Анализ характеристик инфракрасных оптических материалов различных категорий и обзор их применения во всех отраслях промышленности 

Предисловие. Оптический сапфир, сульфид цинка и монокристаллический кремний — это три основных типа материалов для изготовления окон и линз. Эти три материала значительно различаются по своим тепловым, оптическим и механическим свойствам и соответственно подходят для различных условий эксплуатации: видимого света, ближнего инфракрасного диапазона, средне- и длинноволнового инфракрасного диапазона, экстремально высоких и низких температур, бортового оборудования, систем безопасности и промышленного контроля. Они широко применяются в аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности и сфере безопасности, промышленном измерении температуры, автомобильной оптоэлектронике, разведке энергоресурсов, медицинской диагностике и других областях, являясь незаменимыми базовыми оптическими материалами для оптоэлектронных детекторных систем.

Основные характеристики различных оптических материалов и их применение в промышленности
I. Оптический сапфир (монокристалл Al₂O₃)
(1). Основные свойства материала
1. Диапазон оптической пропускаемости: высокая пропускаемость в диапазоне от ультрафиолета 0,15 мкм до среднего инфракрасного излучения 5,5 мкм; совокупная пропускаемость в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах ≥92%;
2. Механические свойства: твердость по шкале Мооса 9, уступая лишь алмазу; ударопрочность, износостойкость, устойчивость к эрозии под воздействием ветра и песка;
3. Термостабильность: выдерживает широкий диапазон температур от -60 °C до 500 °C, обладает исключительной термостабильностью, не растрескивается при низких температурах и не деформируется при высоких;
4. Химические свойства: устойчив к кислотам и щелочам, сопротивляется коррозии в солевом тумане, не вступает в реакцию с дождем, снегом, песком, пылью и промышленными выбросами;
5. Недостатки: быстрое снижение коэффициента пропускания в длинноволновом инфракрасном диапазоне (8 мкм и выше), не подходит для тепловизионной съемки в сверхдлинноволновом инфракрасном диапазоне.

(2). Сферы применения во всех отраслях
1. Аэрокосмическая отрасль: инфракрасные обтекатели летательных аппаратов, оптические окна бортовых контейнеров, объективы спутниковых наблюдательных систем, кожухи наводящих головок; приспособлены для полетов на больших высотах и с высокой скоростью, устойчивы к аэродинамическому нагреву, низким температурам в верхних слоях атмосферы и ударам песка и гравия, уносимых воздушными потоками.
2. Оборона и безопасность: окна для оптоэлектронного наблюдения на большие расстояния, защитные линзы приборов ночного видения, окна для корабельных оптоэлектронных датчиков, кожухи систем наблюдения и наведения боевых машин; приспособлены для длительного размещения на открытом воздухе в условиях сурового холода (Россия, Северная Европа и др.).
3. Промышленный прецизионный контроль: смотровые окна для измерения температуры в высокотемпературных печах, защитные окна для лазерного оборудования, оптические смотровые окна для вакуумных камер; способны стабильно работать в течение длительного времени при высоких температурах в несколько сотен градусов по Цельсию.
4. Высокотехнологичные гражданские области: линзы для высокотехнологичных оптических приборов, окна для глубоководного исследовательского оборудования, защитные линзы для высококачественных камер, светопропускающие компоненты для медицинских эндоскопов.
II. Оптический сульфид цинка (ZnS)
(1) . Основные характеристики материала
1. Диапазон оптической пропускаемости: полное покрытие от видимого света 0,4 мкм до длинноволнового инфракрасного излучения 14 мкм; основной материал для длинноволнового инфракрасного излучения с превосходными характеристиками пропускания в диапазоне тепловизионного изображения 8–12 мкм;
2. Температурные характеристики: стандартная устойчивость к температурам от -50 °C до 300 °C, умеренный коэффициент теплового расширения; в сочетании с антибликовым покрытием обеспечивает возможность съемки в любых погодных условиях;
3. Характеристики обработки: поддается полировке, нанесению инфракрасных антибликовых/износостойких покрытий; может быть обработан в виде плоских окон, сферических линз и нестандартных обтекателей;
4. Недостатки: относительно низкая твёрдость, сопротивление истиранию песком и ветром ниже, чем у сапфира; при температурах выше 350 °C наблюдается ухудшение оптических характеристик.

(2). Сферы применения во всех отраслях
1. Инфракрасная тепловизионная система безопасности: объективы для наружных инфракрасных термокамер, пограничное инфракрасное оборудование раннего предупреждения, инфракрасные детекторы для лесопожарной охраны, тепловизионные камеры для охраны производственных территорий — это основные области применения данного материала в длинноволновом инфракрасном оборудовании.
2. Автомобильная оптоэлектроника: автомобильные инфракрасные объективы ночного видения, инфракрасные датчики для систем автономного вождения, обеспечивающие круглосуточную съемку в любых погодных условиях, независимо от густого тумана или темноты.
3. Наведение и прицеливание специального оборудования: длинноволновые инфракрасные тепловизоры, линзы для оптоэлектронных подвесных модулей вертолетов, портативное инфракрасное оборудование для обнаружения, сочетающее в себе легкость конструкции и высокое качество инфракрасного изображения.
4. Промышленное измерение температуры: линзы для бесконтактных инфракрасных термометров в металлургии, электроэнергетике и химической промышленности, точно регистрирующие сигналы теплового излучения высокотемпературных объектов в длинноволновом инфракрасном диапазоне.
III. Оптический монокристаллический кремний (Si)
(1). Основные характеристики материала
1. Диапазон оптической пропускаемости: от ближнего инфракрасного (1,2 мкм) до среднего инфракрасного (7 мкм); полностью блокирует видимый свет, пропускает только инфракрасный диапазон, что обеспечивает естественную фильтрацию постороннего света;
2. Тепловые преимущества: отличная теплопроводность, минимальные тепловые искажения, низкий уровень смещения изображения при высоких температурах;
3. Стоимость и обработка: сырье хорошо освоено, легко поддается прецизионной полировке, позволяет серийно производить ультратонкие инфракрасные линзы, отличается превосходным соотношением цены и качества;
4. Недостатки: не пропускает видимый свет, поэтому не может использоваться в оптических системах видимого диапазона; полностью блокирует коротковолновый ультрафиолет.

(2). Сферы применения во всех отраслях
1. Военное оборудование средневолнового ИК-диапазона: бортовые системы оповещения на основе средневолнового ИК-излучения, средневолновые наводящие головки для высокоскоростных летательных аппаратов, автомобильные ИК-объективы для обнаружения, естественное экранирование помех от видимого света, повышение отношения сигнал/шум при обнаружении.
2. Промышленный ИК-контроль: ИК-контроль полупроводниковых пластин, ИК-оборудование для неразрушающего контроля, ИК-объективы для измерения температуры в высокотемпературном оборудовании.
3. Лазерно-инфракрасные системы: окна оптического тракта для инфракрасных лазеров с длиной волны 1–6 мкм, инфракрасные линзы для лазерных дальномеров, совместимые с различными промышленными инфракрасными лазерами.
4. Энергетическая отрасль: инфракрасный контроль фотоэлектрических кремниевых пластин, оптические элементы для инфракрасного оборудования по обнаружению утечек в нефте- и газопроводах.
Общее резюме отраслевых применений
1. В условиях сильного холода, высоких скоростей и сильного износа предпочтительно использовать сапфир: обтекатели авиационных аппаратов, оборудование для открытых постов пограничной охраны, смотровые окна для высокотемпературного промышленного оборудования; благодаря сверхвысокой твёрдости и чрезвычайно широкому диапазону рабочих температур материал подходит для экстремальных условий эксплуатации;
2. Для длинноволновой инфракрасной тепловизионной съёмки, гражданских приборов ночного видения и автомобильного оборудования используется сульфид цинка: он охватывает основные диапазоны теплового излучения человека и оборудования, обеспечивая при этом лёгкость конструкции и высокое качество изображения;
3. Для средневолнового ИК-излучения, лазеров и полупроводниковых датчиков используется монокристаллический кремний: он естественным образом фильтрует посторонний свет видимого диапазона, обладает стабильной теплопроводностью и подходит для прецизионных ИК-систем обнаружения. Все три типа оптических материалов часто сочетаются с разработанными компанией ионно-лучевыми антибликовыми и износостойкими композитными покрытиями, что позволяет дополнительно повысить коэффициент пропускания и устойчивость к внешним помехам.
В настоящее время компания Chongqing Sanhang Optoelectronics Technology Co., Ltd. осуществляет серийные поставки на российские рынки авиакосмической отрасли, безопасности и обороны, а также промышленного контроля. В будущем компания будет по-прежнему уделять пристальное внимание передовым потребностям отрасли, постоянно совершенствовать и модернизировать характеристики продукции, а также расширять каналы сбыта на внутреннем и внешнем рынках, чтобы с помощью более качественной продукции и более совершенного обслуживания содействовать развитию отраслей своих клиентов в Китае и за рубежом, тем самым укрепляя репутацию «китайского интеллектуального производства из Чунцина».