بحران ژرمانیوم 2024: شیشه کالکوژنید در مقابل ژرمانیوم در اپتیک تصویربرداری حرارتی

بحران ژرمنیوم 2024

صنعت تصویربرداری حرارتی به طور قابل توجهی تحت تأثیر تورم بی سابقه قیمت ژرمانیوم در طول سال 2024 قرار گرفته است. عوامل متعددی در این وضعیت نقش داشته اند:

افزایش قیمت:

• قیمت ژرمانیوم در مقایسه با سال 2023 بیش از دو برابر شده است.
• برخی از گریدهای ژرمانیوم نوری تا 200-300% افزایش قیمت داشته اند.
• هزینه لنزهای فوکوس طولانی به دلیل نیاز به حجم مواد بیشتر، به طرز چشمگیری افزایش یافته است

محرک های بازار:

• تنش های ژئوپلیتیکی بر زنجیره تامین
• افزایش تقاضا از سوی صنایع نیمه هادی و فیبر نوری
• منابع تولید جهانی محدود
• انباشت مواد استراتژیک توسط کشورهای بزرگ

تاثیر بر صنعت تصویربرداری حرارتی:

• هزینه های قابل توجهی برای سیستم های نوری LWIR افزایش می یابد - زیرا در سیستم نوری LWIR خنک نشده به طور گسترده ای از F1.{2}} یا سیستم نوری کمتر استفاده می شود، به دلیل نیاز سیستم خنک نشده طبیعی NETD و MRTD. در حالی که در MWIR، که در آن سیستم خنک‌کننده بیشتر غالب است، لنز F4.{4}} یا بزرگ‌تر معمولاً برای به دست آوردن جمع‌وجورتر استفاده می‌شود، بنابراین هزینه ژرمانیوم کمتری تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
• افزایش زمان سرب برای اپتیک های مبتنی بر ژرمانیوم
• علاقه روزافزون به مواد و طرح های جایگزین
• فشار برای بهینه سازی طرح های نوری برای حداقل استفاده از ژرمانیوم
• این وضعیت بازار علاقه به شیشه کالکوژنید را به عنوان یک ماده نوری جایگزین، به ویژه برای کاربردهای حساس به هزینه، تشدید کرده است.

بنابراین، در طول نیمه سال جاری دوباره مطرح شده استجایگزینی ژرمانیوم با شیشه کالکوژنید

چیستشیشه کالکوژنید? شیشه های کالکوژنید ترکیباتی هستند که حاوی یک یا چند عنصر کالکوژن (گوگرد، سلنیوم یا تلوریم) همراه با عناصری مانند ژرمانیوم، آرسنیک یا آنتیموان هستند. این عینک ها انتقال خوبی در طیف مادون قرمز نشان می دهند، به ویژه در محدوده 8-14 میکرومتر مورد استفاده در تصویربرداری حرارتی.

مقایسه شیشه کالکوژنید و ژرمانیوم

چرا کالکوژنید نمی تواند به طور کامل جایگزین ژرمانیوم شود:

• عملکرد نوری:

ضریب شکست پایین تر ازشیشه کالکوژنیدبه این معنی که سطوح نوری بیشتری مورد نیاز است، همچنین احتمالاً افزایش سطوح منجر به تلفات انتقال بیشتر و چالش‌برانگیزتر برای دستیابی به طرح‌های فشرده خواهد شد.

• سیستم مورد نیاز:

سیستم‌های با کارایی بالا اغلب به ویژگی‌های برتر ژرمانیوم نیاز دارند، در حالی که کاربردهای دوربرد به ویژه به ویژگی‌های نوری ژرمانیوم نیاز دارند، به‌ویژه برخی از باندهای طول موج به خواص انتقال ژرمانیوم نیاز دارند.

• مبادلات طراحی نوری:

معمولاً هنگام استفاده از کالکوژنید (یا بیشتر) سیستم‌های بزرگ‌تر و سنگین‌تر است، یا پیچیدگی در طراحی نوری را افزایش می‌دهد و همچنین ممکن است در برخی از کاربردها با وجود هزینه مواد کمتر، هزینه کل بالاتری داشته باشد.

عینک کالکوژناید در طراحی لنز گرم شده

شیشه‌های کالکوژنید به دلیل چندین ویژگی کلیدی نقش مهمی در طراحی لنزهای گرم شده برای سیستم‌های تصویربرداری حرارتی دارند:

• خواص حرارتی:

شیشه های کالکوژنید دارای ضرایب حرارتی متفاوتی در مقایسه با ژرمانیوم هستند، به این معنی که dn/dT آنها (تغییر ضریب شکست با دما) معمولاً مخالف ژرمانیوم است و ضریب انبساط حرارتی با ژرمانیوم متفاوت است.

• استراتژی گرم شدن:

با ترکیب عناصر شیشه ای کالکوژنید با عناصر ژرمانیوم، طراحان می توانند گرماسازی غیرفعال ایجاد کنند. ویژگی‌های حرارتی مخالف این مواد می‌تواند تغییر فوکوس ناشی از دما را خنثی کند. بنابراین، این امر نیاز به مکانیسم های تنظیم فوکوس فعال را حذف یا کاهش می دهد.

این امر باعث می‌شود شیشه‌های کالکوژناید در ایجاد سیستم‌های تصویربرداری حرارتی پایدار و قابل اعتماد که می‌توانند در محدوده‌های دمایی وسیع بدون تنظیم فوکوس عمل کنند، ارزشمند است.

نتیجه گیری:

در حالی که شیشه کالکوژنید مزایای قانع کننده ای از نظر هزینه و قابلیت ساخت دارد، نمی تواند به طور کامل جایگزین ژرمانیوم در کاربردهای تصویربرداری حرارتی شود. رویکرد بهینه اغلب شامل استفاده استراتژیک از هر دو ماده، متعادل کردن الزامات عملکرد با محدودیت‌های هزینه است.

با پیشرفت علم مواد و بهبود تکنیک‌های ساخت، شیشه کالکوژنید احتمالاً نقش مهمی را در اپتیک‌های تصویربرداری حرارتی، به‌ویژه در کاربردهای حساس به هزینه و حجم بالا بازی می‌کند.