پنجره‌های مستطیلی مته‌کاری شده ژرمانیوم

پنجره‌های مستطیلی مته‌کاری شده از جنس ژرمانیوم (Ge)

پنجره نوری یکی از اجزای پایه‌ای در اپتیک است که معمولاً به عنوان یک محافظ برای سنسورهای الکترونیکی یا دتکتورها در برابر محیط خارجی استفاده می‌شود. کاربرد اصلی آن جداسازی دو محیط، برای مثال جداسازی فضای داخلی یک instrument از محیط خارج است که منجر به ایزوله شدن و محافظت از قطعات داخلی می‌شود. توجه داشته باشید که پنجره نوری، بزرگنمایی سیستم اپتیکی را تغییر نمی‌دهد.

ژرمانیوم (Ge) تک‌بلور، یک ماده از نظر شیمیایی بی‌اثر (inert) با محدوده طیف عبوری ۲ تا ۱۲ میکرومتر است. این ماده یک ماده نوری مادون قرمز بسیار پرکاربرد با سختی بالا، رسانایی گرمایی خوب و نامحلول در آب می‌باشد. کاربردهای گسترده‌ای در سیستم‌های تصویربرداری مادون قرمز و سیستم‌های طیف‌سنج مادون قرمز دارد. ژرمانیوم تک‌بلور دارای خواص مکانیکی و رسانایی گرمایی خوبی است و جذب بسیار ناچیزی در طول موج ۱۰.۶ میکرومتر (مربوط به لیزر CO₂) دارد که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت لنزها، پنجره‌ها و آینه‌های خروجی (output coupling mirrors) این لیزر تبدیل کرده است. از ژرمانیوم تک‌بلور همچنین به عنوان ماده پایه (سابستریت) برای انواع فیلترهای مادون قرمز استفاده می‌شود.

شرکت ما قادر به تأمین پنجره‌های مستطیلی مته‌کاری شده از جنس ژرمانیوم با ابعاد زیر است:

• قطر: از ۲ تا ۳۰۰ میلی‌متر

• ضخامت: از ۰.۱۲ تا ۶۰ میلی‌متر

• دقت سطح: تا ۲۰-۱۰ (کیفیت سطح اپتیکی) و ۱/۱۰ طول موج @ 633 نانومتر (صافی سطح)

فرآیندهای پرداخت سطح:
چهار فرآیند اصلی پرداخت برای دستیابی به دقت بالا به کار گرفته می‌شوند:

1. پولیش دیسک ژله‌ای (Gel Disc Polishing)

2. پولیش سرعت بالا (High Speed Polishing)

3. پولیش حلقوی (Ring Polishing)

4. پولیش CNC

تجهیزات کنترل کیفیت:
برای اطمینان از دقت و کیفیت محصولات، از تجهیزات پیشرفه آزمایشگاهی و اندازه‌گیری زیر استفاده می‌شود:

• اینترفرومتر ZYGO (برای اندازه‌گیری صافی سطح و انحراف موج)

• میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

• eccentricمترهای انعکاسی و عبوری (برای اندازه‌گیری انحراف مرکز اپتیکی)

• گونیامتر ۱۵ ثانیه‌ای

• سیستم سنترینگ با استفاده از UV gel

• ضخامت‌سنگ لیزری غیرتماسی

• تصویربردار دو بعدی (2D Imager)

• sphere diameter gauge (برای اندازه‌گیری قطر انحنا)

گزینه‌های پوشش (کوتیнг):
طیف وسیعی از پوشش‌های ضدبازتاب (Anti-Reflection) و سایر پوشش‌های تخصصی بر اساس نیاز کاربری بر روی این پنجره‌ها قابل اعمال است:

• MgF₂

• پوشش ضدبازتاب برای محدوده فرابنفش (UV-AR)

• پوشش ضدبازتاب برای محدوده فرابنفش-مرئی (UV-VIS)

• پوشش ضدبازتاب گسترده برای محدوده مرئی (VIS-EXT)

• پوشش ضدبازتاب برای محدوده مرئی-فروسرخ نزدیک (VIS-NIR)

• پوشش ضدبازتاب برای فروسرخ نزدیک I (NIR I)

• پوشش ضدبازتاب برای فروسرخ نزدیک II (NIR II)

• پوشش ضدبازتاب برای محدوده مخابراتی فروسرخ نزدیک (Telecom-NIR)

• پوشش ضدبازتاب برای فروسرخ موج کوتاه (SWIR)

• پوشش ضدبازتاب برای محدوده فروسرخ موج کوتاه (SWIR – احتمالاً برای طیف خاصی)

• پوشش ضدبازتاب برای لیزر YAG (YAG-BBAR)

ژرمانیوم در برابر هوا، آب، بازها و بسیاری از اسیدها بی‌اثر (inert) است. ویژگی‌های نوری ژرمانیوم به شدت به دما حساس بوده و به میزان قابل توجهی تحت تأثیر دما قرار می‌گیرد؛ به گونه‌ای که با افزایش دما، میزان عبور نور (transmittance) کاهش می‌یابد. در واقع، ژرمانیوم در دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس به اندازه‌ای جذب نور را افزایش می‌دهد که تقریباً کدر (opaque) می‌شود و در دمای ۲۰۰ درجه سلسیوس به طور کامل غیر شفاف می‌گردد.

توضیح علمی:
این پدیده ناشی از افزایش جمعیت حامل‌های بار آزاد (الکترون‌ها) در شبکه بلوری ژرمانیوم با افزایش دما است که منجر به جذب قوی‌تر فوتون‌های نور مادون قرمز می‌شود. این خاصیت، کاربرد آن را در شرایط دمایی بالا محدود می‌سازد.

پوشش‌دهی (Coating) به فرآیند اعمال یک لایه نازک شفاف از مواد الکترولیتی یا فلزی بر روی سطح ماده زیرلایه (substrate) به روش‌های فیزیکی یا شیمیایی اطلاق می‌شود. هدف از این فرآیند، تغییر ویژگی‌های بازتابی و عبوری سطح ماده برای دستیابی به نیازهای خاصی چون کاهش یا افزایش بازتاب، تقسیم پرتو، تفکیک رنگی، فیلترکردن نور، و کنترل پلاریزاسیون است.

ما قادر به ارائه انواع پوشش‌های اپتیکی از جمله پوشش‌های ضدبازتاب (anti-reflective)، پوشش‌های بازتاب بالا (high-reflective)، پوشش‌های طیفی (spectral)، و پوشش‌های فلزی (metallic) هستیم. پوشش‌های ضدبازتاب پهن‌باند برای محدوده‌های طول موج فرابنفش (UV)، مرئی (visible)، فروسرخ نزدیک (NIR) و فروسرخ میانی (mid-infrared) نیز قابل ارائه می‌باشند.

توضیح فنی:
این پوشش‌ها با بهره‌گیری از پدیده‌های تداخل امواج نور در لایه‌های نازک، ویژگی‌های سطحی ماده پایه را به طور دقیق مهندسی می‌کنند.

استانداردهای مواد

• جنس ماده: ماده اولیه تک‌بلور ژرمانیوم با ترکیب شیمیایی خالص Ge

• درجه خلوص: شمش‌های پلی‌کریستال ژرمانیوم مورد استفاده برای رشد بلور باید مطابق با الزامات استاندارد GB/T11071 باشند. خلوص ماده باید (کمتر از نباشد) ۹۹/۹۹۹۹٪ (معادل 6N) و مقاومت ویژه الکتریکی آن (کمتر از نباشد) ۵۰ اهم-سانتی‌متر (۵۰ Ω.cm) باشد.

• روش رشد: روش چوکرالسکی (CZ)

• کیفیت تبلور: بر روی دیواره‌های خارجی و سطوح انتهایی بلور نباید هیچ‌گونه مرزدانه (grain boundaries)، twin (دوقلویی) یا حفره (hole) قابل مشاهده باشد.

• کیفیت ظاهری: سطح جانبی بلور باید سطح طبیعی (native surface) باشد و دو سطح انتهایی آن می‌توانند سطح برش‌خورده (cut surface) یا سطح طبیعی (native surface) باشند. روی دیواره‌های جانبی و هر دو سطح انتهایی نباید هیچ‌گونه آلودگی، تراشه (chipping)، ترک (crack) یا خط و خش (scratch) وجود داشته باشد.

• جهت‌گیری بلوری: تک‌بلورهای ژرمانیوم در دو جهت‌گیری بلوری <100> و <111> عرضه می‌شوند.

• انواع رسانایی: تک‌بلورهای ژرمانیوم در دو نوع N و P (ان-تیپ و پی-تیپ) موجود هستند.

• مواد دوپانت: ماده دوپان‌کننده (ناخالصی افزودنی) مورد استفاده در تک‌بلور ژرمانیوم در جدول زیر نشان داده شده است.

مقاومت ویژه الکتریکی (رسسیتیویتی): مقاومت ویژه الکتریکی در تک‌بلور ژرمانیوم توسط مقادیر اندازه‌گیری شده در سطوح انتهایی سر (head) و دم (tail) بلور مشخص می‌شود. این پارامتر به کلاس‌های زیر دسته‌بندی می‌شود:

● ضریب جذب نوری: ضریب جذب بلور ژرمانیوم باید در طول موج ۳٫۰ میکرومتر، بیشتر از ۰٫۰۱ سانتیمتر معکوس (cm⁻¹) و در طول موج ۱۰٫۶ میکرومتر، بیشتر از ۰٫۰۳ سانتیمتر معکوس نباشد.

● ضریب شکست: ضریب شکست باید مطابق با مقادیر ارائه شده در جدول زیر باشد.

تک‌بلور (Monocrystalline)

● هنگامی که سطح بلور در نور روز و با چشم غیرمسلح (زیر نور معمولی) بررسی می‌شود، نباید هیچ مرزدانه (grain boundaries) یا نوارهای سبدبافی‌مانند (wicker-like stripes) قابل مشاهده باشد.

زیربلور (Sub-crystal)

● در بررسی با چشم غیرمسلح و تحت نور روز، بر روی سطح بلور نوارهای بیدی‌شکل (willow stripes) مشاهده می‌شود که مساحت آنها کمتر از یک‌ششم قطر سطح انتهایی (< ۱/۶ end diameter) است. این نوارهای بیدی‌شکل پس از انجام فرآیند پولیش، غیرقابل مشاهده خواهند بود.

چندبلور (پلی‌کریستال)

● در بررسی با چشم غیرمسلح و تحت نور روز، بر روی سطح بلور خطوط مرزدانه‌ای (crystal boundary lines) که کاملاً نافذ (penetrating) هستند، مشاهده می‌شود. همچنین تفاوت درجه روشنی و تاریکی (کنتراست نوری) بین دو طرف این خطوط مرزدانه کاملاً مشهود و واضح است.

شیشه اپتیکی N-BK7
N-BK7 پرکاربردترین شیشه اپتیکی برای تولید قطعات نوری با کیفیت بالا است که عبور عالی از محدوده مرئی تا فروسرخ نزدیک (۲۰۰۰-۳۵۰ نانومتر) دارد و در تلسکوپها، سیستمهای لیزری و سایر زمینهها کاربرد گسترده ای دارد. معمولاً زمانی از N-BK7 استفاده می‌شود که مزایای اضافی سیلیکای گداخته UV (مانند عبور بسیار خوب و ضریب انبساط حرارتی پایین در محدوده فرابنفش) مورد نیاز نباشد.

سیلیکای گداخته UV
سیلیکای گداخته UV عبور بالایی از محدوده فرابنفش تا فروسرخ نزدیک (۲۱۰۰-۱۸۵ نانومتر) دارد. علاوه بر این، یکنواختی بهتر و ضریب انبساط حرارتی پایین‌تری نسبت به H-K9L (N-BK7) دارد و برای کاربردهای لیزر پرتوان و تصویربرداری بسیار مناسب است.

فلورید کلسیم (CaF₂)
به دلیل عبور بالا و ضریب شکست پایین در محدوده ۸-۱۸۰ نانومتر، اغلب به عنوان پنجره و لنز در طیف‌سنج‌ها و سیستم‌های تصویربرداری حرارتی استفاده می‌شود. همچنین به دلیل آستانه آسیب لیزری بالا، در لیزرهای اگزایمر کاربرد خوبی دارد.

فلورید باریم (BaF₂)
فلورید باریم عبور بالایی در محدوده ۱۱-۲۰۰ نانومتر دارد و در برابر تابش پرانرژی مقاوم است. همچنین دارای خاصیت سینتیلاسیون عالی است و برای ساخت قطعات نوری فروسرخ و فرابنفش مناسب است. با این حال، مقاومت کم در برابر آب دارد و در مجاورت رطوبت در دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد تخریب می‌شود، اما در محیط خشک تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد قابل استفاده است. هنگام کار با این ماده از دستکش استفاده شده و پس از تماس، دست‌ها باید کاملاً شسته شوند.

فلورید منیزیم (MgF₂)
برای کاربردهای محدوده ۶-۲۰۰ نانومتر ایده‌آل است. در مقایسه با سایر مواد، در محدوده فرابنفش عمیق و فروسرخ دور به ویژه بادوام است. مقاومت بالایی در برابر خوردگی شیمیایی، آسیب لیزری، شوک مکانیکی و شوک حرارتی دارد. سختی آن از فلورید کلسیم بیشتر اما نسبت به سیلیکای گداخته نرم‌تر است و سختی کnoop آن ۴۱۵ و ضریب شکست ۱.۳۸ است.

سلنید روی (ZnSe)
عبور بالایی در محدوده ۱۶-۶۰۰ نانومتر دارد و معمولاً در تصویربرداری حرارتی، فروسرخ و سیستم‌های پزشکی استفاده می‌شود. همچنین به دلیل جذب کم، برای لیزرهای پرتوان CO₂ مناسب است. با توجه به نرم بودن (سختی کnoop ۱۲۰) و امکان خراش آسان، برای محیط‌های خشن توصیه نمی‌شود. در تماس و cleaning باید نهایت دقت صورت گیرد و استفاده از دستکش یا پوشش انگشت ضروری است. از تماس با انبر یا ابزار دیگر اجتناب شود.

سیلیکون (Si)
برای محدوده فروسرخ نزدیک ۸-۱.۲ میکرون مناسب است. به دلیل چگالی پایین، به‌ویژه در کاربردهای حساس به وزن (به‌طور خاص در محدوده ۵-۳ میکرون) مناسب است. سختی کnoop آن ۱۱۵۰ است و در مقایسه با ژرمانیوم سخت‌تر و کمتر شکننده است. به دلیل جذب قوی در ۹ میکرون، برای کاربردهای انتقال لیزر CO₂ مناسب نیست.

ژرمانیوم (Ge)
برای محدوده فروسرخ نزدیک ۱۶-۲ میکرون مناسب است و برای لیزرهای فروسرخ کارایی خوبی دارد. به دلیل ضریب شکست بالا، انحنای سطح کم و اتلاف رنگی پایین، معمولاً در سیستم‌های تصویربرداری با توان پایین نیاز به تصحیح ندارد. اما تحت تأثیر شدید دما قرار می‌گیرد و با افزایش دما، عبور آن کاهش می‌یابد؛ بنابراین فقط below 100°C قابل استفاده است. در طراحی سیستم‌های با محدودیت وزن، چگالی آن (۵.۳۳ گرم بر سانتیمتر مکعب) باید مدنظر قرار گیرد. سطوح آن با دستگاه تراش الماس پرداخت می‌شود و در کاربردهای مختلف فروسرخ شامل سیستم‌های تصویربرداری حرارتی، جداکننده‌های پرتو فروسرخ، دوربین‌های FLIR و طیف‌سنجی استفاده می‌شود.

CVD ZnS
تنها ماده نوری فروسرخ—پس از الماس—است که محدوده کامل فرابنفش تا فروسرخ موج بلند (LWIR) و حتی امواج مایکروویو را پوشش می‌دهد و مهم‌ترین material پنجره‌های LWIR محسوب می‌شود. در سیستم‌های تصویربرداری حرارتی با وضوح بالا و کاربردهای پیشرفته نظامی مانند پنجره‌های “سه-نوری” و پنجره‌های کامپوزیت لیزر فروسرخ نزدیک/دو-رنگ فروسرخ استفاده می‌شود.