Ein Artikel zum Verständnis: Warum Chalkogenidglas das unersetzliche Kernmaterial für optische Filter im mittleren bis fernen Infrarotbereich ist

Fragt man einen beliebigen Infrarotoptik-Ingenieur nach dem schwierigsten Problem bei der Materialauswahl im mittleren bis fernen Infrarotbereich, erhält man höchstwahrscheinlich die gleiche Antwort: Ein Material zu finden, das gleichzeitig im mittleren bis fernen Infrarotbereich hochtransparent, mechanisch robust genug und in der Lage ist, den Belastungen realer Betriebsbedingungen standzuhalten, ist extrem schwierig.

Germanium ist zwar gut, aber teuer und in seinem Absorptionsbereich begrenzt. Fluoridkristalle weisen einen breiten Transmissionsbereich auf, sind jedoch extrem hygroskopisch und lösen sich bereits bei geringer Luftfeuchtigkeit auf. Silizium eignet sich gut für den mittleren Infrarotbereich, seine Transmission nimmt jedoch jenseits von 8 μm merklich ab und ist für längere Wellenlängen im fernen Infrarot ungeeignet.

Chalkogenidglas ist eine der wenigen systemischen Lösungen für dieses Auswahldilemma.

Was ist Chalkogenidglas und warum eignet es sich so gut für den mittleren bis fernen Infrarotbereich?

Chalkogenidglas ist ein amorphes Glasmaterial, das hauptsächlich aus Elementen der Gruppe VI besteht – Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). Typische Zusammensetzungen sind As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te und verschiedene andere Formulierungen.

Der grundlegende Grund für seine ausgezeichnete Transmission im mittleren bis fernen Infrarotbereich liegt in der relativ niedrigen Bindungsenergie seiner chemischen Bindungen.

Die Infrarotdurchlässigkeit wird durch die Phononen-Grenzfrequenz des Materials bestimmt – die Schwingungsfrequenz der chemischen Bindungen zwischen den Atomen legt die Absorptionskante für Infrarotlicht fest. Geringere Bindungsenergie und höhere Atommasse führen zu niedrigeren Phononenfrequenzen, wodurch das Material längere Infrarotwellenlängen durchlässt.

Chalkogene Elemente besitzen hohe Atommassen. Wenn sie chemische Bindungen mit Arsen, Germanium und anderen Elementen eingehen, sind die Bindungsenergien niedrig, und die Phononen-Grenzfrequenz kann sich über 10 µm oder sogar darüber hinaus erstrecken. Dadurch behält Chalkogenidglas eine hohe Transmission im gesamten langwelligen Infrarotbereich von 8–14 µm und darüber hinaus bei. Oxidgläser wie SiO₂ hingegen weisen eine hohe Si–O-Bindungsenergie mit Phononen-Grenzfrequenzen um 4–5 µm auf, wodurch sie im langwelligen Infrarotbereich vollständig undurchsichtig sind – genau deshalb kann man mit einer Wärmebildkamera nichts durch normales Glas sehen.

Verschiedene Chalkogenidglas-Formulierungen weisen unterschiedliche Transmissionsbereiche auf. Schwefelbasierte Systeme (z. B. As₂S₃) haben ein Transmissionsfenster von etwa 0,6 µm bis 11 µm. Selenbasierte Systeme (z. B. As₂Se₃) können bis über 15 µm hinausreichen. Tellurbasierte Systeme bieten eine noch breitere Transmission von über 20 µm. Dank dieser Abstimmbarkeit kann Chalkogenidglas ein breites Anwendungsspektrum abdecken – von mittleren bis zu langen Wellenlängen und sogar bis hin zum sehr langwelligen Infrarot – und bietet damit eine deutlich größere Flexibilität als jedes einkristalline Material.

Vergleich mit Germanium: Jedes hat seine Stärken, aber Chalkogenidglas bietet eine einzigartige Unersetzlichkeit

Germanium ist das am weitesten verbreitete Material in der Optik für den mittleren bis fernen Infrarotbereich. Sein Brechungsindex bei 8–14 μm beträgt etwa 4,0, was ihm eine hervorragende Lichtsammelfähigkeit verleiht und ihn zur ersten Wahl für Wärmebildkameras macht.

Germanium hat jedoch drei wesentliche Einschränkungen:

Erstens, die Preisvolatilität. Germanium ist ein seltenes Metall mit einem weltweit stark konzentrierten Angebot. Abhängig von Exportrichtlinien und der Nachfrage in nachgelagerten Bereichen kann sich sein Preis innerhalb weniger Jahre verdoppeln oder halbieren, was erhebliche Risiken für die Lieferkette birgt.

Zweitens, begrenzte Härte. Germanium besitzt eine Vickershärte von etwa 780 HV. In rauen Umgebungen mit Sand, Staub oder Regen ist die Oberfläche anfällig für Abrieb und Kratzer, was die Lebensdauer als Fenster- oder Filtersubstrat im Vergleich zu härteren Materialien einschränkt.

Drittens eine begrenzte Übertragungsreichweite. Das Transmissionsfenster von Germanium erstreckt sich über etwa 2–15 μm, wobei die Transmission jenseits von 15 μm merklich abnimmt.

Chalkogenidglas weist in diesen drei Dimensionen unterschiedliche Eigenschaften auf, sein Vorteil im Transmissionsbereich ist jedoch strukturell bedingt: Für Anwendungen, die eine Abdeckung jenseits von 12 µm im langwelligen Infrarotbereich erfordern, ist Chalkogenidglas eine der wenigen praktikablen Optionen. Da es sich zudem um ein amorphes Material handelt, lässt es sich durch Formgebungsverfahren in großen Mengen zu komplexen Oberflächenprofilen verarbeiten. Die Herstellungskosten sind dabei niedriger als bei der Präzisionsbearbeitung von Germanium, wodurch es sich gut für zivile Großanwendungen eignet.

DLC-Beschichtung: Behebung des Härteproblems von Chalkogenidglas

Chalkogenidglas weist eine bemerkenswerte mechanische Schwäche auf: Seine Härte ist gering und liegt typischerweise im Bereich von 100–200 HV, weit unter der von Germanium (780 HV) und Silizium (1000 HV). Eine unbeschichtete Chalkogenidglasoberfläche bietet in sand- und staubigen Außenbereichen oder in industriellen Umgebungen, die häufige Reinigung erfordern, nicht genügend Abriebfestigkeit – was ihre Lebensdauer unter rauen Bedingungen begrenzt.

Die DLC-Beschichtung (Diamond-Like Carbon) ist die ausgereifteste technische Lösung für dieses Problem.

DLC ist ein amorpher Kohlenstofffilm mit einer Vickershärte von typischerweise 1500 bis 3000 HV, einem niedrigen Reibungskoeffizienten (ca. 0,05–0,15 im trockenen Zustand) und guter Transmission im mittleren bis fernen Infrarotbereich. Auf Chalkogenidglasoberflächen abgeschieden, verbessert DLC die Beständigkeit des Substrats gegenüber Verschleiß, Kratzern und Korrosion deutlich, während die Beeinträchtigung der Infrarot-Transmission auf 1–2 Prozentpunkte begrenzt bleibt.

Die Bedeutung dieser Kombination liegt darin, dass Chalkogenidglas eine breitbandige Transmission im mittleren bis fernen Infrarotbereich ermöglicht, während DLC mechanischen Schutz bietet. Zusammen vereinen sie zwei Eigenschaften, die in einem einzigen Material selten gleichzeitig erreicht werden – „Breitbandtransmission“ und „Umweltbeständigkeit“ – in einem einzigen optischen Element.

MULTI IR hat eigenständig DLC-beschichtete Chalkogenidglasfilter entwickelt. Die Verfahren umfassen verschiedene Substratsysteme wie As–S, As–Se und Ge–Sb–Se. Haftung und Gleichmäßigkeit der DLC-Schichten wurden speziell für diese Substrate optimiert. Die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den verschiedenen Chalkogenidglassubstraten und der DLC-Schicht variiert erheblich, was die Haftungsstabilität der DLC-Schicht direkt beeinflusst. Dies ist der technisch anspruchsvollste Aspekt der DLC-Beschichtung auf Chalkogenidglas und die größte Herausforderung für eine gleichbleibende Produktion. Die DLC-beschichteten Chalkogenidglasprodukte von MULTI IR werden derzeit in Anwendungen wie militärischen Infrarotfenstern, industriellen Wärmebildkameras und langwelligen Infrarotsystemen für die Automobilindustrie eingesetzt.

Wichtigste Auswahlkriterien für Chalkogenidglasfilter

Die Auswahl auf Anwendungsebene erfordert in der Regel die Bestätigung von drei Dingen:

1. Anforderungen an das Betriebsfrequenzband. Unterschiedliche Chalkogenidglas-Formulierungen weisen unterschiedliche Transmissionsfenster auf. Für Anwendungen im Bereich von 8–12 µm sind As-Se-Systeme im Allgemeinen ausreichend. Für Anforderungen jenseits von 14 µm werden tellurhaltige oder selenreichere Formulierungen benötigt. Wird die Substratzusammensetzung falsch gewählt und die Transmission entspricht nicht den Spezifikationen, kann dies durch keinen nachfolgenden Beschichtungsprozess kompensiert werden.

2. Anforderungen an die mechanische Umgebung. Für fest installierte Innenräume können unbeschichtete Chalkogenidglassubstrate verwendet werden, wobei die DLC-Beschichtung die Kosten erhöht. Für Anwendungen im Außenbereich, in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt oder auf See, die Sand, Staub, Regen oder Vibrationen ausgesetzt sind, ist eine DLC-Beschichtung unerlässlich. Die Einsatzumgebung bestimmt, ob eine Beschichtung erforderlich ist und welche Anforderungen an Dicke und Härte die DLC-Schicht stellen muss.

3. Abwägung zwischen Transmission und Blockierung. Die Lichtdurchlässigkeit von Chalkogenidglasfiltern wird sowohl durch die Substratabsorption als auch durch die Oberflächenreflexion beeinflusst. Antireflexbeschichtungen können die maximale Lichtdurchlässigkeit deutlich verbessern, ihre Auslegung muss jedoch in Verbindung mit den optischen Eigenschaften der DLC-Schicht erfolgen – eine unabhängige Optimierung ist nicht möglich.

Von Detektorfenstern in militärischen Wärmebildsystemen bis hin zu Filterfronten in zivilen Gasanalysegeräten spiegelt die breite Anwendungspalette von Chalkogenidglas im mittleren bis fernen Infrarotbereich die einzigartigen physikalischen Eigenschaften dieses Materials wider: Nur sehr wenige Materialien können gleichzeitig eine hohe Lichtdurchlässigkeit, Verarbeitbarkeit und eine angemessene Kostenkontrolle über das gesamte 8–14 μm-Fenster gewährleisten.

Dies liegt nicht daran, dass niemand nach Alternativen gesucht hätte – sondern daran, dass die Molekularphysik hier eine hohe Schwelle setzt, die Chalkogenidglas zufällig überschreitet.

KI-generierte Bilder

MULTI-IR, ein auf nationaler Ebene "kleiner Riese" spezialisiertes und hochentwickeltes Unternehmen mit über 10.000 Arten von infrarotempfindlichen Komponenten auf Lager, das weltweit zu den Top 3 in Bezug auf die Gesamtstärke zählt und maßgeblich an der Entwicklung des Industriestandards für Infrarotfilter beteiligt ist.

Webseite: www.mirhz.com | Globale Website: www.miroptech.com