Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

На выбор материалов оптических деталей ИКС влияет достаточно большое число факторов. Помимо оптических свойств того или иного материала приходится учиты­вать его эксплуатационные характеристики (физико-механические свойства, стойкость к воздействию различных сред и др.), технологичность (обрабатываемость, возмож­ность получения деталей нужных размеров и форм, обеспечение требуемого качества поверхности и т. д.), стоимость.

Основными оптическими и другими физико-механическими параметрами и харак­теристиками материалов, как известно, являются:

- спектральное пропускание или отражение;

- показатель преломления;

- дисперсия;

- изменение коэффициента пропускания и показателя преломления при изменении температуры;

- плотность;

- твердость;

- теплопроводность;

- коэффициент термического расширения;

- теплоемкость;

- модуль упругости;

- температуры размягчения и плавления;

- стойкость к воздействию различных сред.

В табл. 6.1-6.4, составленных на основе анализа большого числа публикаций и ката­логов промышленных фирм [51, 61, 69, 78, 106, 137, 151, 220 и др.], приводятся значе­ния ряда важных параметров для распространенных на практике материалов.

Пользуясь данными, приведенными в табл. 6.1 и 6.2, можно вычислить число Аббе, характеризующее дисперсию г-го материала:

Где пХ1, пХ1 и пХ}/ - показатели преломления на средней (?ч) и граничных (к2 и Л,3) дли­нах волн рабочего спектрального диапазона. Учитывая заметную зависимость показателя

Преломления от длины волны, характерную для большинства материалов, дисперсию и зависящий от нее хроматизм изображения необходимо рассчитывать раздельно для ка­ждого из спектральных диапазонов, в которых работает ИКС. Часто изменение диспер­сии не позволяет использовать один и тот же материал, например ве, для изготовления линз, работающих в многодиапазонных (многоспектральных) ИКС.

Следует отметить, что у многих оптических материалов (ве, 81, 2п8, гпБе) коэф­фициент термического (теплового) расширения заметно возрастает при увеличении

Температуры. Это часто приходится учитывать и обеспечивать соответствующую атер - мализацию оптической системы [229].

Как правило, выбор материала оптических систем является серьезной технико­экономической задачей. Поскольку наиболее распространенный и дешевый матери­ал - обычное оптическое стекло разных марок — прозрачен лишь в ограниченном спектральном диапазоне (приблизительно до 2 мкм), в большинстве ИКС приходит­ся использовать гораздо более дорогостоящие и менее технологичные специальные
стекла, кристаллы и различные соединения. Отметим вкратце особенности некото­рых из них.

Общей особенностью этих материалов является их более высокая стоимость по срав­нению с оптическим стеклом. Ряд материалов (Се, Сс1Те, АМТШ.-1, гпБе, 81, гпБ, ОаАэ) отличается высоким показателем преломления, а следовательно, и более высоким коэф­фициентом отражения на поверхностях детали, что делает крайне желательным их про­светление. Другие материалы (1лР, М§Р2 и др.), напротив, имеют сравнительно малый показатель преломления, а следовательно, достаточно хорошо пропускают ИК - излучение. Поэтому часто детали, изготовленные из них, выполняют без просветления.

Одним из наиболее распространенных материалов оптических систем ИКС является германий. Объективы, работающие в среднем (3...5 мкм) и особенно в длинноволновом (8... 14 мкм) ИК-диапазонах, часто представляют собой совокупность линз, изготовлен­ных из германия. В диапазоне 3...5 мкм ве позволяет обеспечить хроматическую кор­рекцию, т. е. линзы из Ое используются в паре с линзами, изготовленными из других материалов.

Таблица 6.2

Параметры инфракрасных стекол

Поскольку германий имеет большой показатель преломления и малую дисперсию, в ряде случаев объективы из него не нужно ахроматизировать. При необходимости же ахроматизации хорошие результаты дает совместное использование в объективе линз из германия и халькогенидных соединений, например АМТП1-1.

Нужно учитывать, что с ростом температуры детали из Ое теряют прозрачность - в два раза при нагреве до Ю0...120°С и почти полностью при 160...200°С [220]. Не­сколько в меньшей степени, но тоже весьма заметно это свойственно деталям из [106]. Большей стойкостью по отношению к изменению температуры обладает гпЭе, хотя его пропускание хуже, чем у Ое.

Материалы, имеющие широкий спектральный диапазон прозрачности, например ZnSe, Ge, КРС-5, можно использовать для изготовления подложек светоделительных элементов, часто применяемых в ИКС, работающих в двух или более спектральных поддиапазонах.

С начала 90-х годов для производства оптических деталей ИКС стали использовать прозрачные в диапазоне 0,6... 14 мкм композиционные материалы типа КО-4/КО-2 (ZnSe/ZnS) с коэффициентом поглощения на длине волны 10,6 мкм порядка 0,02 см-1. Для повышения механической прочности деталей из поликристаллического селенида цинка, получаемого химическим осаждением из газовой фазы, на их поверхность наносят тонкий (0,5... 1 мм) слой сульфида цинка. Это повышает одновременно и влагостой­кость таких деталей. В настоящее время освоено производство заготовок из композита ZnSe-ZnS диаметром до 350...400 мм. Недостатком такого материала является его вы­сокая стоимость.

Устойчивость характеристик к перепадам температуры одного из наиболее термо­стойких материалов - GaP - в три раза больше, чем у ZnS, и в два раза больше, чем у Ge. Как и композит ZnSe-ZnS, хорошими оптическими и эксплуатационными характе­ристиками обладает комбинация GaP-GaAs. К настоящему времени освоено производ­ство деталей из GaP-GaAs сравнительно небольших размеров - до 80 мм [220].

К числу других современных оптических материалов можно отнести SiC, из которо­го методом вакуумного химического осаждения удается изготавливать крупногабарит­ные оптические детали, прозрачные в ИК-диапазоне до 5...6 мкм и стойкие к термиче­ским, механическим и другим внешним воздействиям. В ближайшем будущем можно ожидать появления сверхпрочных оптических деталей (защитных стекол) из искусст­венного алмаза толщиной в десятки и даже сотни микрометров.

Для изготовления крупногабаритных (до 300 мм в диаметре).обтекателей ракетных систем и летательных аппаратов, стойких к температурам до 500...800°С, используется ряд материалов, перечисленных в табл. 6.1-6.3. Из них для работы в длинноволновом ИК-диапазоне (8... 14 мкм) пригодны практически лишь ZnS или ZnS-ZnSe.

Как известно, оптические детали из органических полимеров (пластмасс), в том числе и с асферическими поверхностями, наиболее дешевы, имеют малую массу, лег­ко изготавливаются методом литья под давлением. К сожалению, большинство из­вестных пластмасс пропускает излучение в ограниченном спектральном диапазоне (0,4... 1,1 мкм). Их оптические параметры изменяются от одной партии деталей к дру­гой. Изделия из пластмасс не стойки к механическим воздействиям, не выдерживают воздействия влаги и некоторых агрессивных сред, что заставляет применять специаль­ные защитные покрытия, тем самым повышая их стоимость.

Трудности выращивания и механической обработки кристаллов больших размеров, а также обеспечения однородности оптических свойств в заготовках диаметром более нескольких сантиметров часто вынуждают переходить от линзовых оптических систем к зеркальным. В качестве материалов для подложек зеркал, работающих в широком диапазоне температур, используются пирекс, плавленый кварц, ситаллы, бериллий и другие материалы, (см. табл. 6.3). Применение бериллия, отличающегося жесткостью и малой плотностью, позволяет заметно уменьшить массу зеркала. Из-за кристалличе­ской структуры бериллия его поверхность плохо полируется, поэтому перед нанесени­ем на подложку отражающего слоя на ее поверхность наносят промежуточный слой никелевого сплава.

Таблица б. З

Параметры некоторых материалов, используемых для изготовления подложек зеркал

Коэффициент отражения большинства металлов, определяемый как

_ (и -1)2 + а2 Р ~ (и +1)2 + а2 '

Где п - показатель преломления, а а - показатель поглощения металла (см. табл. 6.4), увеличивается с ростом длины волны излучения. Хорошей отражательной способно­стью обладает алюминий, коэффициент отражения которого в ИК-области спектра дос­тигает 95%. В качестве других отражающих покрытий применяют такие материалы, как золото, палладий, родий, с коэффициентом отражения 95...98%.

Помимо металлизированных зеркал, в ИКС используют отражающие и светоделитель­ные многослойные интерференционные покрытия, стоимость изготовления которых выше, а эксплуатационные свойства (устойчивость к воздействиям внешних агрессивных

Сред, стабильность характеристик) хуже, чем у металлических покрытий. Кроме того, трудно нанести однородные по толщине интерференционные покрытия на детали (под­ложки) больших диаметров - более нескольких сантиметров.

В качестве просветляющих покрытий можно использовать пленки пятиокиси нио­бия, которые прозрачны (т > 90%) для излучения с длиной волны свыше 10 мкм. Пока­затель преломления пятиокиси ниобия на длине волны А, = 2,8 мкм п = 2,04, что позво­ляет с помощью этого вещества, равно как и диоксида церия (для А, = 2...4 мкм т = 85%) и сернистого цинка (для А, = 7... 14 мкм т = 95%), просветлять германий. По­следний применяется и для просветления кремния. Из других материалов просветляю­щих покрытий следует отметить криолит (для А. = 0,2... 10 мкм п = 1,34), фтористый магний (для X = 0,12...5 мкм п = 1,35), сернистый цинк (для X = 0,4... 15 мкм п = 2,15) и оксид кремния (для X = 0,4...8 мкм п = 1,45... 1,90), обладающие высокой прочностью и химической стойкостью, а также диоксиды титана и циркония.

В последние годы появились сообщения о создании эффективных противоотра - жающих покрытий на основе полимеров. Так, фирма «Janos Technology» сообщает об эффективных целлофановых противоотражающих пленках для оптических деталей из Ge, AMTIR-1 и других материалов, работающих в диапазонах 3...5 и 8...12 мкм. Такие