Подходящий оптический материал для применений в ИК диапазоне
Инфракрасное (ИК) излучение характеризуется длинами волн от 0.750 до 1000 мкм (750 - 1000000 нм). Из-за ограничений диапазона детектора ИК-излучение часто делится на три меньших области: 0.750 - 3 мкм, 3 - 30 мкм и 30 - 1000 мкм, которые определяются как ближний инфракрасный (NIR), средний инфракрасный (MWIR) и дальний инфракрасный (FIR), соответственно. Продукция для работы с ИК излучением широко используется в самых разных областях, от обнаружения ИК-сигналов в тепловизионных изображениях до идентификации элементов в ИК-спектроскопии. По мере роста потребности в ИК-приложениях и развития технологий производители начали использовать ИК-материалы в конструкции плоской оптики (например, оптических окон, зеркал, поляризаторов, светоделителей, призм), сферических линз (например, плоско-вогнутых / выпуклых, двояковогнутых / выпуклых, менисков), асферические линзы (параболические, гиперболические, гибридные), ахроматические линзы и сборки (например, линзы для визуализации, расширители пучка, окуляры, объективы). ИК-материалы или подложки различаются по своим физическим характеристикам. В результате знание преимуществ каждого из них позволяет выбрать подходящий материал для любого ИК-приложения.
 Applications/fig-1-cmi.png)
Спектр излучения
Важность использования правильного материала
Поскольку инфракрасное излучение состоит из более длинных волн, чем видимое, эти две области ведут себя по-разному при распространении через одну и ту же оптическую среду. Некоторые материалы могут использоваться как для инфракрасных, так и для видимых областей, в первую очередь плавленый кварц, BK7 и сапфир; однако производительность оптической системы можно оптимизировать, используя материалы, лучше подходящие для поставленной задачи. Чтобы понять эту концепцию, необходимо рассмотреть пропускание, показатель преломления, дисперсию и градиент показателя преломления.
Пропускание
Самый главный атрибут, определяющий любой материал – это пропускание. Пропускание является мерой пропускной способности и выражается в процентах от падающего излучения. ИК-материалы обычно непрозрачны в видимом диапазоне, в то время как материалы для видимой области обычно непрозрачны в ИК-диапазоне; другими словами, они демонстрируют почти 0% пропускание в этих диапазонах длин волн. Например, кремний, который пропускает инфракрасное, но не видимое излучение.
 Applications/fig-2-cmi.png)
Кривая пропускания кремния без покрытия
Показатель преломления
В то время как в пропускание классифицирует материал как для инфракрасного или видимого диапазона, другим важным атрибутом является показатель преломления (nd). Показатель преломления – это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данном материале. Это средство количественной оценки эффекта «замедления» света, когда он попадает в среду с высоким показателем из среды с низким показателем. Это также указывает на то, сколько света преломляется при столкновении с поверхностью под углом, где больше света преломляется по мере увеличения nd.
 Applications/fig-3-cmi.png)
Переход излучения из среды с низким показателем преломления в среду с высоким
Показатель преломления составляет примерно 1.45 - 2 для материалов видимого спектра и 1.38 - 4 для ИК-материалов. Во многих случаях коэффициент преломления и плотность имеют положительную корреляцию, что означает, что ИК-материалы могут быть тяжелее видимых материалов; однако более высокий показатель преломления также означает, что характеристики, ограниченные дифракцией, могут быть достигнуты с меньшим количеством линз, что снижает общий вес и стоимость системы.
Дисперсия
Дисперсия – это мера того, насколько показатель преломления материала изменяется в зависимости от длины волны. Он также определяет разделение длин волн, известное как хроматическая аберрация. Количественно дисперсия обратно пропорциональна числу Аббе (νd), которое является функцией показателя преломления материала на длинах волн f (486.1 нм), d (587.6 нм) и c (656.3 нм).
 Applications/formule 1.png)
Материалы с числом Аббе более 55 (менее дисперсный) считаются кронами, а материалы с числом Аббе менее 50 (более дисперсионным) считаются флинтами. Число Аббе для видимых материалов колеблется от 20 до 80, а число Аббе для ИК-материалов колеблется от 20 до 1000.
Градиент показателя преломления
Показатель преломления среды изменяется при изменении температуры. Этот градиент показателя преломления (dn/dT) может быть создать проблемы при работе в нестабильных условиях, особенно если система рассчитана на работу для одного значения n. К сожалению, ИК-материалы обычно характеризуются бóльшими значениями dn/dT, чем видимые материалы (сравните N-BK7, который может использоваться в видимом диапазоне, с германием, который передает только в ИК-диапазоне в таблице основных характеристик материалов в инфракрасном сравнении).
Как выбрать правильный материал
При выборе правильного ИК-материала необходимо учитывать три простых правила. Хотя процесс выбора проще, поскольку существует гораздо меньший практический выбор материалов для использования в инфракрасном диапазоне по сравнению с видимым, эти материалы также имеют тенденцию быть более дорогими из-за стоимости изготовления и материалов.
- Тепловые свойства. Часто оптические материалы помещают в среду, где они подвергаются различным температурам. Кроме того, общая проблема ИК-приложений – это их склонность выделять большое количество тепла. Необходимо оценить градиент показателя преломления материала и коэффициент теплового расширения, чтобы гарантировать, что пользователь получит желаемые характеристики. Коэффициент теплового расширения – это скорость, с которой материал расширяется или сжимается при изменении температуры. Например, германий имеет очень высокий градиент показателя преломления, что, возможно, ухудшает оптические характеристики, если используется в условиях изменчивой температуры.
- Пропускание. Разные приложения работают в разных областях ИК-спектра. Некоторые ИК-подложки лучше работают в зависимости от длины волны. Например, если система предназначена для работы в среднем инфракрасном диапазоне, германий – лучший выбор, в сравнении с сапфиром, который хорошо работает в ближнем инфракрасном диапазоне.
- Показатель преломления. ИК-материалы различаются по показателю преломления намного больше, чем материалы для видимого спектра, что позволяет больше разнообразить конструкцию системы. В отличие от материалов для видимого спектра (таких как N-BK7), которые хорошо работают во всем видимом спектре, ИК-материалы часто ограничиваются небольшой полосой в ИК-спектре, особенно при нанесении просветляющих покрытий.
 Applications/fig-4-cmi.png)
Сравнение материалов для ИК диапазона
Хотя существуют десятки ИК-материалов, лишь немногие из них преимущественно используются в оптике, визуализации и фотонике для производства готовых компонентов. Фторид кальция, плавленый кварц, германий, фторид магния, N-BK7, бромид калия, сапфир, кремний, хлорид натрия, селенид цинка и сульфид цинка – каждый из них имеет свои уникальные свойства, которые отличают их друг от друга, а также делают их пригодными для конкретные приложения. В следующих таблицах приводится сравнение некоторых часто используемых подложек.
Технические характеристики и особенности материалов для ИК диапазона:
|
Название |
Показатель преломления (nd) |
Число Аббе (νd) |
Плотность (г/см3) |
CTE (х 10-6/°C) |
dn / dT (х 10-6/°C) |
Твердость по Кнупу |
|
Фторид кальция (CaF2) |
1.434 |
95.1 |
3.18 |
18.85 |
-10.6 |
158.3 |
|
Плавленый кварц (FS) |
1.458 |
67.80 |
2.2 |
0.55 |
11.9 |
500 |
|
Германий (Ge) |
4.003 |
N/A |
5.33 |
6.1 |
396 |
780 |
|
Фторид магния (MgF2) |
1.413 |
106.2 |
3.18 |
13.7 |
1.7 |
415 |
|
N-BK7 |
1.517 |
64.2 |
2.46 |
7.1 |
2.4 |
610 |
|
Бромид калия (KBr) |
1.527 |
33.6 |
2.75 |
43 |
-40.8 |
7 |
|
Сапфир |
1.768 |
72.2 |
3.97 |
5.3 |
13.1 |
2200 |
|
Кремний (Si) |
3.422 |
N/A |
2.33 |
2.55 |
160 |
1150 |
|
Хлорид натрия (NaCl) |
1.491 |
42.9 |
2.17 |
44 |
-40.8 |
18.2 |
|
Селенид цинка (ZnSe) |
2.403 |
N/A |
5.27 |
7.1 |
61 |
120 |
|
Сульфид цинка (ZnS) |
2.631 |
N/A |
5.27 |
7.6 |
38.7 |
120 |
|
Название |
Свойства / Типичные области применения |
|
Фторид кальция (CaF2) |
Низкое поглощение, однородность с высоким показателем преломления. |
|
Используется в спектроскопии, обработке полупроводников, тепловидении с охлаждением. |
|
|
Плавленый кварц (FS) |
Низкий КТР и отличное пропускание в ИК-диапазоне. |
|
Используется в интерферометрии, лазерном приборостроении, спектроскопии. |
|
|
Германий (Ge) |
Высокая nd и высокая твердость по Кнупу, превосходное MWIR для пропускания Фурье. |
|
Используется в тепловизионной и ИК визуализации. |
|
|
Фторид магния (MgF2) |
Высокий КТР, низкий коэффициент преломления, хорошее пропускание от видимого до MWIR. |
|
Используется в оптических окнах, линзах и поляризаторах, для которых не требуются антибликовые покрытия. |
|
|
N-BK7 |
Недорогой материал, хорошо работает в видимом и ближнем ИК диапазонах. |
|
Используется в машинном зрении, микроскопии, промышленных приложениях. |
|
|
Бромид калия (KBr) |
Хорошая стойкость к механическим ударам, водостойкость, широкий диапазон пропускания. |
|
Используется в ИК-Фурье спектроскопии. |
|
|
Сапфир |
Очень хорошее пропускание в ИК-диапазоне. |
|
Используется в инфракрасных лазерных системах, спектроскопии и оборудовании для защиты окружающей среды. |
|
|
Кремний (Si) |
Низкая стоимость и легкий вес. |
|
Используется в спектроскопии, лазерных системах MWIR, терагерцовой визуализации. |
|
|
Хлорид натрия (NaCl) |
Водостойкость, низкая стоимость, отличное пропускание от 250 нм до 16 мкм, чувствительность к тепловому удару. |
|
Используется в ИК-Фурье спектроскопии. |
|
|
Селенид цинка (ZnSe) |
Низкое поглощение, высокая устойчивость к тепловому удару. |
|
CO2 лазерные системы и тепловидение. |
|
|
Сульфид цинка (ZnS) |
Превосходное пропускание как в видимом, так и в ИК-диапазоне, высокая прочность и химическая стойкость. |
|
Используется в тепловидении. |
