Optisches Germanium: ein Leitfaden

Germanium, das bereits vor seiner eigentlichen Entdeckung Ende des 19. Jahrhunderts von Mendelejew vorhergesagt wurde, wird in der Optik häufig als Material für IR-Anwendungen verwendet. Neben seinen optischen Eigenchaften weißt es auch interessante Halbleitereigenschaften auf, auf die wir in diesem Leitfaden jedoch nicht näher eingehen werden.

Warum ist Germanium ein geeignetes optisches Material?

Germanium ist zwar recht teuer (rund 1300 USD/kg), bietet aber interessante optische Eigenschaften.

Es hat eine gute Durchlässigkeit im Frequenzbereich von 8 bis 14 µm, der das thermische Infrarotlicht abdeckt, und ist daher ein Material der Wahl für Wärme- und Nachtsichtgeräte. Außerdem weist es einen hohen Brechungsindex auf, der die Entwicklung optischer Komponenten mit großem Öffnungswinkel ermöglicht.

Ge ist auch wegen seiner geringen optischen Dispersion und daher sehr geringen chromatischen Dispersion in seinem Übertragungsspektrum interessant.

Interessanterweise kann es aufgrund seiner zu Diamant ähnlichen Kristallstruktur mit einer DLC-Schicht (Diamond Like Carbon) beschichtet werden, die nicht nur die Reflexion auf der Oberfläche verringert, sondern auch eine diamantähnliche Schutzschicht bildet. Schließlich ist Germanium im sichtbaren Bereich nicht transparent, was für die Fokussierung von IR-Licht nützlich sein kann.

Ein Nachteil von Germanium ist seine Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen, wobei sich seine optischen Eigenschaften bereits bei über 100°C verschlechtern. Als Hochtemperatur-Alternative für das mittlere IR-Spektrum (8-13µm) empfehlen wir BaF2 (geringere Transmission nach 11µm) oder ZnSe.

Eigenschaften von Germanium

Tabelle der Eigenschaften von Germanium :

Eignschaft	wert
Name des Materials	Germanium
Elementsymbol / Ordnungszahl	Ge / 32
Art des chemischen Elements	Metalloid
Farbe	silbrig-grau
Brechungsindex	4
Übertragungsspektrum	1.8µm bis 23µm
Dichte	5.35 g/cm3
Härte	800 Knoop (MOHS 6)
Elastizitätsmodul	75.79 GPa
Thermische Ausdehnung	6.1*10-6 °K-1
Thermische Leitfähigkeit	59 W/(m*°K)
Schmelzpunkt	1210 °K

Übertragungskurve von Germanium

Rohgermanium hat eine relativ durchschnittliche IR-Durchlässigkeit (weniger als 50%), aber Antireflex- oder DLC-Behandlungen verbessern die Durchlässigkeit erheblich.

Welche Arten optischer Komponenten können aus Germanium hergestellt werden?

Das Rohmaterial Germanium ist ziemlich hart, kann aber dennoch gut zu optischen Komponenten bearbeitet und poliert werden:

• Optische Fenster: Hauptanwendung von Germanium mit sehr guter Durchlässigkeit im IR-Bereich und keiner Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich. Häufig werden optische Germaniumfenster mit einer DLC-Beschichtung auf einer Seite verstärkt.
• Linsen: Linsen aus Germanium werden häufig für Wärmebild- und Nachtsichtobjektive verwendet.
• Asphärische Germaniumlinsen: welche zur Verbesserung optischer Eigenschaften und für Anwendungen, mit möglichst niedrigem Gewicht, entwickelt und verwendet. Germanium kann durch Diamantbearbeitung zu Asphären mit hoher Oberflächenqualität verarbeitet werden.
• Wafer: Als Halbleitermaterial, wie Silizium, wird es häufig als dünnes Substrat für elektronische Komponenten verwendet.
• Germanium wird auch häufig als Dotierstoff in den Quarzglaskernen von Glasfasern verwendet. Aufgrund der großen Mengen an Glasfasern, die weltweit für die Datenübertragung verwendet werden, macht diese Anwendung 30 % des weltweiten Germaniumverbrauchs aus.

Zu beachten ist auch, dass Germanium spröder ist als Silizium und daher bei der Bearbeitung mit Vorsicht behandelt werden sollte.

Allgemeine Spezifikationen für Fenster und Linsen

Eigenschaft	Wert
Verfügbare Größe	Durchmesser 3 bis 400mm
Maßtoleranzen	+/-0.01mm
Dicke	1-50mm
Oberflächenqualität	S&D : 60/40 Standardqualität; 40/20 hohe Qualität
Flatness	1/2 lambda
Parallelität	besser als 10″

Bei den oben genannten Werten handelt es sich um allgemeine Spezifikationen, spezifische bessere Werte können verfügbar sein und müssen von Fall zu Fall geprüft werden.

Wo kann Germanium gekauft werden?

Optische Komponenten aus Germanium werden ebenso wie solche aus Silizium von Anbietern von Präzisionsoptik hergestellt, die sich in der Regel auf IR-Anwendungen konzentrieren. Aufgrund des hohen Wertes des Materials sind viele dieser Unternehmen auf bestimmte Komponenten spezialisiert, was Bindung in Lagerbeständen verringert und die Qualität erhöht.

Der größte Teil des Rohmaterials stammt aus China, aber auch Russland und die USA sind wichtige Lieferanten, sodass Qualitätsmaterial überall verfügbar ist.

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