كيف تختار ورقة النافذة البصرية المناسبة لمشروعك؟

مقدمة

قطعة النافذة البصرية هي عنصر بصري ينقل الضوء وعادة ما تكون مصنوعة من مواد شفافة مثل الزجاج والكوارتز والزجاج البصري العادي. ويتمثل دورها الرئيسي في حماية المكونات داخل المعدات ونقل الإشارات البصرية. في المعدات البصرية، غالبًا ما تُستخدم النوافذ البصرية لحماية العدسات والمرشحات والألياف البصرية والمكونات الأخرى من التلوث البيئي الخارجي والأضرار المادية، مثل الغبار والمطر والأكسدة وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للنوافذ الضوئية أيضًا ضبط التدفق الضوئي والطيف، للتكيف مع احتياجات المناسبات المختلفة، والتحكم في اتجاه وزاوية سقوط شعاع الضوء وضبطها.

الشكل.1 صفائح النوافذ الضوئية المختلفة

تضع سيناريوهات التطبيقات المختلفة متطلبات متناقضة تقريبًا على صفائح النوافذ الضوئية - للحفاظ على نفاذية بصرية ممتازة مع تحمل البيئات القاسية. في المركبات الفضائية، يجب أن تتحمل الأشعة الكونية والاختلافات الحادة في درجات الحرارة؛ وفي مسابير أعماق البحار، يجب أن تتحمل ضغط الماء العالي جدًا وتآكل رذاذ الملح؛ وفي المناظير الطبية، من الضروري ضمان السلامة البيولوجية مع تحقيق تصوير دقيق. هذا التوازن بين متطلبات الأداء متعدد الأبعاد يجعل من اختيار المواد القضية الأساسية في تصميم صفائح النوافذ البصرية، ويتحكم العلماء في البنية البلورية وعملية الطلاء والاستقرار الكيميائي للمواد بحيث يمكن تكييف كل قطعة من "حارس الشفافية" بشكل مثالي مع التحديات الفريدة لسيناريوهات التطبيق الخاصة بها.

وعلى وجه التحديد، تتطلب أشعة الليزر عالية الطاقة نوافذ من الياقوت التي يمكنها تحمل درجات الحرارة والإشعاع العالية. وتعتمد أجهزة الكشف في أعماق البحار على زجاج الياقوت الأزرق لمقاومته للضغط والتآكل، بينما تستخدم المناظير الطبية بلورات فلوريد الكالسيوم لتوافقها الحيوي الممتاز. من التقاط ضوء النجوم في التلسكوبات الفضائية إلى تحليل الهياكل الخلوية في المجاهر، ومن الألواح الشمسية إلى أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء، يرتبط علم المواد والتصميم الوظيفي لصفائح النوافذ البصرية ارتباطًا جوهريًا بدقة المعدات البصرية الحديثة وثباتها وطول عمرها.

الشكل 2 مبدأ النوافذ البصرية

عوامل يجب مراعاتها عند اختيار صفائح النوافذ البصرية

نوع المادة

يتطلب اختيار المواد المستخدمة في صفائح النوافذ البصرية مزيجًا من الأداء البصري والمقاومة البيئية والقوة الميكانيكية وفعالية التكلفة. الزجاج البصري (مثل BK7، السيليكا المنصهرة) هو الخيار المفضل لسيناريوهات الأغراض العامة بسبب نفاذيته العالية (التي تغطي نطاقات الطول الموجي المرئي إلى نطاقات الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء) والقدرة على تحمل التكاليف، ولكن مقاومته لدرجات الحرارة (عادةً ما تكون أقل من 500 درجة مئوية) ومقاومته للصدمات محدودة. ويحقق زجاج الكوارتز نفاذية واسعة الطيف للأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء من خلال السيليكا فائقة النقاء، كما أن مقاومته لدرجات الحرارة العالية (>1000 درجة مئوية) ومقاومته للصدمات الحرارية تجعله مناسبًا للسيناريوهات القاسية مثل الليزر عالي الطاقة ونوافذ مراقبة المركبات الفضائية. ويتميز الياقوت (الألومينا الأحادية البلورة) بصلابته في موس (الدرجة 9)، والتي تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس، وقدرته على نقل الضوء من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (0.15-5.5 ميكرومتر)، والتي تستخدم عادة في مسابير أعماق البحار والبصريات المدرعة والبيئات عالية التآكل. ومع ذلك، يجب تحسين معامل الانكسار العالي الخاص بها عن طريق الطلاء لتقليل الخسائر العاكسة. لا يمكن الاستغناء عن البلاستيك الهندسي (مثل الكمبيوتر الشخصي، PMMA) في سيناريوهات الطلب الخفيف مثل عدسات الطائرات بدون طيار والأجهزة القابلة للارتداء نظرًا لمزاياها الخفيفة الوزن والمقاومة للصدمات والقابلة للحقن، ولكن مقاومتها لدرجات الحرارة (عادةً أقل من 120 درجة مئوية) ومقاومتها الكيميائية تحد من التطبيقات المتطورة. وتتطلب السيناريوهات الخاصة أيضًا مواد مخصصة: على سبيل المثال، تهيمن بلورات فلوريد الكالسيوم على المناظير الطبية بسبب توافقها الحيوي وخصائصها في النفاذية بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة، بينما يتم تخصيص سيلينيد الزنك لنافذة الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة لأنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون. ويتمثل جوهر اختيار المواد في مطابقة المتطلبات الأساسية - التضحية بالقوة الميكانيكية في السعي لتحقيق أقصى قدر من نقل الضوء، وموازنة التكلفة مع المقاومة البيئية - وتعمل تقنيات الطلاء الحديثة على دفع حدود أداء المواد.

الشكل 3 زجاج بصري ذو نقل ضوئي عالٍ للضوء

السُمك

تُعد سماكة صفيحة النافذة البصرية متغيرًا رئيسيًا في خصائص اقتران القوة الضوئية للمادة. في بُعد القوة الميكانيكية، يتبع السُمك معادلة انحراف الصفيحة الرقيقة في ميكانيكا المواد (δ ∝ P-L³/(E-t³))، وتتناسب قوة الانثناء عكسيًا مع مكعب السُمك، مما يعني أن زيادة السُمك بنسبة 25% في السُمك تحسن مقاومة التشوه بحوالي 95%، ولكنها تؤدي أيضًا إلى زيادة خطية في الوزن. في بُعد الأداء البصري، يؤثر السمك بشكل مباشر على طول الانتقال البصري - عندما يتجاوز سمك لوح النافذة λ/(2Δn) (λ هو الطول الموجي، Δn هو عدم تجانس معامل الانكسار)، قد تحدث انحرافات في الواجهة الموجية، خاصة في أنظمة الليزر عالية الطاقة، حيث تؤدي السماكة الزائدة إلى تفاقم تأثير العدسة الحرارية (معادلة التركيز الحراري، f ∝κ-t/(α-P). (حيث κ هي الموصلية الحرارية، و α هي معامل الامتصاص، و P هي القدرة). من ناحية أخرى، تُظهر النفاذية علاقة غير خطية: وفقًا لقانون بير-لامبرت، النفاذية T = (1-R)²-ه^ (-αt) (R هو انعكاس السطح)، وتؤدي زيادة السماكة إلى تضخيم تأثير الامتصاص الجوهري للمادة (الحد α)، على سبيل المثال، تنخفض نفاذية السيليكا المنصهرة بسمك 5 مم في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (200 نانومتر) بنسبة تصل إلى 40% مقارنةً بسماكة 1 مم. ولذلك، فإن تحسين السماكة هو في الأساس حل باريتو الأمثل بين قوة الانضغاط والتحكم في الانحراف وكفاءة نقل الضوء.

الشكل 4 صفائح نافذة الكوارتز بسماكات مختلفة

في سيناريوهات الضغط القصوى (مثل الغاطسة تحت الماء بعمق 5000 متر)، تحتاج صفائح النوافذ إلى تلبية معادلة قوة الانضغاط P_collapse = K-E/(1-ν²) -(t/D)² (K هو عامل الشكل، ν هو نسبة بواسون، D هو القطر)، وعادةً ما تستخدم صفائح الكوارتز أحادية البلورية بسماكة تصل إلى 8-15 مم، وقوتها الانضغاطية 3.2 جيجا باسكال مع تصميم عالي السماكة لتحمل ضغط هيدروستاتيكي 60 ميجا باسكال. في حين أن النظام البصري القياسي (مثل نافذة حماية العدسة المجهرية الموضوعية) يتبع مبدأ التخفيف، فإن استخدام سماكة 1-3 مم من الزجاج البصري BK7، ليس فقط لتلبية متطلبات تسطيح السطح λ/4 (القيمة الكهروضوئية <0.5 ميكرومتر)، ولكن أيضًا للتحكم في وزن حمل النظام في حدود 0.5%. بالنسبة إلى ليزر CO₂ عالي الطاقة (الطول الموجي 10.6 ميكرومتر)، تصبح نوافذ سيلينيد الزنك بسمك 0.5-1 مم قياسية؛ وهو سمك يتحكم في كل من إزاحة التركيز المستحث حراريًا في حدود 10% من طول رايلي (Z_R = πω₀²/λ) ويضمن انتقالًا >99% (يتحقق بواسطة الطلاءات المضادة للانعكاس ذات الطول الموجي 1/4). في الفضاء الجوي، يأخذ اختيار السُمك أيضًا أوضاع الاهتزازات في الاعتبار: نوافذ السيليكا المنصهرة للحمولات البصرية النموذجية للأقمار الصناعية النموذجية بسُمك 2 مم بحيث يتجنب تردد الرنين من الدرجة الأولى نطاق الاهتزازات عريض النطاق الذي يتراوح بين 20 و2000 هرتز في إطلاق الصواريخ. ويعكس هذا التخصيص الدقيق للسماكة ذكاء التصميم عبر النطاقات بدءاً من الخصائص الجوهرية للمواد إلى الهندسة على مستوى النظام.

الخصائص البصرية

تشكل النفاذية والامتصاصية والانعكاسية لصفائح النوافذ الضوئية "المثلث الذهبي" لأدائها البصري، والتي تحدد معًا كفاءة إرسال الإشارة الضوئية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام. وفقًا لقانون بيل لامبرت، النفاذية T = (1-R)2e-αtT = (1-R)2e-αt (RR للانعكاسية، αα لمعامل الامتصاص، tt للسمك)، عندما يجب أن يكون نطاق الأشعة فوق البنفسجية (200-400 نانومتر) > 90٪ نفاذية السيليكا المنصهرة (α <0.1 سم-¹ @ 200 نانومتر) وفلوريد الكالسيوم يصبحان الخيار المفضل، بينما يتم التخلص من الزجاج البصري العادي في هذا النطاق بسبب قمم الامتصاص الناتجة عن شوائب الأيونات الحديدية (α>1 سم-¹). بالنسبة لنافذة الأشعة تحت الحمراء (3-12 ميكرومتر)، يحافظ سيلينيد الزنك على امتصاص منخفض α <0.02 سم-¹ في الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (8-12 ميكرومتر)، بينما يتمتع الجرمانيوم بنفاذية فائقة (>99% عند 10.6 ميكرومتر) ولكن معامل الامتصاص الحساس لدرجة الحرارة (α ينمو أسيًا مع درجة الحرارة) يتطلب استخدام التبريد الكهروحراري.

في مجال الحماية من الأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية)، تُستخدم ركائز السيليكا المنصهرة مع طلاء مضاد للانعكاس MgF₂ (انعكاسية <0.5% @193 نانومتر)، بينما يتم التحكم في محتوى الهيدروكسيل بدقة (<1 جزء في المليون) لكبح نطاق الامتصاص عند 248 نانومتر. غالبًا ما تكون النوافذ المرئية (مثل عدسات الكاميرات) مصنوعة من زجاج BK7 (نفاذية >92% @ 400-700 نانومتر) مع طلاء معزز عريض النطاق (انعكاسية <0.3%)، ويتم الحفاظ على الامتصاصية عند <0.1% من خلال التحكم في تركيز شوائب Ce³+. بالنسبة لنظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، يتم اختيار المواد بدقة وفقًا لنطاق العمل: يتم استخدام رقاقة السيليكون للأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (SWIR، 1-3 ميكرومتر) (النفاذية >50%)، ويستخدم الياقوت للأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (MWIR، 3-5 ميكرومتر) (يلزم إجراء تلميع خاص لجعل خشونة السطح أقل من 5 نانومتر لتقليل فقد التشتت)، وترسيب البخار الكيميائي (CVD) الذي ينمو كبريتيد الزنك (ZnS) هو المعيار للأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (LWIR، 8-14 ميكرومتر). كبريتيد الزنك (ZnS). بالنسبة للأنظمة كاملة الطيف (على سبيل المثال، أجهزة قياس الطيف الضوئي)، يتم دمج فلوريد المغنيسيوم (منطقة الأشعة فوق البنفسجية) والسيليكا المنصهرة (المنطقة المرئية) وفلوريد الباريوم (منطقة الأشعة تحت الحمراء) في نافذة مركبة من خلال تقنية تكديس متعدد الطبقات، مع مطابقة سماكة الطبقات بصريًا وفقًا لـ d=λ/(4n)d=λ/(4n).

الجدول 1 أداء النافذة الضوئية ثالوث الأداء البصري الأساسي وتكييف الطول الموجي

الخواص البصرية والقوة الميكانيكية

يعد تحسين أداء صفائح النوافذ الضوئية مجالاً متعدد المجالات الفيزيائية المقترنة بالهندسة الدقيقة التي يبدأ جوهرها بالخصائص البصرية وعمق المعلمات الجوهرية للمادة الرابطة - النفاذية والامتصاصية والانعكاسية لتكوين "مثلث الطاقة الضوئية" الذي يحدد مباشرةً حدود نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام. في الطباعة الليثوغرافية بالأشعة فوق البنفسجية، تصبح السيليكا المنصهرة حجر الزاوية في المسار البصري للأشعة فوق البنفسجية الأوروبية من خلال نفاذية >99% عند 193 نانومتر (α <0.1 سم-¹) وانعكاسها الذي يتم تخفيضه إلى 0.2% بواسطة طلاء MgF₂؛ بينما يعتمد نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء على النفاذية الجوهرية لسيلينيد الزنك التي تبلغ >70% في نطاق 8-12 ميكرومتر، وفقدان الانعكاس السطحي المكبوت إلى <0.5 ميكرومتر بواسطة طلاء غشاء الماس. يتم كبح فقدان الانعكاس السطحي إلى <0.5% بواسطة طلاء الماس. تعمل جودة السطح، باعتبارها الواجهة الأولى لنقل الطاقة الضوئية، على تشكيل أداء النظام بدقة نانومترية: تتطلب نوافذ جيروسكوب الليزر تسطيح السطح إلى λ/20 (PV <15nm) للحفاظ على <0.001λ انحراف الواجهة الموجية، والأسطح التي يتم التحكم في خدشها من الفئة 0 وفقًا لمعيار MIL-PRF-13830B، مما يتيح لأنظمة الليزر عالية الطاقة تجاوز عتبة الضرر البالغة 50 جول/سم²؛ حيث إن نافذة الياقوت مصقولة مغناطيسيًا إلى خشونة 0.3 نانومتر RMS، ومع طلاء شبيه الماس المترسب بالشعاع الأيوني (DLC)، فإنها تحقق >10⁹ دورات احتكاك للحماية من الخدش في بيئة الرمال والغبار المريخي. فيما يتعلق بالبعد الميكانيكي، يجب مزامنة اختيار المواد لكسر المعادلة الميكانيكية ووظيفة التآكل البيئي:يصبح الياقوت (بلورة واحدةAl₂O₃) الخيار الأول لنوافذ مراقبة مسبارأعماق البحار بصلابة موس 9 و 3.2 جيجا باسكال، ويتحكم تصميمه الهندسي النصف كروي في التشوه تحت ضغط هيدروستاتيكي 60 ميجا باسكال إلى ＜ 5 ميكرومتر من خلال صيغة توزيع الضغط σ=Pr/(2t)؛ ويعتمد نظام البصريات الفضائية على زجاج CTE ≈ 0.05×10-⁶/°ج درجة مئوية ULE، ويكون الإجهاد البيني لهيكل دعم النافذة - النافذة <10MPa في تغير درجة الحرارة من -150 ~+100 درجة مئوية بواسطة تقنية مطابقة CTE على المستوى الجزيئي. في مواجهة الهجوم متعدد البيئة، قامت الهندسة السطحية الحديثة ببناء نظام دفاع متعدد الأبعاد: ترسيب البخار الكيميائي المحسّن بالبلازما (PECVD) من فيلم HfO₂₂/Al ₂O₃ متعدد الطبقات يمكن أن يحافظ على عمر وقائي يزيد عن 5 سنوات في السائل المتآكل ذي الرقم الهيدروجيني = 0 ~ 14؛ طلاء مركب كاره للماء ومقاوم للماء مع بنية عين مركبة بيونية (زاوية التلامس >160 درجة، ومقاومة السطح <1kΩ/مربع) تمكّن الكرة الكهروضوئية للطائرة بدون طيار من تحقيق التصاق صفري للقطرات في الغابات الاستوائية المطيرة؛ والطبقة المضادة للانعكاس عريضة السطح فائقة السطح على أساس مبدأ الضوئيات غير الحرارية (الانعكاس <01% @ 400- 1600 نانومتر) تحوّل المصباح الكهروضوئي غير الحراري إلى طبقة مضادة للانعكاس 1600 نانومتر)، مما يدفع الاستفادة من الطاقة الضوئية للنوافذ الضوئية إلى الحد النظري البالغ 99.9%.

الجدول 2 معلمات الأداء ونطاق التكيف

صفائح النوافذ الضوئية من عدة مواد

صفائح نافذة سيليكون

السيليكون مناسب للاستخدام في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة في منطقة 1.2-8 ميكرومتر. ونظرًا لأن السيليكون يتميز بكثافة منخفضة (كثافته نصف كثافة مواد الجرمانيوم أو سيلينيد الزنك)، فهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات التي تكون فيها متطلبات الوزن حساسة، خاصة في نطاق 3-5 ميكرومتر. يتميز السيليكون بصلابة Knoop التي تبلغ 1150، وهي أكثر صلابة من الجرمانيوم وليست هشة مثل الجرمانيوم. ومع ذلك، فهو غير مناسب لتطبيقات الإرسال في ليزر ثاني أكسيد الكربون بسبب نطاق الامتصاص القوي عند 9 ميكرومتر.

الكريستال الأحادي السيليكون (Si) هو مادة خاملة كيميائيًا صلبة وغير قابلة للذوبان في الماء. وتتمتع بنفاذ جيد للضوء في نطاق 1.2 -7 ميكرومتر، كما أنها تتمتع بنفاذ جيد للضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة من 30-300 ميكرومتر، وهي ليست من خصائص مواد الأشعة تحت الحمراء الأخرى. وعادةً ما تُستخدم بلورة السيليكون (Si) الأحادية كركيزة للنوافذ الضوئية والمرشحات الضوئية بالأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة 3 -5 ميكرومتر. وبسبب الموصلية الحرارية الجيدة للمادة وكثافتها المنخفضة، غالباً ما تستخدم في إنتاج مرايا الليزر وأكثر حساسية لوزن حجم المناسبة. عدسات أو نوافذ السيليكون، استخدام الكريستال الأحادي السيليكوني من الدرجة البصرية، نطاق القطر هو: 5 ~ 260 مم، ودقة السطح عادة ما تصل إلى 40/20، وتسطيح السطح يصل إلى: λ/10 @ 633 نانومتر (نسبة سمك العدسة إلى قطر العدسة لتتوافق مع نسبة المعالجة).

الشكل 5 ورقة نافذة Si

ورقة نافذة Ge

تتمتع مواد الجرمانيوم بمعامل انكسار عالٍ جدًا (حوالي 4.0 في النطاق 2-14 ميكرومتر)، وعند استخدامها كزجاج نافذة، يمكن طلاؤها حسب الحاجة لزيادة النفاذية في النطاق المقابل. وعلاوة على ذلك، فإن خصائص نفاذية الجرمانيوم حساسة للغاية للتغيرات في درجة الحرارة (تنخفض النفاذية مع زيادة درجة الحرارة) لذلك لا يمكن استخدامها إلا في درجات حرارة أقل من 100 ℃. وتؤخذ كثافة الجرمانيوم (5.33 جم/سم3) في الاعتبار في تصميم الأنظمة ذات المتطلبات الصارمة للوزن. وتتميز نوافذ الجرمانيوم بنطاق إرسال واسع (2-16 ميكرومتر) وهي غير شفافة في النطاق الطيفي المرئي، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات الليزر بالأشعة تحت الحمراء. وتبلغ صلابة كنوب للجرمانيوم 780، أي ضعف صلابة فلوريد المغنيسيوم تقريبًا، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات في مجال الأشعة تحت الحمراء للبصريات المتغيرة.

نظرًا لأن Ge لديها صلابة نو عالية، فغالبًا ما تستخدم في أنظمة الأشعة تحت الحمراء التي تتطلب كثافة أعلى، نظرًا لارتفاع معامل الانكسار الخاص بها، عادةً ما يتم طلاء طبقة تعزيز النفاذية على Ge، النطاقات المستخدمة عادةً هي من: 3 ~ 12 ميكرومتر أو 8 ~ 12 ميكرومتر. سينخفض معدل نفاذية Ge مع زيادة درجة الحرارة عند تسخينها، بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن أفضل درجة حرارة لأفضل تطبيق لـ Ge هي أقل من 100 درجة مئوية في البيئة، عند تطبيقها في الأنظمة الحساسة للوزن، يوصى بأن يأخذ المصممون في الاعتبار الخصائص عالية الكثافة لـ Ge. يجب أن تكون نسبة حجم العدسة إلى السماكة حسب نسبة المعالجة، ويجب أن يكون الوزن حسب متطلبات التصميم. تتوفر العدسات والنوافذ الجيولوجية بأقطار تتراوح من 5 إلى 260 مم، مع دقة سطح تصل إلى 20/10، وتسطيح سطح يصل إلى λ/10@633 نانومتر (يجب أن تكون نسبة سُمك العدسة إلى القطر حسب نسبة المعالجة).

الشكل 6 ورقة نافذة Ge

صفيحة نافذة ZnSe

نظرًا لأن ZnSe لديه معامل امتصاص منخفض ومعامل تمدد حراري مرتفع، فإنه يستخدم عادةً كمادة ركيزة للمرايا ومقسمات الحزمة في أنظمة ليزر CO2 عالية الطاقة. ومع ذلك، نظرًا للنعومة النسبية لمادة ZnSe (120 على مقياس Knoop)، فمن السهل خدشها، لذلك لا يوصى باستخدامها في البيئات القاسية، ومن الأفضل ارتداء مهود الأصابع أو القفازات عند حملها وتنظيفها بقوة متساوية. يتراوح قطر نوافذ أو عدسات ZnSe من 5 ~ 220 مم، ويمكن أن تصل دقة السطح إلى 20/10، ويمكن أن يصل تسطيح السطح إلى λ/10 @ 633 نانومتر (نسبة سمك العدسات إلى القطر تحتاج إلى تلبية نسبة المعالجة).

الشكل 7 ورقة نافذة ZnSe

صفيحة النافذة CaF2

يمتاز فلوريد الكالسيوم بنفاذية عالية من الأشعة فوق البنفسجية إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء (250 نانومتر ~ 7 ميكرومتر)، لذلك يستخدم على نطاق واسع في تصنيع المنشورات، والنوافذ والعدسات، إلخ. في بعض التطبيقات ذات النطاق الطيفي العريض، يمكن استخدامه مباشرة دون طلاء، خاصة أنه يتميز بامتصاص منخفض وعتبة ليزر عالية، وهو مناسب جدًا لأنظمة الليزر الإكسيمر البصرية. عدسات أو نوافذ فلوريد الكالسيوم، نطاق القطر: 5 ~ 150 مم، دقة السطح عادة ما تصل إلى 40/20، تسطيح السطح حتى: λ/10 @ 633nm (يجب أن تكون نسبة سمك العدسة إلى القطر بنسبة المعالجة).

الشكل 8 ورقة نافذة CaF2

صفيحة نافذة BaF2

تمتلك بلورات فلوريد الباريوم نطاقًا واسعًا من النفاذية، مع نفاذية جيدة في نطاق الطول الموجي من 0.13 ميكرومتر ~ 14 ميكرومتر. تُظهر البلورات المفردة والبلورات المتعددة أداءً مماثلاً؛ ومع ذلك، فإن إنتاج البلورات المفردة يمثل تحديًا، مما يجعلها ضعف تكلفة البلورات المتعددة. يمكن استخدامه في نوافذ لوحة مفاتيح الأشعة تحت الحمراء، ونوافذ تحليل غاز فورييه، والكشف عن النفط والغاز، والليزر عالي الطاقة، والأدوات البصرية، وما إلى ذلك. في عدسة أو نافذة فلوريد الباريوم فلوريد الباريوم، نطاق القطر هو: 5 ~ 150 مم، ودقة السطح عادةً ما تصل إلى 40/20، ويمكن أن يصل تسطيح السطح إلى: λ/10 @ 633 نانومتر (نسبة سمك العدسة إلى القطر تحتاج إلى الامتثال لنسبة المعالجة).

التطبيقات الشائعة لألواح النوافذ الضوئية

بصفتها "الواجهة الحسية الذكية" للنظام البصري، تُظهر صفائح النوافذ البصرية تغلغلًا تقنيًا في سبعة مجالات أساسية: في مجال الفضاء، تلتقط نافذة السيليكا المنصهرة لتلسكوب هابل ضوء النجوم على بعد 13 مليار سنة ضوئية بدقة سطح λ/20، بينما تعتمد مركبة المريخ روفر على نافذة مركبة من الياقوت والألومنيوم والتيتانيوم والتي تحافظ على التصوير البانورامي في درجات الحرارة القصوى التي تتراوح بين -120 درجة مئوية و+80 درجة مئوية. في مجال صناعة السيارات، تحقق نافذة نيتريد الألومنيوم من ليدار (نفاذية >95%@905 نانومتر) دقة تحديد المدى على مستوى المليمتر عند تردد مسح 200 هرتز من خلال تقنية التغليف المضاد للاهتزاز. في صناعة السيارات، تحقق نافذة نيتريد الألومنيوم في LIDAR (نفاذية >95%@905 نانومتر) دقة تحديد المدى على مستوى المليمتر عند تردد مسح يبلغ 200 هرتز من خلال تقنية التغليف المضاد للاهتزاز، بينما تعتمد شاشات العرض الأمامية في HUD على راتنجات بصرية على شكل إسفين (معامل انكسار 1.53 ± 0.002) للقضاء على الانحرافات الظلالية؛ وفي التنظير الطبي، تحقق نافذة فلوريد المغنيسيوم الدقيقة بقطر 2.8 مم (فئة التوافق الحيوي من الفئة السادسة) المجهزة بطبقة طلاء مضادة لامتصاص البروتين لتحقيق نقل صورة من فئة 4K في تجويف جسم الإنسان؛ يختار نظام الليزر عالي الطاقة نافذة سيلينيد الزنك المتدرج المخدر (عتبة الضرر> 5 جول/سم² @ 10.6 ميكرومتر)، وخوارزمية تعويض الطور المستحث حرارياً لمواجهة تأثير العدسة الحرارية لليزر من فئة الكيلوواط؛ في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، يعتمد مستشعر الترددات العالية للهواتف الذكية على نافذة مضادة للانعكاس مطبوعة بالنانو (الانعكاس ＜ 0.3% @ 850 نانومتر)، بينما يعتمد مستشعر الترددات العالية للهواتف الذكية على نافذة مضادة للانعكاس مطبوعة بالنانو (الانعكاس ＜ 0.3% @ 850 نانومتر) 850 نانومتر)، بينما يتم تعزيز شاشة اللمس الياقوتية للساعات الذكية عن طريق التبادل الأيوني لزيادة صلابة موس إلى 8.5؛ وفي مجال الأمن الدفاعي، تم تجهيز الصواري الإلكترونية الضوئية للمركبات المدرعة بنوافذ مركبة من كربيد البورسليكات والسيليكون التي يمكنها تحمل تأثير 7.62 ملم من رصاصات خارقة للدروع (معيار EN1063 BR7)، وتستخدم الأنظمة البصرية الإلكترونية للغواصات نوافذ من كبريتيد الزنك نصف كروية (تتحمل ضغط 60 ميجا باسكال) لتحقيق الاستطلاع البصري تحت الماء يستخدم نظام البصريات الإلكترونية للغواصات نوافذ من كبريتيد الزنك نصف كروية (مقاومة لضغط 60 ميجا باسكال) لتحقيق الاستطلاع البصري تحت الماء على عمق 100 متر. تكشف هذه التطبيقات المبتكرة أن النافذة البصرية قد تطورت من عنصر حماية سلبي إلى حامل وظيفي نشط يدمج بين علم المواد والبصريات الدقيقة والخوارزميات الذكية، مما يوسع باستمرار حدود أبعاد الإدراك البشري للعالم المادي.

الشكل 9 نوافذ بصرية لأدوات الاختبار

الخاتمة

كمكون رئيسي في النظام البصري، يتمحور اختيار المواد وتصميم أداء النافذة البصرية دائمًا حول التوازن الشامل للنفاذية والقوة الميكانيكية والقدرة على التكيف البيئي. وقد حققت أنظمة المواد المتمثلة في السيليكا المنصهرة والياقوت وسيلينيد الزنك تكيفًا بصريًا دقيقًا في نطاق الطول الموجي الكامل من الأشعة فوق البنفسجية (200 نانومتر) إلى الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (14 ميكرومتر) من خلال تحسين البنية البلورية (على سبيل المثال، نفاذية الأشعة فوق البنفسجية للسيليكا عالية النقاء)، وتكنولوجيا طلاء السطح (على سبيل المثال، الطلاء المضاد للانعكاس والمقاوم للتآكل)، وعملية التصنيع الدقيقة (على سبيل المثال، التحكم في خشونة السطح على نطاق دون النانومتر). في سيناريوهات التطبيقات القصوى، تصبح المطابقة المتعمقة لخصائص المواد والاحتياجات الهندسية هي الأساس: تعتمد الأنظمة البصرية الفضائية على معامل التمدد الحراري المنخفض للسيليكا المنصهرة (0.05 × 10 × 10 ⁶/°مئوية)، ومقاومة الإشعاع لضمان استقرار التصوير في مسابر الفضاء السحيق؛ تستخدم المناظير الطبية نوافذ فلوريد المغنيسيوم المتوافقة حيوياً (حسب المواصفة القياسية ISO 10993) للحفاظ على 92% من نفاذية الضوء المرئي مع تجنب خطر التلف. تعتمد المناظير الطبية على نافذة فلوريد المغنيسيوم المتوافقة حيويًا (المتوافقة مع معيار ISO 10993)، والتي تحافظ على 92% من نفاذية الضوء المرئي مع تجنب رفض الأنسجة البشرية؛ ويمنع الليزر عالي الطاقة تأثير العدسة الحرارية من خلال التخدير المتدرج لمادة سيلينيد الزنك (عتبة الضرر> 5 جول/سم²). يُظهر النظام التكنولوجي الحالي أن تعزيز أداء النوافذ البصرية يعتمد على التآزر متعدد التخصصات بين علوم المواد والهندسة البصرية والتصنيع الدقيق، ولا تقتصر تطبيقاته عبر المجالات (التي تغطي استكشاف الفضاء السحيق والطب الحيوي والدفاع والأمن القومي وغيرها) على التحقق من فعالية حلول المواد الحالية فحسب، بل توفر أيضًا دعمًا أساسيًا للتشغيل الموثوق للأنظمة الإلكترونية الضوئية في البيئات المعقدة.

تتخصص شركة Stanford Advanced Materials (SAM) في إنتاج صفائح النوافذ البصرية عالية الأداء من خلال علوم المواد المتقدمة والهندسة الدقيقة. نحن نقدم حلولاً مخصصة تضمن نفاذية بصرية فائقة وقوة ميكانيكية ومرونة بيئية لمجموعة واسعة من التطبيقات.

قراءة ذات صلة:

النوافذ البصرية