¿Cuáles son los materiales ópticos infrarrojos?
Los materiales ópticos infrarrojos normalmente se clasifican en tres categorías principales: vidrio óptico infrarrojo, plásticos ópticos infrarrojos y cristales ópticos infrarrojos.
1. Vidrio óptico infrarrojo
Las ventajas del vidrio óptico infrarrojo es su buena uniformidad óptica, puede fundirse y procesarse en cualquier forma en condiciones de alta temperatura para cumplir con los requisitos de uso del diseñador. Al mismo tiempo, este material tiene alta resistencia mecánica y dureza, fácil de procesar, alta estabilidad química, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste y las materias primas son fáciles de obtener y de bajo costo. Sin embargo, tiene una banda de transmisión estrecha y es susceptible a derretirse y dañarse bajo altas temperaturas. Los ejemplos incluyen vidrios de óxido y vidrios de calcogenuro.
El vidrio óptico infrarrojo generalmente se clasifica en dos categorías principales: vidrio de óxido y vidrio de calcogenuro. Los vidrios de óxido más utilizados incluyen el zafiro. (Al 2 O 3 ) y cuarzo (SiO 2 ). Debido a la existencia de fuertes bandas de absorción a 3 μm y 7 μm, el límite de longitud de onda larga de la transmitancia del vidrio de óxido no es largo, por lo que solo se puede utilizar en las longitudes de onda visible, infrarrojo cercano, infrarrojo de onda corta e infrarrojo de onda media. Los vidrios de calcogenuro más utilizados incluyen el vidrio de germanio-arsénico-selenio (Ge 33 As 12 Se 44 ) y el vidrio de germanio-antimonio-selenio (Ge 28 Sb 12 Se 60 ). Los vidrios de calcogenuro reemplazan el oxígeno con elementos del grupo VI S, Se y Te para mejorar el límite de longitud de onda larga, que son adecuados para bandas infrarrojas de onda corta, media y larga.
2. Plásticos ópticos infrarrojos
Los plásticos ópticos infrarrojos comunes incluyen polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno y otros, que son de alto polímero amorfo. La baja transmitancia de los plásticos en el infrarrojo de onda media se debe a que las bandas de absorción de vibraciones rotacionales y reticulares de sus moléculas se encuentran exactamente en la banda de onda media. Los plásticos tienen una mayor transparencia en las bandas del infrarrojo cercano y del infrarrojo de onda larga. Los plásticos ópticos infrarrojos tienen muchas ventajas, como bajo costo, resistencia a la corrosión y no son fácilmente solubles en agua. Las lentes de Fresnel en las alarmas infrarrojas suelen estar hechas de materiales plásticos infrarrojos de onda larga.
3. Cristales ópticos infrarrojos
Para los sistemas ópticos infrarrojos, existen dos tipos comunes de materiales de cristal infrarrojo: cristales iónicos y cristales semiconductores. En comparación con el vidrio óptico infrarrojo, los materiales de cristal infrarrojo se caracterizan por límites de transmisión de longitud de onda más largos, mayores diferencias en el número de Abbe y los coeficientes de índice de refracción, y distintas propiedades físicas y químicas. Los cristales iónicos comunes incluyen cristales de óxido, compuestos de haluros alcalinos y haluros infrarrojos. Los cristales semiconductores comunes incluyen germanio, silicio, sulfuro de zinc, seleniuro de zinc, etc. Debido a la reflectancia típicamente mayor de los cristales semiconductores, generalmente se requieren recubrimientos antirreflectantes. A continuación se proporciona una descripción general de algunos cristales semiconductores de uso común.
El germanio tiene un rango de longitud de onda de 1,8 a 23 μm y el diámetro de los monocristales de germanio suele rondar los 250 mm. Tiene buena estabilidad química. La dureza del germanio es baja, por lo que se necesita especial atención durante su producción y procesamiento. Debido al alto coeficiente de temperatura de su índice de refracción, no se puede utilizar más allá de 150 °C. Además, debido al alto índice de refracción, la pérdida de energía reflejada es grande y se necesitan revestimientos antirreflectantes. El germanio se puede utilizar para fabricar lentes, ventanas y filtros.
El silicio es un material cristalino no metálico con un diámetro monocristalino superior a 150 mm y un diámetro policristalino de hasta más de 400 mm. El silicio tiene importantes ventajas sobre el germanio en términos de resistencia, dureza y resistencia al choque térmico. El límite superior de la temperatura de funcionamiento del silicio es 325°C. Su índice de refracción es generalmente de alrededor de 3,4, lo que requiere revestimientos antirreflectantes. Además de su uso en lentes y ventanas, el silicio también se puede emplear para carenados.
El seleniuro de zinc tiene un rango de longitud de onda de 0,5 a 24 μm y es un material óptico infrarrojo común con propiedades químicas estables, pero físicas relativamente suaves, que generalmente requiere la deposición de recubrimientos antirreflectantes de alta resistencia, que pueden utilizarse para lentes y ventanas.
El sulfuro de zinc tiene un rango de longitud de onda de 0,4 a 18 μm y presenta un color amarillo claro bajo la luz solar. Generalmente se procesa mediante deposición de vapor para su uso en lentes, ventanas y carenados. La Tabla 1.0 proporciona el índice de refracción del cristal óptico infrarrojo en diferentes bandas.
Para los sistemas ópticos infrarrojos, la selección de materiales infrarrojos es tan importante como la estructura inicial. Al seleccionar materiales, los diseñadores primero deben consultar la información relevante, analizar las características de cada material en aspectos ópticos, mecánicos, químicos y otros, y tomar decisiones razonables basadas en el entorno operativo real del sistema óptico infrarrojo mientras cumplen con los requisitos de diseño. En general, hay menos materiales ópticos infrarrojos que tengan en cuenta simultáneamente los puntos anteriores.
Al seleccionar materiales, es esencial tener en cuenta que los parámetros de rendimiento más altos del material no siempre son mejores y los parámetros más bajos no son necesariamente preferibles. Por ejemplo, los espejos reflectantes requieren materiales con alta reflectividad, mientras que las lentes necesitan materiales con baja reflectividad y alta transmitancia; Las ventanas para detectores de infrarrojos refrigerados requieren materiales con bajo índice de refracción. Los materiales para el divisor de haz necesitan un número de Abbe bajo para lograr una alta dispersión, y la lente doble requiere una combinación de materiales con un número de Abbe bajo y alto.