Една статия за разбиране: Защо халкогенидното стъкло е незаменим основен материал за оптични филтри от среден до далечен инфрачервен спектър

Попитайте всеки инженер по инфрачервена оптика кой е най-трудният проблем при избора на материал в средния до далечния инфрачервен диапазон и най-вероятно ще получите същия отговор: намирането на материал, който е едновременно силно прозрачен в средния до далечния инфрачервен диапазон, достатъчно механично здрав и способен да оцелее в реални работни среди, е изключително трудно.

Германийът е добър, но скъп и с ограничена честотна лента. Флуоридните кристали имат широк диапазон на пропускане, но са изключително хигроскопични и започват да се разтварят дори при леко влажни условия. Силицият се представя сравнително добре в средния инфрачервен спектър, но пропускливостта му започва да пада забележимо след 8μm и става неподходящ за по-дълги далечни инфрачервени дължини на вълните.

Халкогенидното стъкло е едно от малкото системни решения на тази дилема при избора.

Какво е халкогенидно стъкло и защо то се отличава в средния до далечния инфрачервен спектър?

Халкогенидното стъкло е аморфен стъклен материал, съставен предимно от елементи от VI група – сяра (S), селен (Se) и телур (Te). Типичните състави включват As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te и различни други формулировки.

Основната причина за отличното му пропускане в средния до далечния инфрачервен спектър се крие в относително ниската енергия на химичните му връзки.

Инфрачервеното предаване се определя от граничната честота на фононите на материала – вибрационната честота на химичните връзки между атомите определя границата на поглъщане на инфрачервената светлина. По-ниската енергия на връзката и по-високата атомна маса водят до по-ниски фононни честоти, което позволява на материала да предава по-дълги инфрачервени дължини на вълните.

Халкогенните елементи имат високи атомни маси. Когато образуват химични връзки с арсен, германий и други елементи, енергиите на връзките са ниски и честотата на препречване на фононите може да се простира отвъд 10μm или дори повече. Това позволява на халкогенидното стъкло да поддържа висока пропускливост в целия дълговълнов инфрачервен прозорец от 8–14μm и отвъд него. За разлика от това, оксидните стъкла като SiO₂ имат висока енергия на връзката Si–O, с честоти на препречване на фононите около 4–5μm, което ги прави напълно непрозрачни в дълговълновия инфрачервен спектър – точно поради тази причина не можете да видите нищо през обикновено стъкло с термовизионна камера.

Различните формулировки на халкогенидно стъкло имат различни диапазони на пропускане. Системите на основата на сяра (напр. As₂S₃) имат прозорец на пропускане от приблизително 0,6 μm до 11 μm. Системите на основата на селен (напр. As₂Se₃) могат да се разпростират над 15 μm. Системите на основата на телур имат още по-широк диапазон на пропускане, достигайки над 20 μm. Тази настройваемост позволява на халкогенидното стъкло да покрива множество приложни диапазони – от средновълнова до дълговълнова и дори много дълговълнова инфрачервена област – предлагайки далеч по-голяма гъвкавост от всеки един кристален материал.

Сравнение с германий: Всеки има своите силни страни, но халкогенидното стъкло предлага уникална незаменимост

Германийът е най-широко използваният материал в оптиката от средния до далечния инфрачервен спектър. Неговият коефициент на пречупване при 8–14μm е приблизително 4.0, което осигурява отлична способност за събиране на светлина, което го прави основен избор за термовизионни лещи.

Германийът обаче има три забележителни ограничения:

Първо, нестабилността на цените. Германийът е рядък метал със силно концентрирано глобално предлагане. Под влияние на експортните политики и търсенето надолу по веригата, цената му може да се удвои или намали наполовина в рамките на няколко години, което представлява значителни рискове за веригата на доставки.

Второ, ограничена твърдост. Германият има твърдост по Викерс от приблизително 780HV. В тежки условия с пясък, прах или дъжд, повърхността е податлива на абразия и надраскване, което ограничава дългосрочния му експлоатационен живот като основа за прозорец или филтър в сравнение с по-твърдите материали.

Трето, ограничен обхват на предаване. Прозорецът за пропускане на германий обхваща приблизително 2–15 μm, като пропускливостта спада забележимо над 15 μm.

Халкогенидното стъкло се представя различно в тези три измерения, но предимството му в обхвата на пропускане е структурно – за приложения, изискващи покритие над 12μm в много дългия инфрачервен спектър, халкогенидното стъкло е един от малкото практични избори. Освен това, като аморфен материал, халкогенидното стъкло може да се произвежда масово в сложни повърхностни профили чрез процеси на формоване, като производствените разходи са по-ниски от тези при прецизната обработка на германий, което го прави подходящо за мащабни граждански приложения.

DLC покритие: Справяне с недостатъка на твърдостта на халкогенидно стъкло

Халкогенидното стъкло има забележителна механична слабост: твърдостта му е ниска, обикновено в диапазона 100–200HV, далеч под тази на германия (780HV) и силиция (1000HV). Непокритата повърхност на халкогенидното стъкло няма достатъчна устойчивост на абразия във външна среда с пясък и прах или в промишлени условия, изискващи често почистване, което ограничава експлоатационния му живот при тежки условия.

DLC (Диамант-подобен въглерод) покритието е най-зрялото техническо решение на този проблем.

DLC е аморфен въглероден филм с твърдост по Викерс, обикновено варираща от 1500 до 3000HV, нисък коефициент на триене (приблизително 0,05–0,15 в сухи условия) и добра пропускливост в средния до далечния инфрачервен диапазон. Когато се отлага върху халкогенидни стъклени повърхности, той значително подобрява устойчивостта на основата на износване, надраскване и корозия, като същевременно ограничава въздействието върху инфрачервената пропускливост до 1–2 процентни пункта.

Значението на тази комбинация е, че халкогенидното стъкло осигурява широколентово предаване в средния до далечния инфрачервен спектър, докато DLC осигурява механична защита. Заедно те интегрират две свойства, които рядко се постигат едновременно в един материал – „широколентово предаване“ и „екологична устойчивост“ – в един оптичен елемент.

MULTI IR е разработила независимо DLC-покрити халкогенидни стъклени филтри, като процесите обхващат множество субстратни системи, включително As-S, As-Se и Ge-Sb-Se. Адхезията и еднородността на DLC филмите са специално оптимизирани за тези субстрати. Коефициентът на термично разширение, съответстващ на различните халкогенидни стъклени субстрати и DLC филма, варира значително, което пряко влияе върху адхезионната стабилност на DLC слоя - това е най-технически сложният аспект на DLC покритието върху халкогенидно стъкло и най-трудната част за контрол за постоянство на производството. В момента продуктите от халкогенидно стъкло с DLC покритие на MULTI IR се доставят в приложения, включително военни инфрачервени прозорци, промишлено термовизионно изображение и автомобилни дълговълнови инфрачервени системи.

Основни критерии за избор на халкогенидни стъклени филтри

Изборът на ниво приложение обикновено изисква потвърждаване на три неща:

1. Изисквания за работната лента. Различните формулировки на халкогенидни стъкла имат различни прозорци на пропускане. За приложения в диапазона 8–12 μm, As-Se системите обикновено са достатъчни. За нужди, надхвърлящи 14 μm, са необходими формулировки, съдържащи телур или по-високо съдържание на селен. Ако формулировката на субстрата е избрана неправилно и пропускането не отговаря на спецификациите, никакъв последващ процес на нанасяне на покритие не може да компенсира това.

2. Изисквания към механичната среда. За фиксирани вътрешни инсталации могат да се използват непокрити халкогенидни стъклени субстрати, като DLC покритието увеличава разходите. За външни, автомобилни, въздушни или морски приложения, включващи пясък, прах, дъжд или вибрации, DLC покритието е от съществено значение. Работната среда определя дали е необходимо покритие, както и спецификациите за дебелина и твърдост на DLC слоя.

3. Компромис между пропускливост и блокиране. Пропускливостта на халкогенидните стъклени филтри се влияе както от абсорбцията на субстрата, така и от повърхностното отражение. Антирефлексните покрития могат значително да подобрят пиковата пропускливост, но техният дизайн трябва да се разглежда заедно с оптичните характеристики на DLC слоя – те не могат да бъдат оптимизирани самостоятелно.

От прозорци на детектори във военни термовизионни системи до предни филтри в граждански газови анализатори, широкият обхват на приложение на халкогенидното стъкло в средната до далечната инфрачервена област отразява уникалните физични свойства на този материал: много малко материали могат едновременно да поддържат висока пропускливост, обработваемост и разумна степен на контрол на разходите в целия прозорец от 8–14 μm.

Това не е така, защото никой не е търсил алтернативи – а защото молекулярната физика поставя висок праг тук, а халкогенидното стъкло го преминава.

Изображения, генерирани от изкуствен интелект

МУЛТИ-ИНФРАЧЕРВЕН, национално специализирано и сложно предприятие „Малък гигант“, с над 10 000 вида инфрачервени чувствителни компоненти на склад, нареждащо се сред 3-те най-добри в света по цялостна здравина и водещ разработчик на индустриалния стандарт за инфрачервени филтри.

Уебсайт: www.mirhz.com | Глобален сайт: www.miroptech.com