عدسة الأشعة تحت الحمراء: اختيار المواد والملكية

 

ملخص

تشير عدسات الأشعة تحت الحمراء إلى العدسات المستخدمة للانعكاس, انكسار, ونقل ضوء الأشعة تحت الحمراء. يستخدم خصائص فيزيائية فريدة لتحقيق التحكم في ضوء الأشعة تحت الحمراء, لذلك فهو ذو أهمية كبيرة في مجال بصريات الأشعة تحت الحمراء. بسبب مسألة النفاذية, لا يوجد سوى عدد قليل من المواد المتاحة للاستخدام في نطاق الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء, مثل سي, جي, الزنك سي, الزنكS, و MgF2.

 

عمومًا, تتراوح صلابة Knoop للزجاج الخفيف المرئي بين 300-700. كلما كانت المادة أصعب, كلما استغرق طحن وتلميع العدسة البصرية وقتًا أطول. ومن المواد الزجاجية التي يشيع استخدامها في مجال التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء, صلابة قه 780 , في حين وصلت صلابة سي 1150. بالمقارنة مع الضوء المرئي, صلابة عدسة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء أعلى بكثير, لذا فإن صعوبة عملية طحنها وساعات عملها أكبر بكثير من صعوبة الضوء المرئي. على الرغم من أن كلا من Ge و Si من المواد الصلبة, ولكنها أيضًا هشة جدًا. وهذا يجعلها عرضة للكسر أثناء عمليات الإنتاج والتجهيز, مما يؤدي إلى انخفاض في المحصول. لذلك, يتم وضع متطلبات صارمة على تقنيات المعالجة; فضلاً عن ذلك, تكلفة الجرام الواحد من هذه المواد مرتفعة نسبيًا, مما يجعل مخاطر المعالجة كبيرة.

 

ملكية

1.صعب
2.هش
3.المواد لديها تكلفة عالية

يعد اختبار صلابة Knoop مناسبًا بشكل خاص لاختبار المواد الصلبة والهشة. ويمكن استخدامه أيضًا لتحديد العمق الفعال لطبقات تصلب السطح. إنه قابل للتطبيق لاختبار صلابة الأجزاء الصغيرة, مناطق صغيرة, مواد رقيقة, أسلاك دقيقة, صلابة بالقرب من حواف الشفرة, طبقات الطلاء, ومواد طب الأسنان.

 

 

مادة مشتركة

 

مادة جنرال الكتريك

 

الرمز الكيميائي للجرمانيوم: جي, هو فلز أبيض رمادي, لامعة, صعب, ينتمي إلى عائلة الكربون, ولها خصائص غير معدنية واضحة. يتمتع Ge بخصائص كيميائية مستقرة ولا يتفاعل مع الهواء أو بخار الماء في درجة حرارة الغرفة.

 

يتمتع زجاج Ge بأداء جيد في نقل الضوء عند 2-16um. عن طريق ترسيب الطلاءات الضوئية على زجاج Ge, يمكن زيادة نفاذيته بشكل كبير مع تقليل الانعكاس على سطح الزجاج. لكن, لا يستطيع زجاج Ge نقل الضوء في نطاق الطول الموجي للضوء المرئي.

 

Ge يحتوي على محتوى تقريبًا 0.0007% في قشرة الأرض, مما يجعلها من أكثر العناصر تشتتاً في القشرة الأرضية. هناك عدد قليل من خامات الجرمانيوم المركزة. توجد كمية كبيرة من Ge في خامات السيليكات المعدنية المختلفة, خامات كبريتيد, وأنواع مختلفة من الفحم في شكل مشتت; النحاس معينة, حديد, تحتوي خامات الكبريتيد وخامات الفضة أيضًا على Ge; يمكن العثور على كميات ضئيلة من Ge في الصخور, التربة, ومياه الينابيع; توجد كميات محدودة من Ge في العديد من النباتات. يستخدم Ge على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات, بصريات, الصناعة الكيميائية, الطب الحيوي, طاقة, وغيرها من الصناعات ذات التقنية العالية.

 

كمادة الأشعة تحت الحمراء, يمكن استخدام Ge في نطاقات LWIR وMWIR. في نطاق LWIR, إنها العدسة الإيجابية في العدسة المزدوجة اللونية; أثناء وجوده في MWIR, إنها العدسة السلبية في العدسة المزدوجة اللونية. ويرجع ذلك إلى الاختلاف في خصائص التشتت في نطاقي الطول الموجي. في نطاق MWIR, Ge قريب جدًا من نطاق الامتصاص المنخفض, مما يؤدي إلى تغيرات سريعة في معامل الانكسار وتشتت كبير. وهذا يجعلها مناسبة كعنصر طاقة سلبي في عدسة مزدوجة لونية.

 

Ge عبارة عن مادة بلورية يمكن إنتاجها على شكل بلورات مفردة أو متعدد البلورات. اعتمادا على عملية النمو, تعد وحدة Ge البلورية المفردة أكثر تكلفة من شركة Ge متعددة البلورات. معامل الانكسار لـ Ge متعدد البلورات ليس موحدًا بدرجة كافية, ويرجع ذلك في المقام الأول إلى الشوائب الموجودة على حدود الحبوب, والتي يمكن أن تؤثر على جودة الصورة على FPA. لذلك, ويفضل Ge الكريستال واحد. في درجات حرارة عالية, تصبح مادة Ge قابلة للامتصاص, ونسبة انتقاله تقترب من الصفر عند 200 درجة مئوية.

 

يتمتع Ge بصلابة Knoop عالية وغالبًا ما يستخدم في أنظمة الأشعة تحت الحمراء التي تتطلب كثافة عالية. بسبب معامل انكسارها العالي, غالبًا ما يتم تطبيق الطلاءات المضادة للانعكاس على Ge, مع نطاقات الطول الموجي شائعة الاستخدام 3-12 ميكرومتر أو 8-12 ميكرومتر. تقل نفاذية Ge مع زيادة درجة الحرارة, والتحدث بدقة, درجة حرارة التشغيل المثالية أقل من ذلك 100 درجة مئوية. عندما يتم تطبيقه على نظام حساس لمتطلبات الوزن, يجب على المصممين النظر في خصائص الكثافة العالية لـ Ge. يجب أن تلتزم نسبة حجم العدسة إلى السمك بنسب المعالجة, في حين أن الوزن يجب أن يلبي متطلبات التصميم.

 

 

 

 

 

مادة

يتم استخدام بلورة Si المفردة بشكل شائع كركيزة للنوافذ البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة المتوسطة 3-5μm والمرشحات الضوئية. بسبب الموصلية الحرارية الجيدة والكثافة المنخفضة, وغالباً ما يستخدم في إنتاج مرايا الليزر والمناسبات الحساسة للحجم والوزن.

 

معامل انكسار Si أقل قليلاً من معامل انكسار Ge, لكنها لا تزال مرتفعة بما يكفي للسيطرة على الانحرافات. بالإضافة إلى ذلك, Si لديه تشتت منخفض نسبيًا. يمكن تحويل Si إلى الماس.

من سلبيات السيليكون وبعض المواد البلورية الأخرى أنها هشة وهشة.

 

 

 

الزنكS

 

ZnS عبارة عن مادة ذات تجانس واتساق جيد في معامل الانكسار, ولديه أداء جيد في نقل الصور 8-12 الفرقة ميكرومتر, لكنه يبدأ بالامتصاص جزئيًا بعد ذلك 10 ميكرومتر. تتمتع المادة أيضًا بنفاذية عالية في منتصف الأشعة تحت الحمراء, لكن الامتصاص والتشتت يزدادان عندما تصبح الأطوال الموجية أقصر. مقارنة مع ZnSe, ZnS لديه صلابة عالية, ضعف قوة الكسر لـ ZnSe, ومقاومة قوية للبيئات القاسية.

 

ZnS بشكل عام أصفر صدئ وشفاف للضوء المرئي. يمكن أن يكون ZnS المصنوع بالضغط الساخن شفافًا للضوء المرئي. يمكن استخدام ZnS الشفاف لتصنيع نوافذ وعدسات متعددة الأطياف من النطاقات المرئية إلى نطاقات LWIR.

 

ZnS عبارة عن مادة شفافة تعمل بالأشعة تحت الحمراء. لديها نفاذية مستقرة في نطاق الأشعة تحت الحمراء ولها خصائص بصرية ممتازة, وهي إحدى المواد الرئيسية لصنع نوافذ الأشعة تحت الحمراء. في عملية التصنيع بالأشعة تحت الحمراء, يمكن استخدام ZnS بواسطة تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة لزيادة تأثير انعكاس الأشعة تحت الحمراء. تستخدم مواد ZnS على نطاق واسع في تصنيع أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء, العدسات البصرية, أجهزة التصوير الحراري, Fairings والمكونات البصرية بالأشعة تحت الحمراء.

 

 

 

الزنك سي

 

ZnSe عبارة عن مادة فيلم عاكسة للأشعة تحت الحمراء شائعة الاستخدام, ونطاق الطول الموجي الانعكاسي هو 2-14 ميكرومتر. لديها مزايا النفاذية العالية, عملية تحضير بسيطة, مقاومة جيدة للتآكل ومقاومة التآكل. يمكن أيضًا استخدام فيلم ZnSe مع أنواع أخرى من مواد عدسات الأشعة تحت الحمراء لزيادة تأثير انعكاس الأشعة تحت الحمراء. تستخدم عدسات ZnSe في أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء, أجهزة التصوير الحراري, وأنظمة التحكم المختلفة بالأشعة تحت الحمراء.

 

لأن ZnSe له معامل امتصاص منخفض ومعامل تمدد حراري مرتفع, وعادة ما يتم استخدامه كمادة أساسية للعاكسات وشقوق الشعاع. لكن, نظرًا لأن ZnSe ناعم نسبيًا (صلابة نوب 120) وسهلة للخدش, لا ينصح باستخدامه في البيئات القاسية. انتبه إلى القوة الموحدة عند الإمساك والتنظيف, ومن الأفضل ارتداء مهود الأصابع أو القفازات.

 

 

 

فلوريد

 

إم جي إف 2

MgF2 هو أيضًا مادة بلورية. تنقل مادتها البلورية النطاق الطيفي من الأشعة فوق البنفسجية إلى MWIR. يمكن إنتاج MgF2 عن طريق نمو البلورات أو “الضغط الساخن”, مما يؤدي إلى مادة زجاجية حليبية. ينقل بشكل جيد في نطاق MWIR, ولكن قد يكون هناك تشتت غير مرغوب فيه, مما يسبب فقدان التباين والضوء الشارد خارج المحور.

 

CuF2

CuF2 هي مادة شائعة تمتص الأشعة تحت الحمراء. يمكنه امتصاص نطاق الأشعة تحت الحمراء الذي يبلغ 2-14μm, ويمكن أن يقلل من النفاذية في منطقة الطيف المرئي في نفس الوقت. لذلك, يمكن استخدام مرشحات الأشعة تحت الحمراء المصنوعة من CuF2 في أنظمة التصوير الحراري والمضادة للوهج لتصفية الضوء المرئي وتداخل الأشعة تحت الحمراء لتحقيق نتائج أفضل للكشف عن الأشعة تحت الحمراء. يمكن أيضًا استخدام مواد CuF2 في العدسات البصرية ونوافذ الأشعة تحت الحمراء وغيرها من المجالات.

 

CaF2

يتمتع CaF2 بنفاذية عالية بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء المتوسطة (250نانومتر ~ 7 ميكرومتر), لذلك يستخدم على نطاق واسع في صناعة المنشور, النوافذ والعدسات, إلخ. في بعض التطبيقات ذات النطاق الطيفي الواسع, يمكن استخدامه مباشرة بدون طلاء. بخاصة, لديها امتصاص منخفض وعتبة ليزر عالية, وهو مناسب جدًا للنظام البصري بالليزر excimer.

 

BaF2

نطاق نفاذية الضوء لكريستال BaF2 واسع, ونفاذية الضوء جيدة في نطاق الطول الموجي من 0.13μm ~ 14μm. خصائص الكريستالات المفردة والبلورات المتعددة هي نفسها في الأساس, ومن الصعب إنتاج المادة البلورية المفردة, وبالتالي فإن سعر الكريستالات المفردة هو ضعف سعر الكريستالات. تعتبر كريستال BaF2 مادة مثالية لتصنيع المكونات البصرية مثل النوافذ البصرية المختلفة, المنشور والعدسات. يمكن استخدامه في نوافذ خزانة توزيع الطاقة بالأشعة تحت الحمراء, نوافذ تحليل غاز فورييه, كشف النفط والغاز, ليزر عالي الطاقة, الأدوات البصرية, إلخ.

 

 

الياقوت

 

 

الياقوت مادة صلبة للغاية. ينقل الضوء من الأشعة فوق البنفسجية العميقة إلى MWIR. الخاصية الفريدة للياقوت هي انبعاثه الحراري المنخفض جدًا عند درجات الحرارة المرتفعة. وهذا يعني أنه عند درجات الحرارة المرتفعة تنبعث المادة من إشعاع حراري أقل من المواد الأخرى. يمكن استخدام الياقوت لصنع نوافذ مجوفة تتحمل درجات الحرارة العالية ومناسبة لمرور النوافذ في نطاق الأشعة تحت الحمراء.
العيب الرئيسي للياقوت هو أن صلابته تجعل المعالجة البصرية صعبة. مادة أخرى مماثلة تسمى الإسبنيل. يشبه الإسبنيل في تأثيره الياقوت المضغوط ويمكن استخدامه بدلاً من الياقوت. يتميز حجر الإسبنيل أيضًا بتشتت عالٍ.

 

تتضمن مجالات تطبيق الياقوت بشكل أساسي المواد الأساسية LED, الالكترونيات الاستهلاكية والتطبيقات العسكرية. إنها مادة مهمة لدعم تطوير الحفاظ على الطاقة, حماية البيئة, تكنولوجيا المعلومات الجيل الجديد, مركبات الطاقة الجديدة وغيرها من الصناعات.