Een artikel om te begrijpen: Waarom chalcogenideglas het onvervangbare kernmateriaal is voor optische filters in het midden- tot ver-infraroodgebied.

Vraag een willekeurige infrarood optisch ingenieur wat het moeilijkste probleem is bij materiaalselectie in het midden- tot ver-infraroodgebied, en je krijgt waarschijnlijk hetzelfde antwoord: het vinden van een materiaal dat tegelijkertijd zeer transparant is in het midden- tot ver-infrarood, mechanisch robuust genoeg en bestand tegen de omstandigheden in de praktijk, is extreem moeilijk.

Germanium is goed, maar duur en heeft een beperkte bandbreedte. Fluoridekristallen hebben een breed transmissiebereik, maar ze zijn extreem hygroscopisch en beginnen zelfs bij licht vochtige omstandigheden op te lossen. Silicium presteert redelijk goed in het midden-infrarood, maar de transmissie neemt merkbaar af boven de 8 μm en wordt ongeschikt voor langere golflengten in het verre infrarood.

Chalcogenideglas is een van de weinige systematische oplossingen voor dit selectiedilemma.

Wat is chalcogenideglas en waarom presteert het zo goed in het midden- tot ver-infraroodgebied?

Chalcogenideglas is een amorf glasmateriaal dat hoofdzakelijk is samengesteld uit elementen van Groep VI: zwavel (S), selenium (Se) en tellurium (Te). Typische samenstellingen zijn onder andere As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te en diverse andere formuleringen.

De fundamentele reden voor de uitstekende transmissie in het midden- tot ver-infraroodgebied ligt in de relatief lage bindingsenergie van de chemische bindingen.

De infraroodtransmissie wordt bepaald door de fonon-afsnijfrequentie van het materiaal – de trillingsfrequentie van de chemische bindingen tussen atomen bepaalt de absorptiegrens voor infrarood licht. Een lagere bindingsenergie en een hogere atoommassa resulteren in lagere fononfrequenties, waardoor het materiaal langere infraroodgolflengten kan doorlaten.

Chalcogeen-elementen hebben een hoge atoommassa. Wanneer ze chemische bindingen aangaan met arseen, germanium en andere elementen, zijn de bindingsenergieën laag en kan de fonon-afsnijfrequentie zich uitstrekken tot voorbij 10 μm of zelfs nog verder. Hierdoor behoudt chalcogenideglas een hoge transmissie over het gehele lange-golf infraroodvenster van 8–14 μm en daarbuiten. Oxideglazen zoals SiO₂ daarentegen hebben een hoge Si–O-bindingsenergie, met fonon-afsnijfrequenties rond 4–5 μm, waardoor ze volledig ondoorzichtig zijn in het lange-golf infrarood – en dat is precies de reden waarom je met een warmtebeeldcamera niets door gewoon glas heen kunt zien.

Verschillende samenstellingen van chalcogenideglas hebben verschillende transmissiebereiken. Op zwavel gebaseerde systemen (bijv. As₂S₃) hebben een transmissievenster van ongeveer 0,6 μm tot 11 μm. Op selenium gebaseerde systemen (bijv. As₂Se₃) kunnen verder reiken dan 15 μm. Op tellurium gebaseerde systemen hebben een nog breder transmissiebereik, tot boven de 20 μm. Deze afstembaarheid maakt het mogelijk dat chalcogenideglas meerdere toepassingsgebieden bestrijkt – van middengolf tot lange golf en zelfs zeer lange golf infrarood – en biedt daarmee een veel grotere flexibiliteit dan welk enkelkristallijn materiaal dan ook.

Vergelijking met germanium: beide hebben hun sterke punten, maar chalcogenideglas biedt unieke, onvervangbare eigenschappen.

Germanium is het meest gebruikte materiaal in optische systemen voor het midden- tot ver-infraroodgebied. De brekingsindex bij 8–14 μm is ongeveer 4,0, wat zorgt voor een uitstekend lichtverzamelend vermogen. Daardoor is het de meest gangbare keuze voor lenzen voor warmtebeeldcamera's.

Germanium kent echter drie belangrijke beperkingen:

Ten eerste, prijsvolatiliteit. Germanium is een zeldzaam metaal met een zeer geconcentreerde wereldwijde voorraad. De prijs ervan kan, beïnvloed door exportbeleid en de vraag vanuit de afnemerssector, binnen enkele jaren verdubbelen of halveren, wat aanzienlijke risico's voor de toeleveringsketen met zich meebrengt.

Ten tweede, beperkte hardheid. Germanium heeft een Vickers-hardheid van ongeveer 780 HV. In ruwe omgevingen met zand, stof of regen is het oppervlak gevoelig voor slijtage en krassen, waardoor de levensduur als raam- of filtermateriaal op de lange termijn beperkter is dan bij hardere materialen.

Ten derde, een beperkt zendbereik. Het transmissievenster van germanium strekt zich uit over ongeveer 2–15 μm, waarbij de transmissie merkbaar afneemt voorbij 15 μm.

Chalcogenideglas gedraagt ​​zich verschillend in deze drie dimensies, maar het voordeel in transmissiebereik is structureel van aard: voor toepassingen die een bereik van meer dan 12 μm in het zeer lange-golf infrarood vereisen, is chalcogenideglas een van de weinige praktische opties. Bovendien kan chalcogenideglas, als amorf materiaal, via vormprocessen in grote hoeveelheden worden geproduceerd met complexe oppervlakteprofielen, tegen lagere productiekosten dan precisiebewerking van germanium. Dit maakt het uitermate geschikt voor grootschalige civiele toepassingen.

DLC-coating: een oplossing voor het hardheidstekort van chalcogenideglas.

Chalcogenideglas heeft een opmerkelijke mechanische zwakte: de hardheid is laag, doorgaans tussen de 100 en 200 HV, veel lager dan die van germanium (780 HV) en silicium (1000 HV). Een ongecoat chalcogenideglasoppervlak is onvoldoende slijtvast in buitenomgevingen met zand en stof, of in industriële omgevingen die frequent gereinigd moeten worden, waardoor de levensduur onder zware omstandigheden beperkt is.

DLC-coating (Diamond-Like Carbon) is de meest vol成熟e technische oplossing voor dit probleem.

DLC is een amorfe koolstoffilm met een Vickers-hardheid die doorgaans varieert van 1500 tot 3000 HV, een lage wrijvingscoëfficiënt (ongeveer 0,05-0,15 in droge omstandigheden) en een goede transmissie in het midden- tot ver-infraroodgebied. Wanneer het wordt aangebracht op chalcogenideglasoppervlakken, verbetert het de weerstand van het substraat tegen slijtage, krassen en corrosie aanzienlijk, terwijl de impact op de infraroodtransmissie beperkt blijft tot 1-2 procentpunten.

Het bijzondere aan deze combinatie is dat chalcogenideglas zorgt voor een breedbandige transmissie van midden- tot ver-infraroodstraling, terwijl DLC mechanische bescherming biedt. Samen integreren ze twee eigenschappen die zelden tegelijkertijd in één materiaal worden bereikt – "breedbandtransmissie" en "milieubestendigheid" – in één optisch element.

MULTI IR heeft onafhankelijk DLC-gecoate chalcogenideglasfilters ontwikkeld, met processen die meerdere substraatsystemen omvatten, waaronder As–S, As–Se en Ge–Sb–Se. De hechting en uniformiteit van de DLC-films zijn specifiek geoptimaliseerd voor deze substraten. De thermische uitzettingscoëfficiënt van verschillende chalcogenideglassubstraten en de DLC-film varieert aanzienlijk, wat direct van invloed is op de hechtingsstabiliteit van de DLC-laag. Dit is het technisch meest uitdagende aspect van DLC-coating op chalcogenideglas en het moeilijkst te beheersen voor een consistente productie. De DLC-gecoate chalcogenideglasproducten van MULTI IR worden momenteel gebruikt in toepassingen zoals militaire infraroodvensters, industriële thermische beeldvorming en automotive lange-golf infraroodsystemen.

Belangrijkste selectiecriteria voor chalcogenide glasfilters

Bij de selectie op aanvraagniveau moeten doorgaans drie dingen worden bevestigd:

1. Vereisten voor de werkband. Verschillende chalcogenideglasformuleringen hebben verschillende transmissievensters. Voor toepassingen in de 8–12 μm-band zijn As–Se-systemen over het algemeen voldoende. Voor toepassingen boven de 14 μm zijn formuleringen met tellurium of een hoger seleniumgehalte vereist. Als de substraatformulering verkeerd is gekozen en de transmissie niet aan de specificaties voldoet, kan geen enkel daaropvolgend coatingproces dit compenseren.

2. Eisen aan de mechanische omgeving. Voor vaste installaties binnenshuis kunnen ongecoate chalcogenide glassubstraten worden gebruikt, waarbij een DLC-coating extra kosten met zich meebrengt. Voor buitentoepassingen, in de automobielindustrie, de luchtvaart of de scheepvaart, waar zand, stof, regen of trillingen een rol spelen, is een DLC-coating essentieel. De gebruiksomgeving bepaalt of een coating nodig is, evenals de vereiste dikte en hardheid van de DLC-laag.

3. Afweging tussen transmissie en blokkering. De lichtdoorlaatbaarheid van chalcogenideglasfilters wordt beïnvloed door zowel substraatabsorptie als oppervlaktereflectie. Antireflecterende coatings kunnen de pieklichtdoorlaatbaarheid aanzienlijk verbeteren, maar het ontwerp ervan moet worden afgestemd op de optische eigenschappen van de DLC-laag; ze kunnen niet onafhankelijk daarvan worden geoptimaliseerd.

Van detectorvensters in militaire warmtebeeldsystemen tot filterfronten in civiele gasanalysatoren: het brede toepassingsgebied van chalcogenideglas in het midden- tot ver-infraroodgebied weerspiegelt de unieke fysische eigenschappen van dit materiaal: zeer weinig materialen kunnen tegelijkertijd een hoge transmissie, verwerkbaarheid en een redelijke mate van kostenbeheersing behouden over het gehele venster van 8–14 μm.

Dit komt niet doordat niemand naar alternatieven heeft gezocht, maar doordat de moleculaire natuurkunde hier een hoge drempel stelt, en chalcogenideglas die toevallig overschrijdt.

Afbeeldingen gegenereerd door AI

MULTI-IR, een nationaal "kleine reus" gespecialiseerd en geavanceerd bedrijf, met meer dan 10.000 soorten infraroodgevoelige componenten op voorraad, behorend tot de top 3 wereldwijd qua totaalaanbod, en de belangrijkste opsteller van de industriestandaard voor infraroodfilters.

Website: www.mirhz.com | Wereldwijde website: www.miroptech.com