Hiệu suất cốt lõi của bộ lọc băng hồng ngoại - tốc độ truyền và độ sâu cắt của một dải cụ thể phụ thuộc trực tiếp vào sự lựa chọn hợp tác của vật liệu cơ bản và vật liệu phủ, đòi hỏi phải xem xét toàn diện dựa trên phạm vi bước sóng mục tiêu, khả năng chịu đựng môi trường và chi phí.

I. Vật liệu cơ bản: nền tảng của tính chất quang học và cơ học

Chất nền là chất mang của bộ lọc, điều kiện đầu tiên là phải có độ trong suốt cao trong dải thông mục tiêu và có tính chất cơ học và hóa học ổn định.

Hồng ngoại sóng ngắn (SWIR, 1-3μm): Kính quang phổ biến (như BK7) hoặc thạch anh nóng chảy. Hệ số giãn nở nhiệt sau này là cực kỳ thấp và ổn định môi trường tốt hơn.

Hồng ngoại sóng trung bình (MWIR, 3-5μm): vật liệu chính là germanium đơn tinh thể (Ge), có chỉ số khúc xạ cao và truyền ánh sáng tốt, nhưng đắt tiền và dễ vỡ; Kẽm sunfua (ZnS) và kẽm selenide (ZnSe) là những lựa chọn thay thế tuyệt vời, đặc biệt là ZnSe, có phạm vi truyền cực rộng trong cả MWR và hồng ngoại sóng dài (LWIR), nhưng độ cứng tương đối thấp.

Hồng ngoại sóng dài (LWIR, 8-14μm): Germanium đơn tinh thể vẫn quan trọng, silicon (Si) cũng thường được sử dụng trong 8-12μm vì độ cứng cao và chi phí thấp; Ngoài ra, các tinh thể như natri clorua (NaCl), kali bromua (KBr) có phạm vi truyền ánh sáng cực kỳ rộng, nhưng rất dễ bị thủy triều và cần được bảo vệ nghiêm ngặt.

Thứ hai, vật liệu phủ: chìa khóa để đạt được quang phổ "sàng lọc"

Nguyên lý giao thoa màng mỏng là cốt lõi để đạt được chức năng băng thông, được tạo thành bằng cách chưng xen kẽ lớp màng trung bình chiết suất cao (H) và thấp (L).

Ghép nối vật liệu: Sự kết hợp cổ điển bao gồm germanium (Ge) dưới dạng lớp H với silic monoxit (SiO) hoặc kẽm sunfua (ZnS) dưới dạng lớp L. Ví dụ, trong khu vực MWIR/LWIR, sự kết hợp Ge/ZnS được sử dụng rộng rãi do chỉ số khúc xạ kém và độ bền môi trường tốt.

Đột phá và xu hướng: Những tiến bộ trong khoa học vật liệu thúc đẩy việc áp dụng các vật liệu mới:

Thay thế oxit: chẳng hạn như titanium dioxide (TiO₂), tantali pentoxit (TaO₂), vv được sử dụng trong cận hồng ngoại, cung cấp ngưỡng thiệt hại laser cao hơn và ổn định.

Màng vô định hình: Sử dụng silicon vô định hình (A-Si), germanium vô định hình (A-Ge), v.v., có thể làm giảm tổn thất tán xạ do ranh giới hạt gây ra và cải thiện tính đồng nhất và hiệu suất quang học.

Thiết kế mạnh mẽ và bền bỉ: Tăng đáng kể khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn của bộ lọc và thích nghi với môi trường khắc nghiệt bằng cách giới thiệu các vật liệu cứng như germanium carbide (GeC), carbon giống kim cương (DLC) làm lớp bảo vệ hoặc thành phần lớp màng.

Kết luận:

Thiết kế của bộ lọc hồng ngoại hiện đại đã phát triển thành một kỹ thuật hệ thống. Khi lựa chọn, trước tiên theo ban nhạc làm việc để chọn cơ sở, sau đó dựa trên độ chính xác băng thông, yêu cầu cắt, độ cứng môi trường (chịu nhiệt độ, độ ẩm, chống va đập) và chi phí, chọn hệ thống vật liệu mạ phù hợp và thiết kế hệ thống màng. Những đột phá trong khoa học vật liệu, đặc biệt là sự phát triển của các vật liệu mạ cứng, tổn thất thấp và ổn định cao mới, đang thúc đẩy sự phát triển của bộ lọc hồng ngoại theo hướng hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ hơn, tuổi thọ dài hơn và khả năng thích ứng môi trường rộng hơn.