Silizium-Optiken
Silizium ist ein berühmtes Element, das mit dem weltweiten High-Tech-Zentrum Silicon Valley in Kalifornien, USA, in Verbindung gebracht wird. Der Verweis auf Silizium ist auf seine dielektrischen Eigenschaften zurückzuführen, die in der Halbleiterindustrie genutzt werden. In diesem Leitfaden werden wir uns jedoch auf die optischen Eigenschaften von Silizium und seine Verwendung als Rohstoff für optische Komponenten konzentrieren.
Warum wird Silizium in der Optik verwendet?
Silicium, das Element mit der Ordnungszahl 14, ist ein auf der Erde weit verbreitetes Element, da es etwa 30 % der Erdkruste ausmacht. Es hat sehr gute optische Eigenschaften im MID-IR-Bereich. MID-IR-Wellenlängen sind für viele bildgebende, biomedizinische und militärische Anwendungen nützlich.
Außerdem ist Silizium ein ziemlich hartes Material, das vielen äußeren Einflüssen widersteht und nicht allzu temperaturempfindlich ist.
Und schließlich ist die Tatsache, dass Silizium für Wellenlängen im sichtbaren Bereich praktisch undurchlässig ist, ein Vorteil, wenn es darum geht, bei der Arbeit im MID-IR-Bereich nicht benötigte Wellenlängensignale zu filtern.
Was sind die Eigenschaften von Silizium?
Tabelle der Eigenschaften
| EIGENSCHAFT | WERT |
| Name, Symbol | Silizium, Si |
| Brechungsindex | 2.50 |
| Übertragungsbereich | 1.2µm bis 8µm |
| Dichte | 2.33 g/cm3 |
| Härte | 1100 Knoop (MOHS 6.5) |
| Elastizitätsmodul | 130.9 GPa |
| Thermische Ausdehnung | 2.6*10-6 °K-1 |
| Thermische Leitfähigkeit | 163 W/(m*°K) |
| Schmelzpunkt | 1690 °K |
Übertragungskennlinie
Folgend sehen Sie die Transmissionskurve eines unbeschichteten Siliziumfensters. Die Transmission kann durch eine Antireflexbeschichtung zwischen 3 und 5 µm stark verbessert werden.
Welche Arten von optischen Komponenten können aus Silizium hergestellt werden?
Siliziumoptiken sind optische Elemente wie Linsen, Fenster und Kuppeln, die im infraroten Spektralbereich verwendet werden. Silizium ist auch ein gängiges Substrat für mikrooptische Komponenten, die in der Regel in opto-elektronische Baugruppen und Wafer integriert werden.
Die optischen Eigenschaften von Siliziumfenstern werden in der Regel durch Antireflexbeschichtungen verbessert, und ihr mechanischer Schutz kann durch Hinzufügen einer DLC-Schicht (Diamond Like Carbon) verstärkt werden.
Allgemeine Spezifikationen für Fenster und Linsen
| EIGENSCHAFT | WERT |
| Verfügbare Maße | Diam 3mm bis Diam 400mm |
| Maßtoleranz | +/-0.01mm |
| Stärke | 1-50mm |
| Oberflächenqualität | S&D : 60/40 normale Qualität; 40/20 hohe Qualität |
| Flatness | 1/2 lambda |
| Parallelität | besser als 10″ |
IR-Optik: Wie wählt man zwischen Silizium und Germanium?
In der IR-Optik sind sowohl Germanium als auch Silizium sehr verbreitete Substrate, aber es gibt Unterschiede.
Erstens ist das Rohmaterial Germanium zwar viel teurer als Rohsilizium, aber das gilt nicht für Materialien in optischer Qualität. Der Materialpreisunterschied kann auch dadurch ausgeglichen werden, dass Silizium härter und daher schwieriger zu verarbeiten ist. Je komplexer das Teil ist (Linsen, Asphären), desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das optische Si-Bauteil teurer ist als sein Ge-Äquivalent.
Zweitens ist ihr optimaler optischer Einsatzbereich unterschiedlich (und komplementär). Während Silizium eine sehr gute Transmission zwischen 3 und 5 µm aufweist, ist die Transmission von Germanium zwischen 8 und 12 µm optimal.
Drittens sind Siliziumoptiken hitzebeständiger als Germaniumoptiken; der Betrieb von Germanium bei Temperaturen über 100°C führt zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften.
Viertens hat Germanium einen viel höheren Brechungsindex (4,05) als Silizium (2,5), was für die Entwicklung von Linsen mit einem größeren Sichtfeld interessant ist.
Schließlich ist Germanium aufgrund seines größeren Übertragungsbereichs für C02-Laseranwendungen zu bevorzugen.
Wie findet man einen guten Lieferanten für Siliziumoptiken?
Optische Komponenten aus Silizium werden von Anbietern von Präzisionsoptik hergestellt, die sich in der Regel auf IR-Optik konzentrieren. Aufgrund des hohen Wertes des Rohmaterials ermöglicht die Spezialisierung diesen Unternehmen, über spezielle Werkzeuge zu verfügen, den Druck auf die Lagerbestände zu verringern und das Risiko von Qualitätsmängeln zu reduzieren.
Zögern Sie nicht, Sinoptix für weitere Informationen oder ein Angebot anzufragen:
