¿Cuáles son los materiales de infrarrojos térmicos disponibles?

November 04, 2023

La imagen del material infrarrojo térmico se refiere típicamente a la imagen infrarroja media (MWIR) a 3-5 μ my imágenes infrarrojas FAR (LWIR) a 8-10 μ m. En estas bandas, el enfoque está en las fuentes de calor en lugar de la luz visible. Hay muchas aplicaciones diferentes de imágenes infrarrojas térmicas, como pruebas no destructivas, cámaras infrarrojas que pueden capturar la ubicación del sobrecalentamiento del equipo o la pérdida de calor, las diferencias en las temperaturas locales de la superficie del cuerpo que se pueden medir en el campo médico, una rápida identificación de Puntos de fuga de calor en el sistema de enfriamiento de las centrales nucleares y la protección de seguridad.

Hay muchos tipos de vidrio disponibles para sistemas de luz visible, pero solo un número muy limitado de materiales se puede usar de manera efectiva en las bandas MWIR y LWIR. La Figura 18.107 muestra la transmitancia de materiales de transmisión infrarrojos de uso común. Estos datos incluyen la pérdida de reflexión en la superficie, lo que resulta en una transmitancia relativamente alta después de la aplicación de una película antirreflectante eficiente. Solo un tipo de material de vidrio muy limitado se puede usar de manera efectiva en las bandas MWIR y LWIR. La Tabla 18.9 enumera los materiales ópticos infrarrojos térmicos comúnmente utilizados y sus principales características. La constante ABBE V se define como (N1 λ-1) /(N1 λ- nh λ), en la ecuación, el índice de refracción nc λ en la longitud de onda central, N1 λ es el índice de refracción de longitud de onda corta, NH λ es el índice de refracción de largas longitudes de onda.

Hay varios materiales infrarrojos térmicos comúnmente utilizados:

Germanio es el material infrarrojo más común y se puede usar en las bandas LWIR y MWIR. En la banda LWIR, es la "placa de la corona" o lente positiva en lentes duales acromáticos; En MWIR, es la lente "Flint" o negativa en lentes dobles acromáticos. Esto se debe a la diferencia en las características de dispersión entre las dos bandas. En la banda MWIR, el germanio está muy cerca de su banda de baja absorción, por lo que su índice de refracción cambia rápidamente, lo que lleva a una dispersión significativa. Esto lo hace adecuado como un componente de potencia negativo en lentes dobles acromáticos.

(1) Material de germanio:

Germanio es el material infrarrojo más común y se puede usar en las bandas LWIR y MWIR. En la banda LWIR, es la "placa de la corona" o lente positiva en lentes duales acromáticos; En MWIR, es la lente "Flint" o negativa en lentes dobles acromáticos. Esto se debe a la diferencia en las características de dispersión entre las dos bandas. En la banda MWIR, el germanio está muy cerca de su banda de baja absorción, por lo que su índice de refracción cambia rápidamente, lo que lleva a una dispersión significativa. Esto lo hace adecuado como un componente de potencia negativo en lentes dobles acromáticos.

Los materiales de germanio tienen dos parámetros importantes: índice de refracción y DN/DT. El índice de refracción del germanio es ligeramente mayor que 4.0, lo que significa que las superficies poco profundas son razonables y fáciles de reducir las diferencias de fase, lo cual es beneficioso para el diseño. El parámetro DN/DT es el cambio en el índice de refracción y la temperatura. El DN/DT de Germanio es de 0.000369c. Este es un gran valor, DN/DT = 0.000360c para vidrio ordinario. Esto puede causar un gran cambio focal que varía con la temperatura, que generalmente requiere alguna técnica de no calefacción (compensación del punto focal en relación con la temperatura).

Germanio es un material cristalino que se genera en forma simple o policristalina. Según el proceso de crecimiento, el germanio de cristal único es más costoso que el germanio policristalino. El índice de refracción del germanio policristalino no es lo suficientemente uniforme, principalmente causado por impurezas en el límite de partículas, lo que puede afectar la calidad de imagen de las imágenes de FPA. Por lo tanto, el germanio de cristal único es el material preferido. A altas temperaturas, los materiales de germanio se vuelven absorbentes, y la transmitancia se acerca a cero a 200 ° C.

El coeficiente de no uniformidad del índice de refracción del germanio de cristal único es 0.00005 ~ 0.0001, mientras que el del germanio policristalino es 0.0001 ~ 0.00015. Para fines ópticos, generalmente ώ. El coeficiente de resistencia de germanio se especifica en CM, y el coeficiente de resistencia de todo el blanco es de 5-40 ώ. CM es generalmente aceptable. La Figura 18.109 muestra un blanco de germanio típico con un área policristalina a la derecha. Tenga en cuenta que el coeficiente de resistencia en la región de cristal único se comporta normalmente y cambia de forma radial, mientras que el coeficiente de resistencia en la región policristalina cambia rápidamente. Si se usa una cámara infrarroja adecuada para observar el material, se pueden ver imágenes de remolino extrañas similares a las redes de araña, que se concentran principalmente en los límites de las partículas. Esto se debe a las impurezas inducidas en el límite. Una de las deficiencias del silicio y algunos otros materiales cristalinos es su fragilidad y fragilidad.

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(2) material de silicio
El silicio es un material cristalino similar al germanio. Se usa principalmente en la banda MWIR de 3-5 μm, y hay absorción en la banda LWIR de 8-12 μ m. El índice de refracción del silicio es ligeramente más bajo que el de Germanio, pero sigue siendo lo suficientemente grande como para facilitar el control de la aberración. Además, la dispersión del silicio es relativamente baja. El silicio puede ser girado por diamante.
(3) sulfuro de zinc
El sulfuro de zinc es un material comúnmente utilizado en las bandas MWIR y LWIR. Generalmente parece amarillo oxidado y semi transparente a la luz visible. El proceso más común para producir sulfuro de zinc se llama precipitación de vapor químico.
El sulfuro de zinc hecho por prensado en caliente puede ser transparente a la luz visible. El sulfuro de zinc transparente se puede utilizar para fabricar ventanas y lentes multiespectrales, desde la luz visible hasta las bandas LWIR.
(4) Selenide de zinc
El selenuro de zinc es similar al sulfuro de zinc en muchos aspectos. Su índice de refracción es ligeramente más alto que el sulfuro de zinc, mientras que su estructura no es tan resistente como el sulfuro de zinc. Por lo tanto, considerando las razones de durabilidad ambiental, a veces una capa delgada de sulfuro de zinc se deposita en un sustrato de selenuro de zinc grueso. En comparación con el sulfuro de zinc, la ventaja más significativa del selenuro de zinc es su coeficiente de absorción extremadamente pequeño, por lo que el selenuro de zinc generalmente se usa en sistemas de energía CO2 de alta energía.

(5) fluoruro de magnesio
El fluoruro de magnesio también es un material cristalino. Su material cristalino puede transmitir el rango espectral de ultravioleta a MWIR. El fluoruro de magnesio se puede producir mediante el crecimiento de cristales o los métodos de "presión en caliente", lo que resulta en la formación de materiales vidriosos lechoso. Tiene una buena transmisión en la banda MWIR, pero puede tener una dispersión no deseada, lo que resulta en una disminución en el contraste y la luz extraviada del eje. La dispersión de las partículas es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda, por lo que la apariencia lechosa bajo luz visible se encoge en 1/16 a 5um.
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El zafiro es un material extremadamente duro. Puede transmitir la luz de UV profundo a bandas MWIR. Una característica única del zafiro es su baja emisividad térmica a altas temperaturas. Esto significa que los materiales emiten menos radiación térmica que otros materiales a altas temperaturas. El zafiro se puede usar para crear ventanas de cavidades que soporten altas temperaturas, adecuadas para la banda infrarroja a través de las ventanas. El principal inconveniente del zafiro es que su dureza dificulta el procesamiento óptico. Otro material similar se llama espinela. La espinela es similar en efecto al zafiro prensado en caliente y puede usarse como sustituto del zafiro. Las piedras de espinela también tienen alta dispersión. El zafiro tiene características de birrefringencia, y su índice de refracción es una función de la superficie de polarización incidente.

(7) Trisulfuro de arsénico

El trisulfuro de arsénico es un material que se puede usar en las bandas MWIR y LWIR. Tiene una apariencia de rojo intenso y es muy costoso.

(8) Otros materiales disponibles

Hay muchos otros materiales disponibles, que incluyen fluoruro de calcio, fluoruro de bario, fluoruro de sodio, fluoruro de litio y bromuro de potasio. Estos materiales se pueden usar en las bandas desde ultravioleta profundo hasta infrarrojos de onda media. Sus características de color los hacen muy atractivos para aplicaciones espectrales amplias, especialmente desde infrarrojos cercanos hasta infrarrojos mediados e incluso infrarrojos lejanos. Muchos de estos materiales tienen algunas propiedades indeseables, especialmente higroscópica. Se requiere un recubrimiento adecuado para evitar daños por la humedad, y su estructura a menudo requiere purificación con gas nitrógeno seco.