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.

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.

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 (n_d). 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 n_d.

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 (ν_d), которое является функцией показателя преломления материала на длинах волн f (486.1 нм), d (587.6 нм) и c (656.3 нм).

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 (d_n/d_T) 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 d_n/d_T, 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.

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: