SCHOTT solutions Nr. 1/2016 > Infrarotgläser

Infrarotgläser
Die Chalkogenid-Glasfamilie von SCHOTT bietet exzellente Transmission über weite Bereiche des IR-Spektrums. Foto: SCHOTT/J. Stevens

Unsichtbares sichtbar machen


Durch intensive Forschung und direkten Kundenkontakt sorgen SCHOTT Entwickler dafür, dass Infrarotgläser ständig optimiert und so für technische Anwendungen maßgeschneidert werden können.


Dr. Barbara Stumpp

Infrarotstrahlung können wir nicht sehen, wohl aber als Wärme auf der Haut spüren. Der wissenschaftliche Nachweis der Infrarot (IR)- bzw. Wärmestrahlung gelang dem Astronomen Friedrich Wilhelm Herschel erstmalig um das Jahr 1800: Er zerlegte das Sonnenlicht mit einem Prisma in seine spektralen Teile und fand dabei jenseits des roten, das heißt langwelligsten Bereichs des sichtbaren Lichts eine nicht sichtbare aber wärmende Strahlung. Während das sichtbare Licht eine Wellenlänge von 400 Nanometer (blau) bis 780 Nanometer (rot) hat, spricht man bei Wellenlängen von 780 Nanometer bis etwa 3 Mikrometer (µm) vom nahen IR, im Bereich 3,5 bis 5 µm vom mittleren IR und von 8 µm bis etwa 14 µm vom langwelligen bzw. thermischen IR.

IR-Anwendungen benötigen hochwertige Optiken


Um IR-Strahlung sichtbar, messbar und technisch nutzbar zu machen – sei es in Nachtsichtgeräten, Wärmebildkameras, Motion-Control-Systemen, Pyrometern oder Diagnosegeräten – müssen die in den Systemen eingesetzten optischen Materialien ganz besondere Anforderungen erfüllen. Gebräuchliches Kalk-Natron-Glas, aber auch viele Spezialgläser sind beispielsweise im mittleren und thermischen Infrarot opak und nicht geeignet. Ursache hierfür ist die Absorption der IR-Strahlung durch Molekülschwingungen der Glasmatrix (Silizium-Sauerstoff-Bindung und andere). Perfekt einsetzbar hingegen sind spezielle IR-Gläser, wie sie seit vielen Jahren in den Laboren von SCHOTT am Standort Duryea, Pennsylvania (USA) entwickelt und ständig optimiert werden. „Störendes” Silizium wird hierbei durch Arsen, Germanium, Antimon oder Gallium und Sauerstoff durch Schwefel, Selen oder Tellur ersetzt. Als Ergebnis erhält man sogenannte Chalkogenidgläser. Sie verfügen über die notwendige hohe Transmission im kurz-, mittel- und langwelligen Infrarot, eine niedrige Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes sowie geringe Dispersion. Die hochwertigen Chalkogenidgläser können zudem mit anderen Gläsern der Serie oder anderen IR-Materialien kombiniert werden. „Damit bieten wir Lösungen und unterstützen Optikdesigner bei der Konstruktion thermisch unempfindlicher und leistungsfähiger optischer IR-Systeme”, erklärt Dr. Nathan Carlie, Research and Technology Development, SCHOTT North America. Das optisch exzellente, aber empfindliche Glas wird durch vorgesetzte Fenster vor der Einsatzumgebung geschützt. Das Schutzfenster besteht aus einem harten Material, das über die gesamte optische Bandbreite transparent ist. Für diesen Zweck entwickelte SCHOTT Wissenschaftler Dr. Keith Rozenburg mit IRC-1 einen keramischen Prozess zur Herstellung von polykristallinem Zinksulfid. IRC-1 vermeidet damit die Nachteile von Zinksulfid, das kostenintensiv über einen chemischen Gasabscheideprozess hergestellt wird.

„Unsere Forschung in unmittelbarer Nähe zur Fertigung dient dazu, die Qualität der Gläser –
also Transmission und Homogenität – ständig zu optimieren und zugleich die Kosten
durch eine verbesserte Schmelzeffizienz und neue Herstellungsprozesse wie
etwa Präzisionsverformen zu reduzieren.”

Dr. Nathan Carlie, Research and Technology Development, SCHOTT North America
 
Inftrarotgläser
In den Laboren von SCHOTT in Duryea, Pennsylvania/USA werden IR-Gläser seit vielen Jahren entwickelt und optimiert. Foto: SCHOTT/J. Stevens

Konzepte für die Zukunft


Die IR-Bildverarbeitung entwickelt sich seit einigen Jahren von klassischen Anwendungen hin zu zunehmend komplexen, kompakten und kostengünstigen Multispektral-Anwendungen. „Multispektral” bedeutet, dass der sichtbare Wellenlängenbereich bis zum langwelligen IR erfasst wird – die Spanne der Wellenlängen ist damit mehr als 10-mal größer als bei der sichtbaren Optik. Eine Anwendungsmöglichkeit ist unter anderm die multispektrale Überwachung der Umwelt aus Satelliten heraus. In der Diskussion, aber noch visionär, sind auch IR-Kameras in Smartphones oder anderen mobilen Geräten, welche die Einsatzfelder der Infrarottechnologie – ob im Gesundheitswesen, der Landwirtschaft, dem Wohnungsbau oder im Automotive-Bereich – nicht nur vereinfachen, sondern in Zukunft auch beträchtlich erweitern können.

Bisher verfügbare multispektrale IR-Materialien wie durch chemische Gasphasenabscheidung hergestelltes Zinksulfid und Zinkselenid sind kristallin, aufwendig herzustellen und in der Bearbeitung sehr teuer. Dr. Carlie: „Gläser hingegen können in großen Mengen geschmolzen und kostengünstig in Form gebracht werden.”
Infrarotgläser
IR-Produkte wie diese Linse sind eine kostengünstige Alternative zu aufwendig gefertigten multispektralen IR-Materialien wie etwa kristallines Zinksulfid oder Zinkselenid. Foto: SCHOTT/J. Stevens
Ein wirklicher Treiber der neuen Technologie ist die Möglichkeit, die optischen Eigenschaften der Gläser für innovative Anwendungen maßzuschneidern: Für die nächste Generation optischer IR-Systeme hat SCHOTT bereits neue, optimierte Glaszusammensetzungen entwickelt, welche die erforderliche gezielte Dispersion und präzise Kontrolle der thermischen Effekte ermöglichen. „Die multispektralen Chalkogenid IRG-X Gläser sind transparent vom sichtbaren Bereich durch das ganze langwellige IR. Und gerade auf den Markt gekommen!”, so Dr. Carlie.

Die IR-Technologie dürfte schon bald einen weiteren Impuls erhalten: SCHOTT arbeitet an Materialien für Gradientenindex-Linsen, die eine miniaturisierte IR-Bilderzeugung ermöglichen. Bei der Gradientenoptik wird die Brechung im Glas durch eine sich kontinuierlich ändernde Materialvariation modifiziert, wodurch ganze Linsengruppen ersetzt werden können. IR-Bilderkennungssysteme lassen sich dadurch künftig noch einfacher, kompakter und damit kostengünstiger herstellen. <
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Sichtspektrum des Lichts