Optoelektroniikka lasi on luokka tarkkuussuunniteltu optinen lasi, joka on erityisesti suunniteltu ja valmistettu olemaan vuorovaikutuksessa hallittavasti valon kanssa elektronisissa järjestelmissä . Se toimii optisena liitäntämateriaalina laitteissa, jotka joko lähettävät, havaitsevat, lähettävät, moduloivat tai muuntavat valoa sähköisiksi signaaleiksi – tai päinvastoin. Toisin kuin tavallinen tasolasi tai borosilikaattilasi, optoelektroniikan lasi on suunniteltu tarkan taitekertoimen, läpäisyspektrin, pinnan tasaisuuden, sisäisen homogeenisuuden ja kahtaistaittavuuden suhteen, mikä mahdollistaa sen toiminnan aktiivisena tai passiivisena optisena komponenttina laitteissa, kuten valoilmaisimissa, laserdiodeissa, LEDeissä, aurinkokennoissa, optisissa järjestelmissä, kuvantamisjärjestelmissä ja optisissa järjestelmissä. Määrittelevä ominaisuus on se itse lasin on suoritettava määrätty optinen toiminto kvantitatiivisella tarkkuudella , eivät toimi vain läpinäkyvänä ikkunana tai rakenteellisena kotelona.
Optiset ydinominaisuudet, jotka määrittelevät optoelektroniikan lasin
Ominaisuuksia, jotka erottavat optoelektroniikan lasin standardilasista, valvotaan tiukasti valmistuksen aikana ja varmistetaan mittaamalla ennen käyttöä. Nämä ominaisuudet määrittävät soveltuvuuden kuhunkin käyttötarkoitukseen.
Taitekerroin ja dispersio
Taitekerroin (n) määrittää, kuinka paljon lasi taivuttaa valoa, kun se tulee materiaaliin ja lähtee siitä ulos - perusominaisuus, joka ohjaa tarkennusta, kollimaatiota ja säteen muotoilua. Optoelektroniikan lasi on suunniteltu saavuttamaan taitekertoimet, jotka vaihtelevat n = 1,45 (matala-indeksipiidioksidilasit) to n = 2,0 ja enemmän (korkean indeksin kalkogenidi ja raskaat piilasit) , joiden johdonmukaisuus on ±0,0001 tai parempi koko tuotantoerässä. Abbe-luku (Vd) - joka kuvaa kromaattista dispersiota tai kuinka paljon taitekerroin vaihtelee aallonpituuden mukaan - ohjataan arvoihin Vd = 20 (korkean dispersion piilasi) - Vd = 80 (vähädispersioinen kruunulasi) riippuen siitä, vaatiiko sovellus akromaattista korjausta vai aallonpituusselektiivistä käyttäytymistä.
Lähetysspektri
Eri optoelektroniset sovellukset toimivat eri aallonpituuksilla, ja lasin on oltava läpinäkyvää – sisäisen läpäisyn yläpuolella 90–99 % sovelluksen aallonpituuksille – samalla kun se mahdollisesti estää ei-toivotut aallonpituudet. Tavallinen optinen lasi läpäisee hyvin noin 350 nm (lähes-UV) - 2500 nm (keski-infrapuna) . Erikoislasit laajentavat tätä aluetta: UV-säteilyä läpäisevä sulatettu piidioksidi siirtää aallonpituuksia alaspäin 150 nm , kun taas kalkogenidilasit välittävät keski- ja kauko-infrapunaan 1 µm - 12 µm tai enemmän lämpökuvaukseen ja infrapuna-anturisovelluksiin.
Pinnan tasaisuus ja pinnan laatu
Pinnan tasaisuus – mitattuna valon aallonpituuden murto-osissa – ja pinnan laatu (naarmujen, kuoppien ja pinnan alla olevien vaurioiden puuttuminen) vaikuttavat suoraan optiseen suorituskykyyn. Optoelektroniikan lasi on kiillotettu tasaisuusvaatimusten mukaan λ/4 - λ/20 (jossa λ = 633 nm), mikä vastaa pinnan poikkeamia 158 nm - 32 nm täydellisestä lentokoneesta. Pinnan laatu määritellään scratch-dig -merkinnällä (esim. 60-40, 20-10, 10-5), jossa pienemmät luvut osoittavat vähemmän ja pienempiä pintavirheitä.
Sisäinen homogeenisuus ja kupla/inkluusiosisältö
Taitekertoimen vaihtelut lasin tilavuudessa (epähomogeenisuus) aiheuttavat aaltorintaman vääristymiä, jotka heikentävät optista suorituskykyä. Ensiluokkainen optoelektroniikkalasi saavuttaa taitekertoimen homogeenisuuden ±1 × 10⁻⁶ tai parempi aukon poikki. Kuplat ja sulkeumat (lasiin sulamisen aikana jääneet kiinteät hiukkaset) mitataan kokonaispoikkipinta-alalla 100 cm³ lasitilavuutta kohden, ja niiden on oltava kansainvälisten standardien, kuten ISO 10110 tai SCHOTT-lasiluettelolaatujen, määrittelemiä rajoja.
Optoelektroniikan lasien päätyypit ja niiden koostumukset
Optoelektroniikka lasi kattaa useita eri materiaaliperheitä, joista jokainen sopii erilaisiin aallonpituusalueisiin ja suorituskykyvaatimuksiin.
| Lasin tyyppi | Pohjan koostumus | Voimansiirtoalue | Taitekerroinalue | Avainsovellus |
|---|---|---|---|---|
| Sulatettu piidioksidi (synteettinen) | Puhdasta SiO₂ | 150 nm - 3,5 µm | n ≈ 1,46 | UV-laserit, syvä-UV-litografia, kuituoptiikka |
| Kruunulasi (tyyppi BK7) | SiO₂–B2O3–K2O | 350 nm – 2,5 µm | n ≈ 1,52 | Yleinen optiikka, linssit, ikkunat, säteenjakajat |
| Flinttilasi | SiO₂–PbO tai SiO₂–TiO2–BaO | 380 nm – 2,2 µm | n = 1,60–1,90 | Korkean indeksin optiikka, akromaattiset dupletit, prismat |
| Kalkogenidilasi | As–S, Ge–As–Se, Ge–Sb–Te | 1 µm – 12 µm (infrapuna) | n = 2,4–3,5 | Lämpökuvaus, infrapuna-anturit, yönäkö |
| Fluorilasi (ZBLAN) | ZrF4–BaF₂–LaF3–AlF3–NaF | 300 nm – 8 µm | n ≈ 1,50 | Keski-IR kuituoptiikka, lääketieteellinen lasertoimitus |
| Fosfaattilasi | P₂O5-pohjainen harvinaisten maametallien seostusaineilla | 300 nm - 3 µm | n = 1,48–1,56 | Kuituvahvistimet (Er-seostetut), puolijohdelaserit |
Optoelektroniikan lasin käyttö avainlaiteluokissa
Valoilmaisimet ja optiset anturit
Valodetektoreissa – laitteissa, jotka muuttavat valon voimakkuuden sähkövirraksi – optoelektroniikan lasi toimii suojaikkunana ja optisena suodattimena puolijohdetunnistinelementin edessä. Lasin on lähetettävä tavoiteaallonpituus minimaalisella heijastus- ja absorptiohäviöllä samalla kun estetään aallonpituudet, jotka aiheuttaisivat vääriä signaaleja tai vahingoittaisivat ilmaisinta. Ikkunalasin molemmille pinnoille levitetyt heijastuksenestopinnoitteet vähentävät heijastushäviöitä n 4 % pintaa kohden (pinnoittamaton) to alle 0,1 % pintaa kohden , maksimoi ilmaisimen saavuttavan valon osuuden.
Laser- ja LED-komponentit
Laserdiodipaketit ja suuritehoiset LED-moduulit käyttävät optoelektroniikkaa lasia ulostuloikkunoina, sädettä muotoilevina linsseinä ja kollimointielementteinä. Lasin on kestettävä suuri fotonivuon tiheys - mahdollisesti megawattia per cm² pulssilaserisovelluksissa – ilman laserin aiheuttamaa vauriota (LID), lämpömurtumaa tai valotummumista. Sulatettu piidioksidi ja valitut optiset kruunulasit ovat suositeltavia suuritehoisissa lasersovelluksissa niiden korkean laservauriokynnyksen ja alhaisen absorption vuoksi laseraallonpituuksilla.
Valokuitu- ja aaltoputkikomponentit
Optinen kuitu – ensisijainen tiedonsiirtoväline televiestinnässä ja datakeskusten yhteenliittämisessä – on itsessään optoelektroniikan lasin erikoismuoto: tarkasti vedetty piidioksidikuitu, jonka ytimen taitekerroin on hieman korkeampi kuin verhous, joka ohjaa valoa sisäisellä kokonaisheijastuksella satojen kilometrien etäisyyksiltä. häviöt niinkin pienet kuin 0,15 dB/km aallonpituudella 1550 nm. Tietoliikennekuidun tiukat puhtausvaatimukset – hydroksyyli(OH)-ionipitoisuus alla 1 miljoonasosa matalavesihuipun kuitulaaduissa — havainnollistaa, kuinka tarkasti optoelektroniikan lasi on suunniteltu.
Aurinkokennojen suojalasi ja keskittävä optiikka
Aurinkosähköisten aurinkokennojen käyttö optoelektroniikan lasi sekä suojaavana kotelointisuojana että aurinkosähköjärjestelmissä (CPV) tarkkuusoptisina keskittäjinä, jotka kohdistavat auringonvalon pieniin, tehokkaisiin moniliitoskennoihin. Aurinkosuojalasin tulee yhdistää korkea auringonläpäisykyky (yllä 91–92 % 300–1 200 nm:n aurinkospektrillä), alhainen rautapitoisuus absorption minimoimiseksi ja heijastuksia estävä teksturointi tai pinnoite pintaheijastuksen vähentämiseksi – samalla kun nämä optiset ominaisuudet säilyvät 25-30 vuoden käyttöikä ulkona .
Näyttö- ja kuvantamisjärjestelmät
Älypuhelinten näyttöjen, kameramoduulien, litteiden näyttöjen ja projektiojärjestelmien kansilasi ja optiset pinokomponentit kuuluvat kaikki optoelektroniikan lasiin. Kameran linssielementeissä käytetään tarkasti muovattua optista lasia, jonka taitekerroin ja dispersio on tiukasti säädelty, jotta saavutetaan vaadittu kuvan resoluutio, kromaattinen korjaus ja herkkyys heikossa valossa. Älypuhelimen kameramoduulit sisältävät nyt rutiininomaisesti 5–8 yksittäistä lasilinssielementtiä optista järjestelmää kohti, jokainen valettu tai hiottu alle mikronin tarkkuudella.
Valmistusprosessit, jotka määrittävät lasin optisen laadun
Optoelektroniikan lasin optinen laatu määräytyy ensisijaisesti valmistuksen sulamis- ja muovausvaiheessa, ja myöhemmät kylmätyöstöprosessit parantavat pintaominaisuuksia, mutta eivät pysty korjaamaan perustavanlaatuisia bulkkivirheitä.
- Tarkkuussulatus ja homogenointi — Raaka-aineerän puhtaus ja sulamislämpötilan hallinta ovat kriittisiä. Jopa pienet raudan (Fe²⁺/Fe³⁺) tasot miljoonasosilla aiheuttavat absorptiokaistoja näkyvässä ja lähi-infrapunassa, mikä vähentää läpäisyä. Platinavuorattuja sulatusastioita käytetään korkealuokkaisissa optisissa laseissa estämään tulenkestävien upokasmateriaalien aiheuttama kontaminaatio.
- Hallittu hehkutus — hidas, tarkasti ohjattu jäähdytys (hehkutus) muodostamisen jälkeen lievittää sisäisiä jännityksiä, jotka muutoin aiheuttaisivat kahtaistaitetta — polarisaatiotilojen jakautuminen, joka huonontaa lasersäteiden koherenssia ja heikentää polarimetristen antureiden tarkkuutta. Premium-optisen lasin hehkutusnopeudet ovat tyypillisesti 1-5°C tunnissa lasittumislämpötila-alueen läpi.
- Tarkkuushionta ja kiillotus — Optiset pinnat hiotaan asteittain hienommilla hioma-aineilla ja kiillotetaan sitten vaadittuun pinnan karheuteen ja tasaisuuteen käyttämällä kiillotus- tai polyuretaanikiillotustyökaluja kontrolloidulla paineella ja suhteellisella liikkeellä. Laadukkaiden optisten pintojen pinnan karheus on tyypillisesti Ra < 1 nm — sileys atomimittakaavassa.
- Heijastamaton ja toimiva pinnoite — Fyysistä höyrypinnoitusta (PVD) ja ionisuihkuruiskutusta käytetään yksi- tai monikerroksisten ohutkalvopinnoitteiden levittämiseen, jotka muuttavat pinnan heijastuskykyä, lisäävät aallonpituusselektiivistä suodatusta tai tarjoavat ympäristönsuojelun. Vakiolaajakaistainen heijastuksenestopinnoite optoelektroniikan lasissa koostuu 4–8 vuorotellen korkean ja matalan indeksin kerrosta joiden kokonaispaksuus on alle 1 µm.
Optoelektroniikkalasi vs vakiolasi: tärkeimmät erot
| Omaisuus | Optoelektroniikan lasi | Standard Float Glass |
|---|---|---|
| Taitekertoimen säätö | ±0,0001 tai parempi per batch | Ei hallittu tarkasti |
| Sisäinen lähetys | >99 %/cm suunnitteluaallonpituudella | 85-90 % (raudan imeytymisrajat) |
| Pinnan tasaisuus | λ/4 - λ/20 (polished) | Useita aallonpituuksia - ei optisesti tasainen |
| Homogeenisuus | Δn ≤ ±1 × 10⁻⁶ aukon poikki | Merkittävää indeksin vaihtelua |
| Kahtaistaittavuus | <2–5 nm/cm (hehkutettu) | Suuri – jäännöslämpöjännitys |
| Kupla- ja inkluusiosisältö | Tarkkaan määritelty ISO 10110:n mukaan | Ei määritelty |
| Käytettävissä oleva aallonpituusalue | 150 nm - 12 µm (laadusta riippuen) | ~380 nm – 2,5 µm (näkyy vain lähi-IR:lle) |
| Kustannukset | Korkea – vaaditaan tarkkaa valmistusta | Matala – hyödyketuotanto |
