ما هي المواد البصرية بالأشعة تحت الحمراء؟
تصنف المواد الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء عادة إلى ثلاث فئات رئيسية: الزجاج البصري بالأشعة تحت الحمراء، والبلاستيك البصري بالأشعة تحت الحمراء، والبلورات الضوئية بالأشعة تحت الحمراء.
1. الزجاج البصري بالأشعة تحت الحمراء
مزايا الزجاج البصري بالأشعة تحت الحمراء هي التوحيد البصري الجيد، ويمكن صهره ومعالجته بأي شكل تحت ظروف درجات الحرارة العالية لتلبية متطلبات المصمم للاستخدام. وفي الوقت نفسه، تتمتع هذه المادة بقوة ميكانيكية عالية وصلابة، وسهلة المعالجة، وثبات كيميائي عالي، ومقاومة للتآكل، ومقاومة التآكل، ومن السهل الحصول على المواد الخام وبتكلفة منخفضة. ومع ذلك، فهو ذو نطاق نقل ضيق وهو عرضة للانصهار والتلف تحت درجات الحرارة المرتفعة. ومن الأمثلة على ذلك نظارات الأكسيد ونظارات الكالكوجينيد.
يتم تصنيف الزجاج البصري بالأشعة تحت الحمراء بشكل عام إلى فئتين رئيسيتين: زجاج الأكسيد وزجاج الكالكوجينيد. تشمل نظارات الأكسيد الأكثر استخدامًا الياقوت (Al 2 O 3 ) والكوارتز (SiO 2 ). نظرًا لوجود نطاقات امتصاص قوية عند 3μm و7μm، فإن حد الطول الموجي الطويل لنفاذية زجاج الأكسيد ليس طويلًا، لذلك لا يمكن استخدامه إلا في الأطوال الموجية المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة والأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة. تشمل نظارات الكالكوجينيد الأكثر استخدامًا زجاج الجرمانيوم والزرنيخ والسيلينيوم (Ge 33 As 12 Se 44 ) وزجاج الجرمانيوم والأنتيمون والسيلينيوم (Ge 28 Sb 12 Se 60 ). تستبدل نظارات الكالكوجينيد الأكسجين بعناصر المجموعة السادسة S وSe وTe لتعزيز حد الطول الموجي الطويل، وهي مناسبة لنطاقات الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة والمتوسطة والطويلة الموجة.
2. البلاستيك البصري بالأشعة تحت الحمراء
تشمل المواد البلاستيكية الضوئية بالأشعة تحت الحمراء الشائعة البولي إيثيلين، والبولي بروبيلين، والبولي تترافلوروإيثيلين، وغيرها، وهي عبارة عن بوليمر عالي غير متبلور. ترجع النفاذية المنخفضة للمواد البلاستيكية في الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة إلى حقيقة أن نطاقات الامتصاص الاهتزازية الدورانية والشبكية لجزيئاتها تقع تمامًا في نطاق الموجة المتوسطة. يتمتع البلاستيك بشفافية أعلى في نطاقات الأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة. تتمتع المواد البلاستيكية الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء بالعديد من المزايا، مثل التكلفة المنخفضة، ومقاومة التآكل، ولا تذوب بسهولة في الماء. غالبًا ما تكون عدسات فريسنل في أجهزة إنذار الأشعة تحت الحمراء مصنوعة من مواد بلاستيكية تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة.
3. بلورات الأشعة تحت الحمراء الضوئية
بالنسبة للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء، هناك نوعان شائعان من المواد البلورية للأشعة تحت الحمراء: البلورات الأيونية وبلورات أشباه الموصلات. بالمقارنة مع الزجاج البصري بالأشعة تحت الحمراء، تتميز المواد البلورية بالأشعة تحت الحمراء بحدود نقل أطول للطول الموجي، واختلافات أكبر في رقم آبي ومعاملات معامل الانكسار، وخصائص فيزيائية وكيميائية متميزة. تشمل البلورات الأيونية الشائعة بلورات الأكسيد ومركبات الهاليد القلوية وهاليدات الأشعة تحت الحمراء. تشمل بلورات أشباه الموصلات الشائعة الجرمانيوم والسيليكون وكبريتيد الزنك وسيلينيد الزنك وما إلى ذلك. نظرًا للانعكاس العالي عادةً لبلورات أشباه الموصلات، تكون الطلاءات المضادة للانعكاس مطلوبة بشكل عام. فيما يلي نظرة عامة على بعض بلورات أشباه الموصلات شائعة الاستخدام.
الجرمانيوم لديه نطاق الطول الموجي من 1.8 إلى 23 ميكرومتر، ويبلغ قطر بلورات الجرمانيوم المفردة عادة حوالي 250 ملم. لديها استقرار كيميائي جيد. صلابة الجرمانيوم منخفضة، لذلك هناك حاجة إلى اهتمام خاص أثناء الإنتاج والمعالجة. ونظرًا لارتفاع معامل انكساره لدرجة الحرارة، لا يمكن استخدامه في درجة حرارة تتجاوز 150 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لارتفاع معامل الانكسار، يكون فقدان الطاقة المنعكسة كبيرًا، وهناك حاجة إلى طلاءات مضادة للانعكاس. يمكن استخدام الجرمانيوم في صناعة العدسات والنوافذ والمرشحات.
السيليكون عبارة عن مادة بلورية غير معدنية يتجاوز قطر البلورة الواحدة 150 ملم وقطر متعدد البلورات يصل إلى أكثر من 400 ملم. يتمتع السيليكون بمزايا كبيرة مقارنة بالجرمانيوم من حيث القوة والصلابة ومقاومة الصدمات الحرارية. الحد الأعلى لدرجة حرارة تشغيل السيليكون هو 325 درجة مئوية. يبلغ معامل الانكسار عمومًا حوالي 3.4، مما يتطلب طبقات مضادة للانعكاس. بالإضافة إلى استخدامه في العدسات والنوافذ، يمكن أيضًا استخدام السيليكون في الهدايا.
سيلينيد الزنك لديه نطاق طول موجي يتراوح من 0.5 إلى 24 ميكرومتر وهو مادة بصرية شائعة تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات خواص كيميائية مستقرة، ولكنها فيزيائية ناعمة نسبيًا، وتتطلب عادةً ترسيب طبقات عالية القوة مضادة للانعكاس، والتي يمكن استخدامها للعدسات والنوافذ.
يمتلك كبريتيد الزنك نطاقًا موجيًا يتراوح من 0.4 إلى 18 ميكرومتر ويظهر لونًا أصفر فاتحًا تحت ضوء الشمس. تتم معالجته عادة عن طريق ترسيب البخار لاستخدامه في العدسات والنوافذ والهدية. يوفر الجدول 1.0 معامل الانكسار للبلورة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء في نطاقات مختلفة.
بالنسبة للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء، فإن اختيار مواد الأشعة تحت الحمراء لا يقل أهمية عن الهيكل الأولي. عند اختيار المواد، يجب على المصممين أولاً الرجوع إلى المعلومات ذات الصلة، وتحليل خصائص كل مادة من الجوانب البصرية والميكانيكية والكيميائية وغيرها، واتخاذ خيارات معقولة بناءً على بيئة التشغيل الفعلية للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء مع تلبية متطلبات التصميم. بشكل عام، هناك عدد أقل من المواد الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء والتي تأخذ النقاط المذكورة أعلاه في الاعتبار في نفس الوقت.
عند اختيار المواد، من الضروري ملاحظة أن معلمات الأداء الأعلى للمادة ليست دائمًا أفضل، وأن المعلمات الأقل ليست بالضرورة مفضلة. على سبيل المثال، تحتاج المرايا العاكسة إلى مواد ذات انعكاسية عالية، بينما تحتاج العدسات إلى مواد ذات انعكاسية منخفضة ونفاذية عالية؛ تتطلب نوافذ كاشفات الأشعة تحت الحمراء المبردة مواد ذات معامل انكسار منخفض. تحتاج المواد المستخدمة في مقسم الشعاع إلى رقم آبي منخفض لتحقيق تشتت عالي، وتتطلب العدسة المزدوجة مزيجًا من المواد ذات رقم آبي المنخفض والعالي.