مواد للبصريات بالأشعة تحت الحمراء: من الجرمانيوم إلى نظارات الكالكوجينيد

مقدمة

تلعب بصريات الأشعة تحت الحمراء دورًا مهمًا في العديد من الأجهزة الحديثة. فهي موجودة في الكاميرات وأجهزة الاستشعار ومعدات الاتصالات. وعلى مر السنين، ازداد اختيار المواد المستخدمة في بصريات الأشعة تحت الحمراء. استخدمت الأنظمة المبكرة مواد مثل الجرمانيوم والسيليكون. وفي وقت لاحق، دخلت مواد مثل سيلينيد الزنك وفلوريد الكالسيوم في الصورة. واليوم، يتزايد استخدام نظارات الكالكوجينيد وغيرها من المواد المتقدمة. تقدم هذه المقالة مناقشة ودية حول هذه المواد.

خصائص المواد الرئيسية لبصريات الأشعة تحت الحمراء

عند اختيار مواد لنظام الأشعة تحت الحمراء، تبرز العديد من الخصائص. إحدى الخصائص المهمة هي الإرسال. يجب أن تسمح المواد بمرور ضوء الأشعة تحت الحمراء دون خسارة تذكر. على سبيل المثال، يمكن للجرمانيوم أن ينقل الأشعة تحت الحمراء بشكل جيد للغاية من حوالي 2 إلى 14 ميكرومتر. في المقابل، قد يتم حجب الضوء المرئي بواسطة نفس المادة. خاصية رئيسية أخرى هي معامل الانكسار. تحدد هذه القيمة كيفية انحناء الضوء عند دخوله إلى مادة ما. تسمح المواد ذات مؤشرات الانكسار الأعلى بتصميمات بصرية مدمجة.

خاصية أخرى هي التوصيل الحراري. قد تسخن أنظمة الأشعة تحت الحمراء، ويمكن للمادة الجيدة التعامل مع هذا الضغط. القوة الميكانيكية أمر بالغ الأهمية أيضًا. يجب ألا ينكسر المكون بسهولة تحت الضغط أو عندما يواجه تغيرات في درجة الحرارة. كما أن المتانة ومقاومة الخدش مهمان أيضاً. على سبيل المثال، يحتوي فلوريد الكالسيوم على معامل انكسار منخفض وينقل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء إلى حد بعيد، ولكنه ناعم ويجب التعامل معه بعناية.

وتضاف التكلفة والتوافر إلى قائمة عوامل الاختيار، فالمواد مثل السيليكون شائعة في صناعة أشباه الموصلات، مما يجعلها في الغالب أقل تكلفة. عند مقارنة الخيارات، يجب على المهندسين الموازنة بين الأداء البصري والاعتبارات المادية والاقتصادية.

الجرمانيوم والسيليكون: مواد الأشعة تحت الحمراء الكلاسيكية

لطالما استخدم الجرمانيوم والسيليكون في بصريات الأشعة تحت الحمراء التقليدية. ويفضل الجرمانيوم لأنه يحتوي على معامل انكسار عالٍ - حوالي 4 في منطقة الأشعة تحت الحمراء. كما أنه يتمتع بنفاذ ممتاز للأشعة تحت الحمراء من 2 ميكرومتر إلى ما يقرب من 14 ميكرومتر. هذه الخصائص جعلته بارزًا في كاميرات التصوير الحراري ومقاييس الطيف.

من ناحية أخرى، يمتلكالسيليكون معامل انكسار يقترب من 3.4 وهو معروف جيدًا في صناعة الإلكترونيات. في بصريات الأشعة تحت الحمراء، غالبًا ما تعمل أجزاء السيليكون في نطاق 1.2 إلى 6 ميكرومتر. وقد أدى توافره بدرجة نقاء عالية وما ينتج عنه من تكلفة منخفضة إلى استمرار استخدام السيليكون. وتستخدم العديد من التصميمات البصرية كلا المادتين. على سبيل المثال، تستخدم بعض أنظمة العدسات الجرمانيوم لتصحيح الانحرافات التي تدخلها عناصر السيليكون. وعلى الرغم من أن هاتين المادتين كانتا موجودتين منذ عقود، إلا أنه لا يزال يتم استخدامهما بسبب أدائهما المتوقع وسلوكهما المعروف على نطاق واسع من درجات الحرارة.

سيلينيد الزنك وفلوريد الكالسيوم في أنظمة الأشعة تحت الحمراء

سيلينيد الزنك وفلوريد الكالسيوم مهمان في تطبيقات محددة بالأشعة تحت الحمراء. يوفر سيلينيد الزنك امتصاصًا منخفضًا في منطقة الأشعة تحت الحمراء. ويغطي نطاق إرساله من 0.5 إلى أكثر من 20 ميكرومتر. وهذا النطاق الواسع يجعله مفيدًا في أجهزة تحليل الغاز والتصوير الحراري. ومن الحالات الشائعة في أنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون. وتسمح خصائصه الحرارية الجيدة لبصريات سيلينيد الزنك بالتعامل مع مستويات متفاوتة من الطاقة.

فلوريد الكالسيوم مادة رئيسية أخرى. فهي تنقل الضوء بشكل جيد من الأشعة فوق البنفسجية العميقة إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة - عادةً من 0.13 إلى 10 ميكرومتر. كما أن معامل انكسارها المنخفض يجعلها مناسبة للطلاءات المضادة للانعكاس. وتوجد عدسات فلوريد الكالسيوم في الكاميرات عالية الأداء والأجهزة البصرية فوق البنفسجية. وهناك تقليد قديم وموثوق في استخدام هذه المادة في الأنظمة البصرية التي تتطلب انتقالاً عاليًا وتشتتًا منخفضًا على نطاق واسع.

ويتطلب كل من سيلينيد الزنك وفلوريد الكالسيوم معالجة وصقل دقيقين. وهما أكثر هشاشة من الزجاج الشائع. في التطبيقات العملية، يقوم المهندسون بتصميم حوامل ومبيتات تقلل من خطر التلف. يعتمد الاختيار بين الاثنين غالبًا على نطاق الطول الموجي الدقيق والبيئة الحرارية التي ستعمل فيها البصريات.

نظارات الكالكوجينيد: مواد الأشعة تحت الحمراء المتقدمة

تمثل نظارات الكالكوجينيد الجيل الأحدث من المواد المستخدمة في بصريات الأشعة تحت الحمراء. وهي مصنوعة من عناصر مثل الكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم، ممزوجة بعناصر أخرى مثل الزرنيخ أو الجرمانيوم. وتتميز هذه النظارات بميزات فريدة. يمكن تصميمها لنقل الضوء بأطوال موجية تتراوح من حوالي 2 ميكرومتر إلى 20 ميكرومتر. وهذا النطاق أوسع من نطاق العديد من المواد البلورية.

ولأن نظارات الكالكوجينيد تتشكل في حالة زجاجية، يمكن تشكيلها في أشكال معقدة يصعب تحقيقها باستخدام البلورات. وتسمح هذه الخاصية في كثير من الأحيان بأنظمة بصرية أخف وزناً وأكثر إحكاماً. على سبيل المثال، تستخدم بعض الكاميرات الحرارية الحديثة عدسات الكالكوجينيد لبناء أخف وزناً وتجميع أبسط. كما أنها ذات قيمة في الألياف البصرية حيث تكون خصائص الإرسال المحددة ضرورية.

على الرغم من أنها توفر أداءً عاليًا، إلا أن نظارات الكالكوجينيد يمكن أن تكون أكثر حساسية للظروف البيئية. وقد تتطلب طلاءات واقية أو استخدامًا خاضعًا للرقابة لضمان ثباتها على المدى الطويل. وعلى مر السنين، أدت التحسينات في تركيبها إلى زيادة متانتها وأدائها العام. واليوم، تعد هذه النظارات خيارًا للأجهزة العلمية المتقدمة والتطبيقات التجارية على حد سواء.

اعتبارات اختيار المواد لبصريات الأشعة تحت الحمراء

إن اختيار المادة المناسبة للبصريات بالأشعة تحت الحمراء ليس مسألة واحدة تناسب الجميع. فهو يتطلب الموازنة بين عدة عوامل، بما في ذلك الأداء البصري والقوة الميكانيكية والتكلفة. يجب أن يبدأ المرء بالتطبيق. على سبيل المثال، قد تحتاج الكاميرا الحرارية المحمولة باليد إلى مواد تعمل على عدة دورات حرارة ومعالجة قاسية. من ناحية أخرى، قد يكون مقياس الطيف عالي الدقة أكثر تسامحًا تجاه التكلفة ولكنه يتطلب تشتتًا منخفضًا جدًا وجودة إرسال عالية.

ينظر المهندسون أيضًا إلى عوامل مثل سهولة التصنيع والتشغيل الآلي. مواد مثل السيليكون والجرمانيوم مفهومة جيدًا ومتاحة على نطاق واسع. وقد تمت دراسة سلوكها مع مرور الوقت بدقة في العديد من الأنظمة. وتحتاج المواد الأكثر تقدمًا مثل زجاج الكالكوجينيد إلى اعتبارات إضافية لعوامل مثل المقاومة البيئية طويلة الأجل أو الإجهاد في ظل الظروف القاسية. وغالبًا ما يؤدي طلاء الأسطح بطبقات واقية إلى تحسين متانتها.

وتلعب عملية التصنيع دورًا أيضًا. تتطلب بعض المواد صقل وتشطيب أكثر تفصيلاً للوصول إلى الوضوح البصري المطلوب. قد يؤدي النقص الطفيف إلى أخطاء في أداء الجهاز. وفي كثير من الحالات، تفرض التكلفة النسبية إيجاد توازن بين الأداء المتفوق والإنتاج الميسور التكلفة.

وغالبًا ما يعتمد الاختيار النهائي على المفاضلة: قد يكون من الصعب تصنيع أفضل المواد المناسبة للمهمة من وجهة نظر بصرية بشكل موثوق. وعلى العكس من ذلك، فإن بعض المواد تحقق الاتساق ومثبتة بشكل جيد في العديد من الأجهزة ولكنها قد لا تقدم الأداء المتطور المطلوب لبعض التطبيقات الجديدة. تتضمن عملية الاختيار اختبارات مكثفة في بيئات المحاكاة وتعديلات التصميم التكرارية.

ومع تحسن التكنولوجيا، يتزايد نطاق المواد المتاحة لبصريات الأشعة تحت الحمراء. ويساهم كل تطور جديد في أنظمة بصرية أكثر كفاءة وصغيرة الحجم وعالية الأداء. في عالم البصريات بالأشعة تحت الحمراء، الخبرة مهمة. فعلى مدى عقود، قام المهندسون والعلماء ببناء فهم قوي لهذه المواد. تساعد هذه المجموعة من المعرفة في توجيه الخيارات العملية التي تشكل الأجهزة المستخدمة يوميًا في الأبحاث والصناعة.

الأسئلة المتداولة

س: ما هي الخاصية الأساسية في اختيار مواد الأشعة تحت الحمراء؟
س: النقل أمر بالغ الأهمية؛ حيث يجب أن تمرر المواد ضوء الأشعة تحت الحمراء بأقل قدر من الفقد.

و: لماذا يشيع استخدام الجرمانيوم والسيليكون في بصريات الأشعة تحت الحمراء؟
س: توفران انتقالاً جيداً للأشعة تحت الحمراء وأداءً يمكن التنبؤ به وفعالية من حيث التكلفة.

و: كيف تختلف نظارات الكالكوجينيد عن المواد التقليدية؟
س: تسمح بنقل الطول الموجي المخصص ويمكن تشكيلها في أشكال معقدة.