Кремний Si: Линзы, окна, зеркала, светоделители, фильтры из Кремния.
Алкор Текнолоджиз производит ИК-оптику из оптического кремния — Si окна, 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 на электронную почту sales@alkor.net с указанием количества деталей. Наши специалисты помогут подобрать оптимальное решение для вашей задачи.
Линзы и окна из кремния
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.
Три 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:
Cz-Si — кремний Чохральского (стандартный оптический)
Выращивается методом Чохральского. Слабо легированный материал с удельным сопротивлением 10–40 Ом·см. Выбор материала из трёх типов зависит от рабочего диапазона длин волн, толщины элемента и специфики применения. 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
Продукция из оптического кремния
-
Оптические окна из кремния
Плоскопараллельные пластины 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.
Линзы из кремния
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.
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. Узнать подробнее
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 — и хорошая механическая стойкость. Низкий коэффициент линейного теплового расширения и его слабая температурная зависимость делают кремний основным материалом для зеркал CO₂-лазеров.
-
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.
Производим сферические линзы из кремния — плосковыпуклые, двояковыпуклые, менисковые — диаметром от 5 до 90 мм, фокусное расстояние от 5 до 1000 мм. Кремниевые линзы применяются в тепловизионных объективах (3–5 мкм), дальномерах.
Наиболее важные области применения оптических деталей из кремния — спектроскопия, оптика тепловизионных объективов (3–5 мкм).
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.
1.5-5µm AR/AR просветляющее покрытие 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 CO₂-лазер | HR | 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 |
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.
Телефон +7 812 363 12 40 Электронная почта sales@alkor.net
Свойства оптического кремния (Si):
| Химическая формула | Si |
| Молекулярный вес | 28.09 |
| Crystal Class | Cubic |
| Lattice Constant, A | 5.43 |
| Плотность, г/см3 at 293 K | 2.329 |
| Диэлектрическая постоянная for 9.37 x 109 Hz | 13 |
| 1690 | |
| Теплопроводность, W/(m K) at 125 K at 313 K at 400 K |
598.6 163 105.1 |
| Тепловое расширение, 1/K at 75 K at 293 K at 1400 K |
-0.5 x 10-6 2.6 x 10-6 4.6 x 10-6 |
| Удельная теплоемкость, cal/(g K) at 298 K at 1800 K |
0.18 0.253 |
| Температура Дебая, K | 640 |
| Запрещенная зона, eV | 1.1 |
| Растворимость в воде | нет |
| Твердость по Кнупу, kg/mm2 | 1100 |
| Твёрдость по шкале Мооса | 7 |
| Модуль Юнга, GPa | 130.91 |
| Модуль сдвига, GPa | 79.92 |
| Модуль упругости, GPa | 101.97 |
| Коэффициент Пуассона | 0.28 |
Кремний - Показатель преломления
| µm | n | µm | n | µm | 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 |