Das richtige Material für Infrarot-Anwendungen

Grundlagen: Infrarotlicht | Bedeutung des richtigen Materials | Auswahl des richtigen Materials | Vergleich IR-Substrate

Grundlagen zum Infrarotlicht (IR)

Infrarot (IR)-Strahlung ist durch Wellenlängen im Bereich von 0,750 -1000 μm (750 - 1.000.000 nm) gekennzeichnet. Aufgrund der begrenzten Reichweite des Detektors wird die IR-Strahlung oft in drei kleinere Bereiche unterteilt: 0,750 - 3 μm, 3 - 30 μm und 30 - 1000 μm – definiert als Nahinfrarot (NIR), Mittelinfrarot (MWIR) bzw. Ferninfrarot (FIR) (Abbildung 1). Infrarot-Produkte werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Erkennung von IR-Signalen in der Wärmebildtechnik bis zur Elementidentifikation in der IR-Spektroskopie. Mit dem wachsenden Bedarf an IR-Anwendungen und dem technologischen Fortschritt haben die Hersteller begonnen, IR-Materialien bei der Konstruktion von Planoptiken (d. h. Fenster, Spiegel, Polarisatoren, Strahlteiler, Prismen), sphärischen Linsen (d. h. plankonkav/-konvex, doppelkonkav/-konvex, Meniskus), Asphären (parabolisch, hyperbolisch, hybrid), Achromaten und Baugruppen (d. h. Bildverarbeitungslinsen, Strahlaufweiter, Okulare, Objektive) zu verwenden. Diese IR-Materialien, oder -Substrate, unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften. Wer die Vorteile der einzelnen Materialien kennt, kann das richtige Material für die jeweilige IR-Anwendung auswählen.

Abbildung 1: Elektromagnetisches Spektrum

Die Bedeutung der Verwendung des richtigen Materials

Da infrarotes Licht aus längeren Wellenlängen besteht als sichtbares Licht, verhalten sich die beiden Bereiche bei der Ausbreitung durch dasselbe optische Medium unterschiedlich. Einige Materialien können sowohl für IR- als auch für sichtbare Anwendungen verwendet werden, vor allem Quarzglas, BK7 und Saphir; die Leistung eines optischen Systems kann jedoch durch die Verwendung von Materialien optimiert werden, die für die jeweilige Aufgabe besser geeignet sind. Um dieses Konzept zu verstehen, sind Transmission, Brechungsindex, Dispersion und Gradientenindex zu berücksichtigen. Ausführlichere Informationen zu Spezifikationen und Eigenschaften finden Sie unter Optisches Glas.

Transmission

Die wichtigste Eigenschaft, die jedes Material definiert, ist die Transmission. Die Transmission ist ein Maß für den Durchsatz und wird in Prozent des einfallenden Lichts angegeben. IR-Materialien sind in der Regel im sichtbaren Bereich undurchsichtig, während sichtbare Materialien in der Regel im IR-Bereich undurchsichtig sind; mit anderen Worten, sie weisen in diesen Wellenlängenbereichen nahezu 0 % Transmission auf. Betrachten Sie zum Beispiel Silizium, das zwar IR, aber kein sichtbares Licht durchlässt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Transmissionskurve für unbeschichtetes Silizium

Brechungsindex

Während es hauptsächlich die Transmission ist, die ein Material entweder als IR- oder als sichtbares Material klassifiziert, ist ein weiteres wichtiges Attribut der Brechungsindex (n_d). Der Brechungsindex ist das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Materials. Er ist ein Mittel zur Quantifizierung des Effekts der „Verlangsamung“ des Lichts, wenn es von einem Medium mit niedrigem Index in ein Medium mit hohem Index eintritt. Außerdem ist er ein Indikator dafür, wie viel Licht gebrochen wird, wenn es schräg auf eine Oberfläche trifft, wobei mit zunehmendem n_d mehr Licht gebrochen wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Lichtbrechung von einem Medium mit niedrigem Index zu einem Medium mit hohem Index

Der Brechungsindex reicht von etwa 1,45 - 2 für sichtbare Materialien und 1,38 - 4 für IR-Materialien. In vielen Fällen besteht eine positive Korrelation zwischen Brechungsindex und Dichte, was bedeutet, dass IR-Materialien schwerer sein können als sichtbare Materialien. Ein höherer Brechungsindex bedeutet jedoch auch, dass eine beugungsbegrenzte Leistung mit weniger Linsenelementen erreicht werden kann – was das Gesamtgewicht und die Kosten des Systems reduziert.

Dispersion

Die Dispersion ist ein Maß dafür, wie stark sich der Brechungsindex eines Materials in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändert. Sie bestimmt auch die Trennung der Wellenlängen, die als chromatische Aberration bekannt ist. Quantitativ ist die Dispersion invers durch die Abbe-Zahl (vd) gegeben, die eine Funktion des Brechungsindex eines Materials bei den Wellenlängen f (486,1 nm), d (587,6 nm) und c (656,3 nm) ist (Gleichung 1).

(1)$$ v_d = \frac{n_d - 1}{n_f - n_c} $$

Materialien mit einer Abbe-Zahl größer als 55 (weniger dispersiv) werden als Kronmaterialien und solche mit einer Abbe-Zahl kleiner als 50 (stärker dispersiv) als Flintmaterialien bezeichnet. Die Abbe-Zahl für sichtbare Materialien reicht von 20 bis 80, während die Abbe-Zahl für IR-Materialien von 20 bis 1000 reicht.

Indexgradient

Der Brechungsindex eines Mediums ändert sich mit der Änderung der Temperatur. Dieser Indexgradient (dn/dT) kann beim Betrieb in instabilen Umgebungen problematisch sein, insbesondere wenn das System für einen Wert von n ausgelegt ist. Leider sind IR-Materialien typischerweise durch größere Werte von dn/dT gekennzeichnet als sichtbare Materialien (vergleichen Sie N-BK7, das im sichtbaren Bereich verwendet werden kann, mit Germanium, das nur im IR transmittiert, in der Tabelle der wichtigsten Materialeigenschaften im Vergleich IR-Substrate).

So wählen Sie das richtige Material aus

Bei der Auswahl des richtigen IR-Materials gibt es drei einfache Punkte zu beachten. Der Auswahlprozess ist einfacher, weil es eine viel kleinere praktische Auswahl an Materialien für die Verwendung im Infrarotbereich im Vergleich zum sichtbaren Bereich gibt, allerdings sind diese Materialien aufgrund der Herstellungs- und Materialkosten tendenziell auch teurer.

Thermische Eigenschaften – Häufig werden optische Materialien in Umgebungen eingesetzt, in denen sie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Ein häufiges Problem bei IR-Anwendungen ist außerdem ihre Tendenz, eine große Menge an Wärme zu erzeugen. Um sicherzustellen, dass der Anwender die gewünschte Leistung erhält, sollten der Indexgradient und der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) eines Materials beurteilt werden, Der CTE ist die Rate, mit der sich ein Material bei einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht. Germanium hat zum Beispiel einen sehr hohen Indexgradienten, der bei Verwendung in einer thermisch flüchtigen Umgebung die optische Leistung beeinträchtigen kann.
Transmission – Verschiedene Anwendungen arbeiten in unterschiedlichen Bereichen des IR-Spektrums. Bestimmte IR-Substrate schneiden in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge besser ab (Abbildung 4). Wenn das System zum Beispiel im MWIR-Bereich arbeiten soll, ist Germanium eine bessere Wahl als Saphir, das im NIR-Bereich gut funktioniert.
Brechungsindex – IR-Materialien variieren in Bezug auf den Brechungsindex viel stärker als Materialien für den sichtbaren Bereich, was mehr Variationen im Systemdesign ermöglicht. Im Gegensatz zu Materialien für den sichtbaren Bereich (z. B. N-BK7), die im gesamten sichtbaren Spektrum gut funktionieren, sind IR-Materialien oft auf ein kleines Band innerhalb des IR-Spektrums beschränkt, insbesondere wenn Antireflexionsschichten aufgetragen werden.

Abbildung 4: Infrarot-Substratvergleich (Wellenlängenbereich für N-BK7 ist repräsentativ für die Mehrzahl der für sichtbare Wellenlängen verwendeten Substrate wie B270, N-SF11, BOROFLOAT® usw.)

Vergleich IR-Substrate

Obwohl es Dutzende von IR-Materialien gibt, wird nur eine Handvoll davon vorwiegend in der Optik-, Bildgebungs- und Photonikindustrie zur Herstellung von Standardkomponenten verwendet. Kalziumfluorid, Quarzglas, Germanium, Magnesiumfluorid, N-BK7, Kaliumbromid, Saphir, Silizium, Natriumchlorid, Zinkselenid und Zinksulfid haben jeweils ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften, die sie voneinander unterscheiden und sie für bestimmte Anwendungen geeignet machen. Die folgenden Tabellen liefern einen Vergleich einiger häufig verwendeter Substrate.

Wichtige IR-Material-Eigenschaften
Name	Brechungsindex (n_d)	Abbe-Zahl (v_d)	Dichte (g/cm³)	CTE (x 10^-6/°C)	dn/dT (x 10^-6/°C)	Knoop-Härte
Kalziumfluorid (CaF₂)	1,434	95,1	3,18	18,85	-10,6	158,3
Quarzglas	1,458	67,80	2,2	0,55	11,9	500
Germanium (Ge)	4,003	N/A	5,33	6,1	396	780
Magnesiumfluorid (MgF₂)	1,413	106,2	3,18	13,7	1,7	415
N-BK7	1,517	64,2	2,46	7,1	2,4	610
Kaliumbromid (KBr)	1,527	33,6	2,75	43	-40,8	7
Saphir	1,768	72,2	3,97	5,3	13,1	2200
Silizium (Si)	3,422	N/A	2,33	2,55	160	1150
Natriumchlorid (NaCl)	1,491	42,9	2,17	44	-40,8	18,2
Zinkselenid (ZnSe)	2,403	N/A	5,27	7,1	61	120
Zinksulfid (ZnS)	2,631	N/A	5,27	7,6	38,7	120

IR-Material-Vergleich
Name	Eigenschaften / Typische Anwendungen
Kalziumfluorid (CaF₂)	Geringe Absorption, hohe Homogenität des Brechungsindex
Kalziumfluorid (CaF₂)	Einsatz in Spektroskopie, Halbleiterverarbeitung, gekühlte Wärmebildgebung
Quarzglas	Geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient, sehr gute IR-Transmission
Quarzglas	Einsatz in Interferometrie, Laserinstrumenten, Spektroskopie
Germanium (Ge)	Hoher n_d, hohe Knoop-Härte; ausgezeichnete Transmission von MWIR-FIR
Germanium (Ge)	Einsatz in thermischer Bildgebung, Infrarotbildgebung in rauer Umgebung
Magnesiumfluorid (MgF₂)	Hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient, niedriger Brechungsindex; gute Transmission von VIS-MWIR
Magnesiumfluorid (MgF₂)	Einsatz in Fenstern, Linsen und Polarisationsfiltern, die keine Antireflexionsbeschichtung benötigen
N-BK7	Kostengünstiges Material, funktioniert gut in sichtbaren und NIR-Anwendungen
N-BK7	Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung und Industrieanwendungen
Kaliumbromid (KBr)	Widerstandsfähig gegen mechanische Einwirkungen, wasserlöslich, breites Transmissionsspektrum
Kaliumbromid (KBr)	Einsatz in FTIR-Spektroskopie
Saphir	Sehr widerstandsfähig, gute IR-Transmission
Saphir	Einsatz in IR-Lasersystemen, Spektroskopie und Instrumenten für raue Umgebungen
Silizium (Si)	Kostengünstig, geringes Gewicht
Silizium (Si)	Einsatz in Spektroskopie, MWIR-Lasersystemen, THz-Bildgebung
Natriumchlorid (NaCl)	Wasserlöslich, kostengünstig, hervorragende Transmission von 250 nm bis 16 μm, empfindlich bei thermischem Schock
Natriumchlorid (NaCl)	Einsatz in FTIR-Spektroskopie
Zinkselenid (ZnSe)	Geringe Absorption, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock
Zinkselenid (ZnSe)	CO₂-Lasersysteme und thermische Bildgebung
Zinksulfid (ZnS)	Ausgezeichnete Transmission von VIS-IR, härter und höhere chemische Beständigkeit als ZnSe
Zinksulfid (ZnS)	Einsatz in der thermischen Bildgebung

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