Кремний Si: Линзы, окна, зеркала, светоделители, фильтры из Кремния.
Алкор Текнолоджиз производит ИК-оптику из оптического кремния — окна, кремниевые линзы, зеркала для CO₂-лазеров, светоделители, ИК-фильтры, ATR-призмы и ТГц-линзы из высокоомного кремния (HRFZ-Si) — по чертежам заказчика на собственном производстве в Санкт-Петербурге.
Доступны три типа кремния: Cz-Si, FZ-Si, HRFZ-Si — для диапазонов от 1,2 мкм до 1000 мкм. AR-покрытия 3–5, 8–12, 1,2–6 мкм и другие диапазоны. От единичных прототипов до серийных партий. КП в течение 24 часов.
Присылайте чертежи с указанием количества деталей. Наши специалисты помогут подобрать оптимальное решение для вашей задачи.
Что мы изготавливаем
| Изделие | Размеры | Особенности |
|---|---|---|
| Окна | Ø или диагональ 5–200 мм; круглые, прямоугольные, нестандартные | тонкие пластины (до 1 мм) пропускают и в диапазоне 8–12 мкм |
| Линзы | Ø 5–90 мм, фокусное расстояние 5–1000 мм | плосковыпуклые и менисковые, AR на разные диапазоны |
| Светоделители | по чертежу | без покрытия ~50/50% в диапазоне 1–7 мкм |
| Подложки и ИК-фильтры | по чертежу | под любую центральную длину волны и ширину полосы в диапазоне 1,2–7 мкм |
| Зеркала для CO₂-лазеров | Ø или диагональ 5–200 мм; круглые и прямоугольные | золотое покрытие (Au) |
| ТГц-оптика из HRFZ-Si | полусферы, гипер-полусферы, окна, ATR-призмы | пропускание 50–54% в терагерцовом диапазоне |
Кремний коротко
- 1,2–7 мкмосновной диапазон стандартного кремния Cz-Si
- 2,33 г/см³плотность: вдвое ниже, чем у германия и ZnSe
- 1100 кг/мм²твёрдость по Кнупу — выше, чем у Ge и ZnSe
- до 300 °Cбез деградации при нагреве
Линзы и окна из кремния.
Продукция из оптического кремния
Оптические окна из кремния
Плоскопараллельные пластины (окна) для работы в ИК-диапазоне. Производим кремниевые окна диаметром или диагональю от 5 до 200 мм. Стандартные и нестандартные размеры, круглые и прямоугольные.
Ключевая особенность кремниевых окон. Тонкие пластины (до 1 мм) прозрачны не только в основном диапазоне 1,2–7 мкм, но и во втором атмосферном окне 8–12 мкм. Это позволяет использовать один материал для задач как MWIR, так и LWIR при соответствующей толщине.
Высокоточные окна из Si: чистота поверхности до S/D 20/10, плоскостность до N=0,5, параллельность до 10 угловых секунд.
Запросить цену на кремниевые окна · Все оптические окна
Линзы из кремния
Производим сферические линзы из кремния Si диаметром от 5 до 90 мм, фокусное расстояние от 5 до 1000 мм. Кремниевые линзы применяются в тепловизионных объективах (3–5 мкм), дальномерах. Изготавливаем плоско-выпуклые и менисковые кремниевые линзы с просветляющими покрытиями на различные оптические диапазоны.
Запросить цену на кремниевые линзы · Все оптические линзы
Светоделители из кремния
Уникальное свойство оптического кремния: благодаря высокому показателю преломления (~3,4) и вытекающему из этого Френелевскому отражению, плоскопараллельная пластина из Si без какого-либо покрытия работает как светоделитель ~50/50% в очень широком диапазоне длин волн (1–7 мкм). Это делает кремниевые светоделители крайне привлекательными по соотношению цена/функциональность.
По запросу изготавливаем светоделители из кремния с нанесённым светоделительным покрытием на одну сторону и просветляющим покрытием на обратной — для нестандартных соотношений R/T.
Запросить цену на кремниевые светоделители · Все светоделители
Оптические фильтры из кремния
Кремний — наиболее распространённая подложка для интерференционных ИК-фильтров диапазона 1,2–7 мкм. Кремний широко используется для изготовления подложек высококачественных интерференционных зеркал с коэффициентом отражения 99,5% и более, а также узкополосных интерференционных фильтров для различных областей ИК-спектра.
Производим фильтры на кремниевых подложках под любую центральную длину волны и ширину полосы в диапазоне 1,2–7 мкм. Применения: газоанализаторы, датчики газа, тепловизионные системы.
Запросить цену на ИК-фильтры на кремнии · Подробнее об оптических фильтрах
Зеркала из кремния для CO₂-лазеров
Кремний — стандартный материал подложек для зеркал CO₂-лазеров. Производим круглые и прямоугольные зеркала из кремния диаметром/диагональю от 5 до 200 мм с золотым покрытием (Au).
Почему кремний, а не стекло? Три причины:
- низкий коэффициент теплового расширения (слабая температурная зависимость)
- высокая теплопроводность — до 163 Вт/(м·К) при 313 К
- хорошая механическая стойкость
Низкий коэффициент линейного теплового расширения и его слабая температурная зависимость делают кремний основным материалом для зеркал CO₂-лазеров.
Запросить цену на кремниевые зеркала · Все оптические зеркала
ТГц-оптика из высокоомного кремния HRFZ-Si
Терагерцовый диапазон (0,1–10 ТГц, или 30–3000 мкм) — одна из наиболее динамично развивающихся областей фотоники. ТГц-излучение применяется в спектроскопии, неразрушающем контроле, медицинской диагностике, системах безопасности и телекоммуникациях следующего поколения.
Для ТГц-приложений традиционно используется высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки (HRFZ-Si), как наиболее исследованное вещество, хорошо пропускающее в этом диапазоне. HRFZ-Si обеспечивает пропускание 50–54% в диапазоне 50–1000 мкм с минимальными потерями.
Алкор Текнолоджиз изготавливает из высокоомного кремния:
Линзы-полусферы и гипер-полусферы
Специализированные иммерсионные линзы для согласования апертуры ТГц-детекторов и антенн с оптической системой. Применяются в ТГц-спектрометрах и системах формирования изображений. Геометрия полусферы обеспечивает максимальный световой поток на детектор без виньетирования.
ТГц-окна
Плоскопараллельные пластины HRFZ-Si для разделения оптических трактов и защиты чувствительных компонентов. Работают как широкополосные светоделители ~54/46% без покрытий.
ATR-призмы из кремния
Для спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения в ИК и ТГц-диапазонах. Высокий показатель преломления кремния (n ≈ 3,4) обеспечивает эффективное эванесцентное поле при взаимодействии с образцом.
Кремниевые линзы-полусферы.
Запросить цену на ТГц-оптику из HRFZ-Si
Почему кремний: ключевые преимущества перед другими ИК-материалами
Оптический кремний сочетает доступную цену, механическую прочность и широкий спектральный диапазон — это делает его самым распространённым материалом для ИК-оптики диапазона 3–5 мкм (MWIR) и первым выбором для зеркальных подложек CO₂-лазеров.
Свойства, которые определяют выбор кремния перед конкурирующими ИК-материалами:
Малый удельный вес
Плотность кремния в два раза ниже плотности германия и селенида цинка. Это принципиально для систем с жёсткими требованиями к массе.
Высокая механическая прочность
Твёрдость по Кнупу — 1100 кг/мм², по шкале Мооса — 7. Это выше, чем у германия (780) и значительно выше, чем у ZnSe (120). Кремниевая оптика устойчива к механическим нагрузкам и абразивным воздействиям.
Значительно более низкая цена
Цена оптического кремния значительно ниже германия и селенида цинка. Там, где диапазон задачи позволяет использовать кремний, он даёт существенную экономию без потери качества.
Широкий диапазон применения
В зависимости от типа. Обычный Cz-Si прозрачен в диапазоне 1,2–7 мкм. Тонкие окна из Si работают во втором атмосферном окне 8–12 мкм. Высокоомный HRFZ-Si — от 30 до 1000 мкм (ТГц диапазон).
Три типа оптического кремния: как выбрать правильный
Выбор типа кремния определяется рабочим диапазоном длин волн, толщиной компонента и удельным электросопротивлением подложки:
| Тип | Метод выращивания | Удельное сопротивление | Рабочий диапазон | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Cz-Si | Чохральского | 10–40 Ом·см | 1,2–7 мкм (тонкие окна до 1 мм — и 8–12 мкм) | стандарт для большинства MWIR-приложений; полосы поглощения кислорода |
| FZ-Si | зонная плавка | 5–40 Ом·см | 1,2–20 мкм | меньше кислорода и углерода, нет характерных полос поглощения |
| HRFZ-Si | зонная плавка, высокоомный | тысячи Ом·см и выше | 30–1000 мкм | ТГц и дальний ИК; пропускание 50–54% |
Cz-Si — кремний Чохральского (стандартный оптический)
Выращивается методом Чохральского. Слабо легированный материал с удельным сопротивлением 10–40 Ом·см. Стандартный тип для большинства MWIR-приложений. Рабочий диапазон 1,2–7 мкм (основной), плюс тонкие окна до 1 мм работают в диапазоне 8–12 мкм (LWIR). Наличие полос поглощения кислорода (5,8 мкм, 9,1 мкм, 19,4 мкм) может ограничивать применение в некоторых задачах спектроскопии. Применения: окна и линзы для тепловизоров MWIR 3–5 мкм, зеркала для CO₂-лазеров, ИК-фильтры, пирометры, светоделители.
FZ-Si — кремний зонной плавки
Выращивается методом зонной плавки. Содержит меньше примесей кислорода и углерода, что устраняет характерные полосы поглощения. Обеспечивает лучшую прозрачность в диапазоне выше 10 мкм по сравнению с Cz-Si. Удельное сопротивление 5–40 Ом·см. Рабочий диапазон 1,2–20 мкм. Выбирается там, где полосы поглощения кислорода в Cz-Si критичны для задачи.
HRFZ-Si — высокоомный кремний зонной плавки (для ТГц и дальнего ИК)
За исключением синтетического алмаза, высокоомный кремний является единственным изотропным кристаллическим материалом, подходящим для чрезвычайно широкого диапазона длин волн — от ближнего ИК (1,2 мкм) до миллиметрового (1000 мкм) и более. Удельное сопротивление — тысячи Ом·см и выше. Пропускание 50–54% в диапазоне 30–1000 мкм. Рабочий диапазон 30–1000 мкм (ТГц и субмиллиметровый). Применяется в терагерцовой оптике, спектроскопии дальнего ИК, линзах-полусферах для ТГц-детекторов.
Кремний: спектр пропускания.
Покрытия для кремниевой оптики
Непокрытый кремний с показателем преломления ~3,4 теряет на отражение около 47% падающего излучения с двух поверхностей — это неприемлемо для большинства оптических систем. AR-покрытие снижает суммарные потери до 2–5% и необходимо практически всегда.
| Покрытие | Диапазон | Применение |
|---|---|---|
| HR @ 10,6 мкм | зеркальное | CO₂-лазерные зеркала (Au) |
| AR @ 3–5 мкм | MWIR | тепловизоры, пирометры, датчики MWIR |
| AR @ 8–12 мкм | LWIR | тепловизоры LWIR, термографические системы |
| AR @ 1,2–6 мкм | широкополосный NIR/MWIR | широкополосные ИК-системы |
Изготавливаем кремниевую оптику как без покрытия, так и с любым из перечисленных покрытий, а также с нестандартными покрытиями по ТЗ заказчика.
Просветляющее покрытие AR/AR 1,5–5 мкм на кремнии.
Области применения кремниевой оптики
Тепловизоры MWIR (3–5 мкм) — линзы и окна из Cz-Si с AR-покрытием 3–5 мкм. Малый вес и высокая твёрдость делают кремний предпочтительным выбором для различных тепловизионных систем.
CO₂-лазерные станки (10,6 мкм) — поворотные и сканирующие зеркала из Si с золотым покрытием. Стандартный расходный элемент в системах лазерной резки и гравировки. Высокая теплопроводность подложки обеспечивает эффективный теплоотвод.
Пирометры и системы бесконтактного контроля температуры — Si-линзы и фильтры для диапазона 3–5 мкм (MWIR). Кремний прозрачен в обоих атмосферных окнах прозрачности, что важно для систем дистанционного измерения температуры.
Газоанализаторы и датчики газа — ИК-фильтры на Si-подложке для выделения полос поглощения CO₂ (4,26 мкм), CH₄ (3,3 мкм), CO (4,67 мкм) и других газов.
FTIR-спектрометры — Si-светоделители и окна. Плоская пластина Si работает как 50/50 светоделитель в широком ИК-диапазоне без покрытий — стандартный компонент для FTIR в диапазоне 1–7 мкм.
ТГц-спектрометры и системы визуализации — HRFZ-Si окна, линзы-полусферы, лучеделители. Кремний — основной материал пассивной оптики для терагерцового диапазона в России и мире.
Сравнение кремния с германием и селенидом цинка
| Параметр | Si | Ge | ZnSe |
|---|---|---|---|
| Диапазон (основной) | 1,2–7 мкм | 2–16 мкм | 0,6–14 мкм |
| Плотность, г/см³ | 2,33 | 5,33 | 5,27 |
| Твёрдость (Кнуп) | 1100 | 780 | 120 |
| Показатель преломления | ~3,4 | ~4,0 | ~2,4 |
| Теплопроводность, Вт/(м·К) | 163 | 59 | 18 |
| Деградация при нагреве | нет до 300 °C | выше 100 °C | выше 250 °C |
| Относительная цена | низкая | очень высокая | высокая |
| Применение в CO₂-лазере | HR (зеркала) | нет | линзы, окна |
Практическое правило. Кремний — первый выбор в диапазоне 3–5 мкм при требованиях к малому весу и прочности. Германий предпочтителен для 8–14 мкм и систем с высоким показателем преломления. ZnSe — для широкополосных систем от видимого до LWIR и CO₂-лазерной оптики.
Технические возможности производства
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Типы кремния | Cz-Si, FZ-Si, HRFZ-Si |
| Диаметр окон | от 5 до 200 мм |
| Диаметр линз | от 5 до 90 мм |
| Фокусное расстояние | от 5 до 1000 мм |
| Плоскостность | до N=0,5 (λ/2) |
| Качество поверхности | до S/D 20/10 |
| Параллельность | до 10 угловых секунд |
| AR-покрытия | 3–5, 8–12, 1,2–6 мкм и другие |
| Форма | круглая, прямоугольная, нестандартная |
| Партия | от 1 штуки |
N — число колец интерференции (неплоскостность); S/D — класс чистоты поверхности по царапинам/точкам (scratch/dig).
Свойства оптического кремния (Si)
| Химическая формула | Si |
| Плотность (293 К) | 2,329 г/см³ |
| Показатель преломления | 3,4256 на 5 мкм |
| Температура плавления | 1690 К |
| Теплопроводность (313 К) | 163 Вт/(м·К) |
| Твёрдость | 1100 по Кнупу (кг/мм²); 7 по шкале Мооса |
Все свойства
| Молекулярная масса | 28,09 |
| Класс кристалла | кубический |
| Постоянная решётки | 5,43 Å |
| Диэлектрическая постоянная (9,37×10⁹ Гц) | 13 |
| Теплопроводность | 598,6 Вт/(м·К) при 125 К; 163 Вт/(м·К) при 313 К; 105,1 Вт/(м·К) при 400 К |
| Тепловое расширение | −0,5×10⁻⁶ К⁻¹ при 75 К; 2,6×10⁻⁶ К⁻¹ при 293 К; 4,6×10⁻⁶ К⁻¹ при 1400 К |
| Удельная теплоёмкость | 0,18 кал/(г·К) при 298 К; 0,253 кал/(г·К) при 1800 К |
| Температура Дебая | 640 К |
| Запрещённая зона | 1,1 эВ |
| Растворимость в воде | нет |
| Модуль Юнга (E) | 130,91 ГПа |
| Модуль сдвига (G) | 79,92 ГПа |
| Объёмный модуль упругости | 101,97 ГПа |
| Коэффициент Пуассона | 0,28 |
Показатель преломления кремния по длинам волн
| λ, мкм | n | λ, мкм | n | λ, мкм | n |
|---|---|---|---|---|---|
| 1,40 | 3,4900 | 4,50 | 3,4270 | 7,00 | 3,4227 |
| 1,50 | 3,4841 | 5,00 | 3,4256 | 7,14 | 3,4226 |
| 1,66 | 3,4700 | 5,28 | 3,4250 | 7,30 | 3,4225 |
| 1,82 | 3,4600 | 5,50 | 3,4246 | 7,50 | 3,4224 |
| 2,00 | 3,4561 | 5,70 | 3,4243 | 7,72 | 3,4222 |
| 2,50 | 3,4431 | 5,83 | 3,4241 | 8,00 | 3,4220 |
| 3,00 | 3,4360 | 5,92 | 3,4239 | 8,16 | 3,4220 |
| 3,30 | 3,4326 | 6,00 | 3,4238 | 8,50 | 3,4218 |
| 3,50 | 3,4317 | 6,50 | 3,4232 | 9,00 | 3,4216 |
| 4,00 | 3,4289 | 6,92 | 3,4228 | 9,09 | 3,4215 |
Заказать оптику из кремния по чертежу
Пришлите чертёж или техническое задание на sales@alkor.net: укажите тип кремния (Cz/FZ/HRFZ), форму и размеры, покрытие, количество. Специалисты подберут оптимальный тип Si и уточнят наличие.