شیشه اپتو الکترونیک یک دسته از شیشه نوری با مهندسی دقیق به طور خاص فرموله شده و ساخته شده است تا به طور قابل کنترلی با نور در سیستم های الکترونیکی تعامل داشته باشد. . این ماده به عنوان ماده رابط نوری در دستگاه هایی عمل می کند که نور را ساطع می کنند، تشخیص می دهند، انتقال می دهند، مدوله می کنند یا به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند - یا برعکس. برخلاف شیشههای تخت استاندارد یا شیشههای بوروسیلیکات، شیشههای الکترونیک نوری با مشخصات دقیق ضریب شکست، طیف انتقال، صافی سطح، همگنی داخلی و انکسار مضاعف مهندسی شدهاند و آن را قادر میسازند تا به عنوان یک جزء نوری فعال یا غیرفعال در دستگاههایی مانند آشکارسازهای نوری، دیودهای لیزری، سیستمهای نوری LED، سیستمهای حسگر نوری LED، سلولهای حسگر خورشیدی عمل کند. ویژگی تعیین کننده این است که خود شیشه باید یک عملکرد نوری تعریف شده را با دقت کمی انجام دهد ، صرفاً به عنوان یک پنجره شفاف یا محفظه ساختاری عمل نمی کند.
ویژگی های نوری هسته ای که شیشه های Opبه-Electronic را تعریف می کنند
ویژگی هایی که شیشه های اپتوالکترونیک را از شیشه استاندارد متمایز می کند، در طول ساخت به شدت کنترل می شود و قبل از استفاده با اندازه گیری تأیید می شود. این ویژگی ها مناسب بودن را برای هر کاربرد تعیین می کند.
ضریب شکست و پراکندگی
ضریب شکست (n) تعیین میکند که شیشه چقدر نور را هنگام ورود و خروج از ماده خم میکند - این ویژگی اساسی بر تمرکز، تلاقی و شکلدهی پرتو است. شیشه های اپتو الکترونیک برای دستیابی به ضرایب شکست اعم از n = 1.45 (شیشه های سیلیکا با شاخص کم) به n = 2.0 و بالاتر (شیشه های کالکوژنید با شاخص بالا و سنگ چخماق) ، با قوام از 0.0001 ± یا بهتر در سراسر دسته تولید عدد Abbe (Vd) - که پراکندگی رنگی یا میزان تغییر ضریب شکست با طول موج را توصیف می کند - به مقادیری از Vd = 20 (شیشه سنگ چخماق با پراکندگی بالا) تا Vd = 80 (شیشه تاج با پراکندگی کم) بسته به اینکه برنامه به اصلاح رنگی یا رفتار انتخابی طول موج نیاز دارد.
طیف انتقال
برنامه های مختلف نوری الکترونیکی در طول موج های مختلف کار می کنند و شیشه باید شفاف باشد - با انتقال داخلی بالا 90-99٪ برای طول موج برنامه - در حالی که به طور بالقوه طول موج های ناخواسته را مسدود می کند. شیشه نوری استاندارد به خوبی از تقریبا 350 نانومتر (نزدیک UV) تا 2500 نانومتر (مادون قرمز میانی) . عینک های تخصصی این محدوده را گسترش می دهند: سیلیس ذوب شده انتقال دهنده UV طول موج ها را تا 150 نانومتر ، در حالی که عینک های کالکوژنید در مادون قرمز وسط و دور از مادون قرمز منتقل می شوند 1 میکرومتر تا 12 میکرومتر یا بیشتر برای کاربردهای تصویربرداری حرارتی و حسگر مادون قرمز.
صافی سطح و کیفیت سطح
صافی سطح - که در کسری از طول موج نور اندازه گیری می شود - و کیفیت سطح (عدم خراش، گودبرداری و آسیب های زیرسطحی) مستقیماً بر عملکرد نوری تأثیر می گذارد. شیشه های اپتو الکترونیک به مشخصات صافی جلا داده می شوند λ/4 تا λ/20 (که در آن λ = 633 نانومتر)، مربوط به انحرافات سطح 158 نانومتر تا 32 نانومتر از یک هواپیمای کامل کیفیت سطح با استفاده از نمادهای حفاری خراش مشخص می شود (به عنوان مثال، 60-40، 20-10، 10-5)، که در آن اعداد کمتر نشان دهنده عیوب سطح کمتر و کوچکتر است.
همگنی درونی و محتوای حباب/شامل
تغییرات در ضریب شکست در سراسر حجم شیشه (ناهمگنی) باعث اعوجاج جبهه موج می شود که عملکرد نوری را کاهش می دهد. شیشه اپتو الکترونیک ممتاز به همگنی ضریب شکست دست می یابد ± 1 × 10-6 یا بهتر در سراسر دیافراگم حباب ها و آخال ها (ذرات جامد محبوس شده در شیشه در طول ذوب) با سطح مقطع کل در هر 100 سانتی متر مکعب از حجم شیشه اندازه گیری می شوند و باید کمتر از حد تعیین شده توسط استانداردهای بین المللی مانند ISO 10110 یا گریدهای کاتالوگ شیشه SCHOTT باشند.
انواع اصلی شیشه های Opto-Electronics و ترکیبات آنها
شیشه اپتو الکترونیک چندین خانواده مواد متمایز را در بر می گیرد که هر کدام برای محدوده طول موج های مختلف و الزامات عملکرد مناسب هستند.
| نوع شیشه | ترکیب پایه | محدوده انتقال | محدوده ضریب شکست | برنامه کلیدی |
|---|---|---|---|---|
| سیلیس ذوب شده (مصنوعی) | SiO2 خالص | 150 نانومتر – 3.5 µm | n ≈ 1.46 | لیزر UV، لیتوگرافی عمیق UV، فیبر نوری |
| شیشه تاج (نوع BK7) | SiO2-B2O3-K2O | 350 نانومتر - 2.5 میکرومتر | n ≈ 1.52 | اپتیک عمومی، عدسی، پنجره، پرتو اسپلیتر |
| شیشه سنگ چخماق | SiO2-PbO یا SiO2-TiO2-BaO | 380 نانومتر - 2.2 میکرومتر | n = 1.60-1.90 | اپتیک با شاخص بالا، دوتایی آکروماتیک، منشور |
| شیشه کالکوژنید | As–S، Ge–As–Se، Ge–Sb–Te | 1 میکرومتر - 12 میکرومتر (مادون قرمز) | n = 2.4-3.5 | تصویربرداری حرارتی، حسگرهای مادون قرمز، دید در شب |
| شیشه فلوراید (ZBLAN) | ZrF4–BaF2–LaF3–AlF3–NaF | 300 نانومتر - 8 میکرومتر | n ≈ 1.50 | فیبر نوری Mid-IR، تحویل لیزر پزشکی |
| شیشه فسفات | مبتنی بر P2O5 با مواد ناخالص خاکی کمیاب | 300 نانومتر - 3 میکرومتر | n = 1.48-1.56 | تقویت کننده های فیبر (Er-doped)، لیزرهای حالت جامد |
نحوه استفاده از شیشه Opto-Electronics در دسته بندی دستگاه های کلیدی
آشکارسازهای نوری و حسگرهای نوری
در آشکارسازهای نوری - دستگاه هایی که شدت نور را به جریان الکتریکی تبدیل می کنند - شیشه نوری الکترونیک به عنوان پنجره محافظ و فیلتر نوری در مقابل عنصر حسگر نیمه هادی عمل می کند. شیشه باید طول موج مورد نظر را با حداقل انعکاس و افت جذب منتقل کند و در عین حال طول موج هایی را که می تواند باعث سیگنال های نادرست یا آسیب آشکارساز می شود مسدود کند. پوشش های ضد انعکاس اعمال شده بر روی هر دو سطح شیشه پنجره تلفات انعکاس را تقریباً کاهش می دهد 4% در هر سطح (بدون روکش) به کمتر از 0.1٪ در هر سطح ، کسری از نور فرودی را که به آشکارساز می رسد به حداکثر می رساند.
اجزای لیزر و ال ای دی
بستههای دیود لیزری و ماژولهای LED پرقدرت از شیشه نوری الکترونیک به عنوان پنجرههای خروجی، لنزهای شکلدهنده پرتو و عناصر همسو استفاده میکنند. شیشه باید چگالی شار فوتون بالا را تحمل کند - به طور بالقوه مگاوات بر سانتی متر مربع در کاربردهای لیزر پالسی - بدون آسیب ناشی از لیزر (LID)، شکستگی حرارتی یا تاریک شدن نور. سیلیس ذوب شده و شیشه های تاج نوری انتخاب شده به دلیل آستانه آسیب لیزری بالا و جذب کم در طول موج لیزر برای کاربردهای لیزری با قدرت بالا ترجیح داده می شوند.
فیبر نوری و اجزای موجبر
فیبر نوری - رسانه انتقال اولیه برای ارتباطات از راه دور و اتصالات مرکز داده - خود شکل تخصصی شیشه نوری الکترونیکی است: فیبر سیلیسی دقیق کشیده شده با ضریب شکست هسته کمی بالاتر از روکش، که نور را با انعکاس کلی داخلی در فواصل صدها کیلومتر هدایت می کند. تلفات کمتر از 0.15 دسی بل در کیلومتر در طول موج 1550 نانومتر الزامات خلوص مورد نیاز برای فیبر مخابراتی - محتوای یون هیدروکسیل (OH) در زیر 1 قسمت در میلیارد در گریدهای فیبر کم آب - دقت مهندسی شیشه نوری الکترونیک را نشان می دهد.
پوشش شیشه ای سلول خورشیدی و اپتیک متمرکز
استفاده از سلول های خورشیدی فتوولتائیک شیشه نوری الکترونیک هم به عنوان یک پوشش محصور کننده محافظ و هم در سیستم های فتوولتائیک متمرکز (CPV)، به عنوان متمرکز کننده های نوری دقیق که نور خورشید را بر روی سلول های چند اتصالی کوچک و با کارایی بالا متمرکز می کند. شیشه پوشش خورشیدی باید ضریب عبور خورشیدی بالا را ترکیب کند (در بالا 91-92٪ در سراسر طیف خورشیدی 300 تا 1200 نانومتر)، محتوای آهن کم برای به حداقل رساندن جذب، و بافت یا پوشش ضد انعکاس برای کاهش انعکاس سطح - در حالی که این خواص نوری در طول یک 25 تا 30 سال عمر مفید در فضای باز .
سیستم های نمایش و تصویربرداری
شیشه روکش و اجزای پشته نوری نمایشگرهای گوشی های هوشمند، ماژول های دوربین، نمایشگرهای صفحه تخت و سیستم های پروجکشن همگی در شیشه های اپتوالکترونیک قرار دارند. عناصر لنز دوربین از شیشه نوری با قالب گیری دقیق با ضریب شکست و پراکندگی کاملاً کنترل شده برای دستیابی به وضوح تصویر مورد نیاز، تصحیح رنگی و حساسیت به نور کم استفاده می کنند. ماژول های دوربین گوشی های هوشمند در حال حاضر به طور معمول شامل 5-8 عنصر عدسی شیشه ای جداگانه در هر سیستم نوری، هر یک قالب گیری یا آسیاب شده تا دقت زیر میکرون.
فرآیندهای تولیدی که کیفیت نوری شیشه را تعیین می کند
کیفیت نوری شیشه های اپتو الکترونیک عمدتاً در طی مراحل ذوب و شکل گیری ساخت تعیین می شود، با فرآیندهای سرد کار بعدی که خواص سطح را تصفیه می کنند اما قادر به اصلاح عیوب اساسی عمده نیستند.
- ذوب و همگن سازی دقیق - خلوص دسته ای مواد خام و کنترل دمای ذوب بسیار مهم است. حتی سطوح کمی آهن (Fe2+/Fe3+) در سطح قسمت در میلیون، نوارهای جذبی را در مرئی و مادون قرمز نزدیک ایجاد میکند و انتقال را کاهش میدهد. مخازن ذوب با روکش پلاتین برای شیشه های نوری درجه یک استفاده می شود تا از آلودگی مواد بوته نسوز جلوگیری شود.
- بازپخت کنترل شده - خنکسازی آهسته و دقیقاً کنترلشده (بازپخت) پس از شکلگیری، تنشهای داخلی را که در غیر این صورت باعث شکست مضاعف میشوند، کاهش میدهد - تقسیم حالتهای قطبی که انسجام پرتوهای لیزر را کاهش میدهد و دقت سنسورهای پلاریمتری را کاهش میدهد. نرخ بازپخت برای شیشه های نوری ممتاز معمولاً است 1-5 درجه سانتیگراد در ساعت از طریق محدوده دمای انتقال شیشه ای.
- سنگ زنی و پرداخت دقیق - سطوح نوری به تدریج با ساینده های ظریف تر آسیاب می شوند، سپس با استفاده از ابزارهای صیقل دهنده گام یا پلی اورتان با فشار کنترل شده و حرکت نسبی، به زبری و صافی سطح مورد نیاز صیقل داده می شوند. زبری سطح برای سطوح نوری با کیفیت بالا معمولاً وجود دارد Ra < 1 نانومتر - نرمی در مقیاس اتمی
- ضد انعکاس و رسوب پوشش عملکردی - رسوب فیزیکی بخار (PVD) و کندوپاش پرتو یونی برای اعمال پوشش های لایه نازک تک لایه یا چند لایه که بازتاب سطح را تغییر می دهند، فیلترهای انتخابی طول موج اضافه می کنند یا حفاظت از محیط زیست را به کار می برند. یک پوشش استاندارد ضد انعکاس باند پهن روی شیشه های اپتو الکترونیک شامل 4-8 لایه متناوب با شاخص بالا و پایین با ضخامت کلی زیر 1 میکرومتر.
شیشه Opto-Electronics در مقابل شیشه استاندارد: تفاوت های کلیدی
| اموال | شیشه Opto-Electronics | شیشه فلوت استاندارد |
|---|---|---|
| کنترل ضریب شکست | 0.0001 ± یا بهتر per batch | به دقت کنترل نمی شود |
| انتقال داخلی | > 99% در هر سانتی متر در طول موج طراحی | 85-90٪ (محدودیت جذب آهن) |
| صافی سطح | λ/4 تا λ/20 (polished) | چندین طول موج - از نظر نوری مسطح نیستند |
| همگنی | Δn ≤ 1 × 10-6 در سراسر دیافراگم | تنوع شاخص قابل توجهی وجود دارد |
| دوشکستگی | <2-5 نانومتر بر سانتی متر (پخت شده) | وجود تنش حرارتی پسماند بالا |
| محتوای حباب و گنجاندن | به طور دقیق بر اساس ISO 10110 مشخص شده است | مشخص نشده است |
| محدوده طول موج موجود | 150 نانومتر to 12 µm (grade dependent) | ~ 380 نانومتر - 2.5 میکرومتر (فقط برای نزدیک به IR قابل مشاهده است) |
| هزینه | ساخت با دقت بالا مورد نیاز است | تولید کالای کم |
