IR-Optik: BaF2 eine Alternative zu Germanium?
Ge ist das am häufigsten verwendete optische Material für die Thermooptik. Kann es durch ein anderes ersetzt werden? Material? In diesem Artikel untersuchen wir Bariumfluorid als Anwärter auf diese beherrschende Stellung .
Schwierigkeiten bei der Beschaffung optischer Germaniumkomponenten
Schwierige Verfügbarkeit
China ist der weltweit größte Produzent von Germanium, einem strategischen Element, das in der Elektronik verwendet wird. Vor kurzem hat das Land strenge Kontrollen über die Verwendung und den Export von Germanium eingeführt, wahrscheinlich als Reaktion auf die US-Sanktionen gegen die Chip-Technologie. Der Zugang zu rohem Germanium ist jetzt viel schwieriger, da Exporte einen langwierigen und unsicheren Genehmigungsprozess durch den chinesischen Zoll durchlaufen müssen.
Obwohl Germanium auf der ganzen Welt verbreitet ist, kommt es nur in geringen Konzentrationen vor. Seine Veredelung zu hochreinem Material in optischer Qualität erfordert eine komplexe Ausrüstung. Daher werden andere Länder vor erheblichen Herausforderungen stehen, wenn es darum geht, ihre Germaniumversorgung zu ersetzen, ohne große Investitionen in den Abbau und die Raffination zu tätigen.
Volatile Preise
Wie in der folgenden Grafik dargestellt (Daten von tradingeconomics.com), ist der Preis für Germanium im letzten Jahrzehnt stetig gestiegen und hat einen Anstieg erlebt 3,53-facher Anstieg. Die jüngsten Trends deuten nicht auf eine Stabilisierung, sondern eher auf eine Beschleunigung des Kostenanstiegs hin. Mit Stand Oktober 2024 beträgt der aktuelle Preis 3.883 US-Dollar pro Kilogramm, was Germanium zu einem erheblich teuren Material macht.
Kann BAF2 eine Alternative zu Germanium sein?
Bariumfluorid und Germanium weisen eine gemeinsame gute Transmission im IR- und insbesondere im thermischen IR-Spektrum auf, weisen jedoch unterschiedliche Eigenschaften auf. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten zusammen.
| Bariumfluorid | Germanium | Kommentare | |
|---|---|---|---|
| Chemische Elemente | BaF2 | Ge | |
| Übertragungsreichweite | 0.25-12 µm (T beginnt bei 9,5 µm abzunehmen) | 1.6 – 20 µm | BaF2 ist im sichtbaren Bereich transparent, Ge dagegen nicht. Ge geht im fernen Infrarot darüber hinaus. |
| Brechungsindex | 1.47 | 4.0 | Riesiger Unterschied, was bedeutet, dass die Optik für einen Wechsel von Ge zu BaF2 komplett neu konstruiert werden müsste. |
| Dichte (g/cm3) | 4.9 | 5.32 | |
| Spektrale Dispersion | Niedrig | Sehr niedrig | Beide Materialien weisen eine geringe chromatische Aberration auf, was für die Arbeit mit einem großen Spektrum nützlich ist |
| Härte GPa | 0.75 (Mohs 3.5) | 6.1 (Mohs 6) | Dieser Unterschied ist sehr signifikant, da BaF2 aufgrund seiner geringen Härte leicht beschädigt werden kann. |
| Sprödigkeit | Sehr spröde | spröde | Beide erfordern eine sorgfältige Handhabung, BaF2 jedoch noch mehr |
| Temperaturbeständigkeit | Kann bis zu 800 °C in trockener Umgebung verwendet werden (500 °C bei Feuchtigkeit) | Ab 100° beginnen sich die optischen Eigenschaften zu verschlechtern. | BaF2 ist eine interessante Alternative zu Ge für den Einsatz bei höheren Temperaturen. |
| Thermoschockbeständigkeit | Nicht gut | Durchschnitt | |
| Feuchtigkeitsbeständigkeit | Eine längere Einwirkung von Feuchtigkeit wirkt sich negativ auf die Qualität aus | Oxidiert bei längerer Einwirkung von Feuchtigkeit | Die DLC-Beschichtung auf Germanium verbessert die Feuchtigkeitsbeständigkeit erheblich |
| Dimensionsverfügbarkeit | Bis D200mm | Schwieriger ist es, große Durchmesser zu finden | Für Optiken größer als D100mm wird Germanium aufgrund des knappen Angebots noch teurer. |
Eine Alternative nur für begrenzte Anwendungen:
Während beide Materialien eine geringe spektrale Dispersion und eine gute Transmission im IR-Spektrum aufweisen, ist Germanium viel widerstandsfähiger gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere wenn es mit einer DLC-Beschichtung verstärkt wird.
In einer geschützten Umgebung wie einem Labor zeigt Bariumfluorid interessante Vorteile für optische Komponenten: erstens sein Preis (die Hälfte von Germanium zum Zeitpunkt des Schreibens) und seine Fähigkeiten Arbeiten bei höheren Temperaturen und Transparenz im Sichtbaren.
