Перспективы и преимущества инфракрасной германиевой (Ge) оптики

Введение:

Монокристаллический германий (Ge) — это оптический материал с химической инертностью, его широкий спектральный диапазон пропускания простирается от 1,9 мкм до 16 мкм. Германий является отличным и широко применяемым материалом для использования в инфракрасном спектре. Германий также обладает выдающейся твёрдостью, высокой теплопроводностью и нерастворим в воде. Он широко используется в инфракрасной тепловизионной технике и инфракрасных спектроскопах. Благодаря высокой механической прочности, хорошей теплопроводности и низкому поглощению при длине волны 1060 нм германий является идеальным материалом подложки для производства линз CO2-лазеров и инфракрасных фильтров.

Основные методы выращивания монокристаллического германия включают метод Чохральского и метод вертикальной зонной плавки (Vertical Gradient Freeze, VGF).

Ниже приведены физико-химические свойства монокристаллического германия (Ge):

1. Диапазон пропускания: 1,8 – 23 мкм (1)

2. Показатель преломления: 4,0026 при 11 мкм (1)(2)

3. Потери на отражение: 53% при 11 мкм (две поверхности)

4. Коэффициент поглощения: <0,027 см⁻¹ при 10,6 мкм (типично)

                     0,006 см⁻¹ при 5,6 мкм (типично)

                                  <0,005 см⁻¹ при 2,7 мкм

5. Пик Рестреллена: нет данных

6. Температурный коэффициент показателя преломления (dn/dT): 396 × 10⁻⁶ /°C (2)(6)

7. dn/dμ = 0: Практически постоянен

8. Плотность: 5,33 г/см³

9. Температура плавления: 936 °C (3)

10. Теплопроводность: 58,61 Вт/(м·К) при 293 К (6)

11. Коэффициент теплового расширения: 6,1 × 10⁻⁶ /°C при 298 К (3)(4)(6)

12. Твёрдость: по Кнупу 780

13. Удельная теплоёмкость: 310 Дж/(кг·К) (3)

14. Диэлектрическая проницаемость: 16,6 при 9,37 ГГц при 300 К

15. Модуль Юнга (E): 102,7 ГПа (4)(5)

16. Модуль сдвига (G): 67 ГПа (4)(5)

17. Объёмный модуль (K): 77,2 ГПа (4)

18. Коэффициенты упругости: C11=129; C12=48,3; C44=67,1 (5)

19. Предел прочности: 89,6 МПа (13000 psi)

20. Коэффициент Пуассона: 0,28 (4)(5)

21. Растворимость: нерастворим в воде

22. Молекулярный вес: 72,59

23. Кристаллическая структура: кубическая алмазоподобная, Fd3m

Материалы из монокристаллического германия можно разделить на разные категории в зависимости от их свойств и применения: высокоомный германий для радиационного детектирования, германий с однородным сопротивлением для инфракрасной оптики, а также низкоомный германий, используемый для эпитаксиального роста арсенида галлия в области солнечных батарей.

В связи с постоянным развитием и совершенствованием технологий, связанных с инфракрасными продуктами, а также свободной конкуренцией на рынке, что приводит к снижению себестоимости и цен, германий инфракрасного класса становится всё более доступным для широкого круга пользователей. Рост гражданского рынка значительно превышает рост оборонного сектора. Более зрелые применения оптического инфракрасного германия включают обнаружение электрических проблем, а также быстрый прогресс и широкое применение тепловизионных технологий в пожарной безопасности, строительстве, охране, профилактике лесных пожаров и других областях, что открывает огромный потенциал для инфракрасного рынка.

Внезапная вспышка пандемии коронавируса в 2020 году подчеркнула важность инфракрасных монокристаллов германия. Одним из распространённых симптомов коронавируса является повышение температуры тела, и использование инфракрасных термометров позволяет быстро проводить скрининг и идентификацию подозрительных лиц для изоляции. Таким образом, инфракрасные термометры играют ключевую роль в борьбе с эпидемией. В результате пандемии наблюдается рост заказов на производство монокристаллического германия.

Монокристаллы германия для инфракрасной оптики являются одними из самых распространённых инфракрасных оптических материалов в мире на данный момент и часто изготавливаются методом Чохральского. Готовые компоненты включают инфракрасные германиевые линзы и окна. Количество линз в инфракрасном германиевом объективе варьируется в зависимости от стандарта. Объективы броневого класса обладают высокой точностью и технологическими требованиями, обычно содержат от 6 до 10 германиевых линз, тогда как коммерческие объективы имеют меньшие требования и обычно содержат 2–3 линзы. В большинстве случаев германиевые окна используются в военных целях.

Германиевое (Ge) окно:

Оптическое окно — это один из основных оптических компонентов, используемых для разделения окружающей среды на две части, например, внутреннюю и внешнюю части прибора, обеспечивая их изоляцию и защиту внутренностей прибора. Окно — это фундаментальный оптический элемент в форме плоской пластины, который не изменяет оптическое увеличение, но влияет на оптический путь. Важными параметрами окна являются: светопрозрачность, плоскостность поверхности, толщина, параллельность, материал подложки и другие свойства, и окно с соответствующими характеристиками подбирается в зависимости от конкретного применения.

Германиевое окно идеально подходит для применения в инфракрасных лазерах благодаря широкому диапазону пропускания в средневолновом (MWIR) и длинноволновом (LWIR) инфракрасном спектрах и непрозрачности в видимом диапазоне. Оно блокирует ультрафиолетовое и видимое излучение, являясь отличным передатчиком инфракрасного излучения. Германий также может использоваться в качестве фильтра с длинноволновым срезом для длин волн больше 2 мкм. Кроме того, германий инертен к воздействию воздуха, воды, щелочей и различных кислот. Однако светопрозрачность германиевых окон чувствительна к температуре: при 100 °C поглощение усиливается, а при 200 °C окно становится полностью непрозрачным.

Рисунок 1. Германиевое (Ge) окно от Shalom EO

Германиевая (Ge) линза:

Оптическая линза — это оптический компонент, который рассеивает (отрицательная линза) или собирает (положительная линза) свет в зависимости от своей фокусного расстояния. Оптические линзы могут иметь разные формы, например, асферические и сферические, выпуклые, вогнутые и так далее. Существуют разные виды линз: плано-выпуклые/плано-вогнутые (PC), двояковыпуклые/двояковогнутые (BC), бифокальные (BFL), кольцевые, цилиндрические и т.д. Выбор формы зависит от приложения, а материал линзы выбирается исходя из требований пропускания и условий эксплуатации. Оптические линзы широко используются в инфракрасной оптике, включая камеры, детекторы, лазеры и др.

Германиевая линза применяется в инфракрасных камерах, тепловизорах и лазерных системах из-за высокой прозрачности в MWIR и LWIR диапазонах. Высокий показатель преломления германия позволяет уменьшать размер линз, делая системы более компактными. Германий также обладает хорошей теплопроводностью, что снижает тепловые искажения при работе с мощным излучением.

Рисунок 2. Германиевые (Ge) линзы от Shalom EO

Заключение:

Монокристаллический германий — это высококачественный инфракрасный оптический материал, широко используемый в различных приложениях, включая тепловизионные камеры, инфракрасные лазеры и оптические фильтры. Высокая твёрдость, теплопроводность и широкий спектр пропускания делают германий предпочтительным выбором для многих задач. Современные методы выращивания и обработки обеспечивают высокое качество монокристаллов, что способствует развитию технологий инфракрасной оптики и расширению рынков, особенно в условиях роста спроса на инфракрасные системы в медицине, безопасности и промышленности.

Германиевые купола позволяют работать на более длинных длинах волн и идеально подходят для ИК-применений (особенно в оборонной и аэрокосмической сферах) благодаря широкому диапазону пропускания и непрозрачности в видимой части спектра. Германиевые купола широко используются в разнообразных инфракрасных тепловизионных камерах, работающих в диапазоне от 2 мкм до 14 мкм, включая MWIR (3–5 мкм) и LWIR (8–12 мкм) диапазоны теплового изображения. 

Рисунок 3. Германиевый купол Shalom EO — Germanium (Ge) Dome

Оценки:

Однако стоит учитывать некоторые особенности. Во-первых, он чувствителен к температуре: коэффициент пропускания составляет около 50% в диапазоне 2–14 мкм при температуре 45°C, при этом с ростом температуры до 100°C коэффициент пропускания умеренно снижается, а при 200°C германиевый кристалл становится поглощающим для падающего излучения и полностью непрозрачным. Поэтому германиевая оптика не подходит для условий работы при высоких температурах — инженерам и заказчикам следует учитывать этот факт. Вторым недостатком германия является его высокая плотность, что приводит к нежелательным проблемам с весом, которые необходимо учитывать при проектировании.

Наша инфракрасная германиевая оптика:

Hangzhou Shalom EO является глобальным поставщиком германиевой оптики. Имея опытные инженерные команды и производственные мощности, мы предлагаем различные германиевые оптические изделия, включая германиевые окна (Germanium (Ge) Windows), линзовые компоненты (Germanium (Ge) Lens Components), германиевые купола (Germanium (Ge) Lens Domes) диаметром до 300 мм и широкий выбор покрытий (АР-покрытия для 3–5 мкм, 8–12 мкм, BBAR-покрытия для 7–14 мкм, DLC-покрытия). Наша германиевая оптика подходит для применения как в MWIR, так и в LWIR диапазонах. Если вы заинтересованы, пожалуйста, посетите наш веб-сайт для получения дополнительной информации.

Related Products

Tags: Преимущества инфракрасной оптики из германия (Ge)

---