L'elenco dei materiali per le applicazioni a infrarossi

Introduzione

Le applicazioni a infrarossi hanno assunto un'importanza crescente nel corso degli anni. Ingegneri e scienziati hanno spesso bisogno di materiali che funzionino bene alla luce infrarossa. Esaminiamo diverse classi di materiali. Ogni gruppo ha i suoi punti di forza.

Cristalli di fluoruro (fluoruro di calcio, fluoruro di bario, fluoruro di magnesio)

Icristalli di fluoruro come il fluoruro di calcio, il fluoruro di bario e il fluoruro di magnesio sono utilizzati in molti sistemi ottici. La loro proprietà principale è l'elevata trasparenza nella regione dell'infrarosso. In molti casi, questi cristalli sono preferiti per le lenti e le finestre dei sistemi laser ad alta potenza. Ad esempio, il fluoruro di calcio funziona bene nella gamma del vicino infrarosso, da 0,15 a 8 micron. Il fluoruro di bario può coprire una gamma fino a 12 micron. Il fluoruro di magnesio è noto per la sua durata e la facilità di rivestimento delle superfici. Queste caratteristiche rendono i cristalli di fluoruro popolari in campi come l'ottica spaziale e la spettroscopia avanzata.

Materiali calcogenuri (seleniuro di zinco, solfuro di zinco, germanio)

I materiali calcogenidici come il seleniuro di zinco, il solfuro di zinco e il germanio offrono un'eccellente trasmissione nelle regioni del medio e lontano infrarosso. Il germanio, ad esempio, è utilizzato nelle immagini termiche grazie alla sua efficace trasmissione tra i 2 e i 14 micron. Il solfuro di zinco e il seleniuro di zinco sono comuni nelle finestre e nelle cupole a infrarossi per i sistemi di guida missilistica o le telecamere termiche. Le loro proprietà ottiche non lineari li rendono utili anche nella conversione di frequenza dei laser. Ognuno di questi materiali ha un indice di rifrazione elevato e una banda di trasmissione specifica che si adatta molto bene a determinate applicazioni a infrarossi.

Materiali ossidi (zaffiro, silice fusa, ossido di ittrio)

I materiali ossidi sono noti per la loro stabilità e durata. Lo zaffiro è uno dei preferiti per le applicazioni ad alta sollecitazione che richiedono robustezza. Ha un'eccellente chiarezza ottica dall'ultravioletto fino alla gamma media dell'infrarosso. La silice fusa è un altro ossido comune. È rinomato per la sua bassa espansione termica e per la capacità di lavorare in un'ampia gamma di temperature e lunghezze d'onda. L'ossido di ittrio è spesso utilizzato in ambienti ad alta temperatura e mostra un'utile trasmissione infrarossa oltre i 3 micron. La stabilità e la qualità ottica di questi ossidi li rendono ideali per gli ambienti difficili, comprese le applicazioni aerospaziali.

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Semiconduttori per gli infrarossi (silicio, arseniuro di gallio, antimoniuro di indio)

Imateriali semiconduttori come il silicio, l'arseniuro di gallio e l'antimoniuro di indio hanno trovato un posto speciale nella tecnologia a infrarossi. Il silicio funziona bene nel vicino infrarosso ed è ampiamente utilizzato nei sensori delle fotocamere e nei dispositivi di comunicazione. L'arseniuro di gallio offre un'efficiente conversione della luce e un funzionamento ad alta temperatura, che lo rendono comune nelle applicazioni spaziali. L'antimoniuro di indio è un materiale chiave per i rilevatori di infrarossi a onde lunghe, spesso utilizzati nelle termocamere. Questi semiconduttori offrono il giusto equilibrio di proprietà elettriche e ottiche per supportare applicazioni sensibili all'infrarosso in molti dispositivi moderni.

Vetri e compositi speciali (vetro calcogenuro, vetro a infrarossi, compositi polimerici)

I vetri e i compositi speciali completano l'elenco dei materiali utilizzati per le applicazioni a infrarossi. I vetri calcogenidici sono particolarmente adatti per la luce del medio e lontano infrarosso. Hanno elevati indici di rifrazione e possono essere modellati in forme complesse per lenti e fibre. I vetri per infrarossi sono lavorati in modo speciale per rimuovere le impurità che assorbono la radiazione infrarossa. Questi vetri sono molto apprezzati per i test ottici di alta precisione e per i sistemi laser. I compositi polimerici progettati per l'uso a infrarossi sono promettenti per ridurre il peso e mantenere le prestazioni ottiche. Questi materiali sono particolarmente utili nelle ottiche indossabili e nei dispositivi di imaging leggeri, dove spazio e peso sono fondamentali.

Applicazioni nello spettro dell'infrarosso

La scelta del materiale dipende dallo specifico intervallo di infrarossi necessario e dall'ambiente in cui il dispositivo dovrà operare.

I cristalli di fluoruro, con il loro basso assorbimento, sono preferiti nei dispositivi a infrarossi ultravioletti e a onde corte. I materiali calcogenidici eccellono nei sistemi di imaging medicale di fascia alta, soprattutto in aree di spinta come l'avvistamento termico e il controllo di qualità. I materiali ossidi hanno un posto di rilievo negli ambienti ad alta sollecitazione e ad alta temperatura, comprese le lavorazioni industriali e le applicazioni aerospaziali. I semiconduttori sono gli elementi costitutivi di rivelatori e sensori sia nelle apparecchiature di consumo che in quelle specializzate. Infine, i vetri e i compositi speciali offrono ai progettisti flessibilità, garantendo al contempo prestazioni precise nei sistemi di imaging, rilevamento e comunicazione.

Ogni tipo di materiale risponde a criteri rigorosi stabiliti dalle pratiche di ingegneria ottica e da considerazioni di costo. Per un elenco e un confronto dei materiali, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

F: Qual è il materiale migliore per le immagini termiche?
D: L'antimoniuro di indio è molto comune per le immagini termiche a infrarossi a onde lunghe.

F: Il silicio può essere utilizzato in tutte le gamme dell'infrarosso?
D: Il silicio funziona bene nel vicino infrarosso, ma ha dei limiti nel medio e lontano infrarosso.

F: Perché il silicio fuso è popolare negli ambienti difficili?
D: La silice fusa ha una bassa espansione termica e un'elevata durata, ideale per gli ambienti difficili.