, molekylærfysik sætter en høj tærskel her, og chalcogenidglas tilfældigvis krydser den.

Billeder genereret af AI

MULTI-IR, en nationalt specialiseret og sofistikeret "lille kæmpe"-virksomhed med over 10.000 typer infrarødfølsomme komponenter på lager, der er blandt de 3 bedste globalt inden for omfattende styrke og den førende udarbejder af branchestandarden for infrarøde filtre.

Hjemmeside: www.mirhz.com | Globalt websted: www.miroptech.com