Селениды ZnSe в Минске

Селениды ZnSe — оптическая керамика для ИК-трактов и лазерных систем

Селенид цинка (ZnSe) — поликристаллический оптический материал, получаемый методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). В отличие от монокристаллических аналогов, CVD-ZnSe характеризуется изотропией свойств и возможностью изготовления заготовок крупного формата — до 300 мм в диаметре. Материал аттестован для применения в жёстких условиях эксплуатации: при плотности мощности лазерного излучения до 2 кВт/см и температуре до 250 C без деградации пропускания.

Ключевая особенность ZnSe — широкое окно прозрачности в диапазоне 0,5–22 мкм с коэффициентом пропускания 70–72 % без просветляющего покрытия. Это перекрывает рабочие длины волн CO-лазеров (10,6 мкм), эрбиевых лазеров (2,94 мкм) и тепловизионных систем (8–14 мкм). Показатель преломления n = 2,4028 на 10,6 мкм обеспечивает низкие френелевские потери при использовании просветляющих покрытий на основе ZnS/Ge.

Физико-механические характеристики

Для инженерных расчётов оптических узлов важны следующие параметры CVD-ZnSe:

• Плотность — 5,27 г/см, что на 40 % ниже, чем у германия, при сопоставимой механической прочности;
• Твёрдость по Кнупу — 120 кг/мм, допускает полировку до шероховатости Ra 1 нм;
• Модуль Юнга — 67,2 ГПа, коэффициент Пуассона — 0,28;
• Температурный коэффициент показателя преломления — 61 10 K (на 10,6 мкм);
• Теплопроводность — 18 Вт/(мК) при 20 C, снижается до 8 Вт/(мК) при 200 C;
• Коэффициент теплового расширения — 7,1 10 K в диапазоне 20–300 C.

Механическая прочность ZnSe на изгиб составляет 55 МПа, что требует учёта при конструировании окон, работающих под перепадом давления. Для вакуумных окон и герморазъёмов применяют расчёт толщины по критерию прогиба с запасом 2,5–3.

Применение в промышленном оборудовании

Изделия из селенида цинка востребованы в узлах, где сочетаются высокая лучевая стойкость и широкополосное пропускание:

• Выходные окна и линзы CO-лазеров мощностью 1–20 кВт для резки и сварки металлов;
• Фокусирующие элементы лазерных раскройных комплексов с воздушной или водяной продувкой;
• Защитные окна тепловизионных камер и приборов ночного видения, работающих в спектральном диапазоне 8–14 мкм;
• Оптические элементы пирометров и спектрометров, регистрирующих ИК-излучение в диапазоне 2–20 мкм;
• Подложки для тонкоплёночных фильтров и поляризаторов среднего ИК-диапазона;
• Окна вакуумных камер для лазерной наплавки и аддитивных технологий.

Оптические параметры и допуски

Для серийного производства оптических компонентов из ZnSe нормируются следующие характеристики:

При заказе компонентов из ZnSe необходимо указывать класс чистоты поверхности по MIL-PRF-13830B (обычно 40-20 для лазерной оптики и 60-40 для тепловизионной), а также допустимый уровень включений и пузырности — для CVD-материала он не превышает класса C по ASTM F1097.

Особенности обработки и покрытий

ZnSe относится к хрупким материалам с низкой трещиностойкостью (Kc = 0,5 МПам/), что требует алмазной обработки с контролем режимов резания. Для формообразования асферических поверхностей применяется алмазное точение на станках с воздушными опорами; достигаемая точность формы — до 0,5 мкм. Полировка выполняется на смоляных или полиуретановых подложках с использованием алмазных суспензий фракцией 0,1–3 мкм.

Для снижения френелевских потерь на поверхность наносят многослойные просветляющие покрытия. Типовая конструкция — чередование слоёв ZnS и YbF, обеспечивающее остаточное отражение менее 0,5 % на 10,6 мкм. Для защиты от атмосферной влаги и абразивного износа применяют алмазоподобные углеродные покрытия (DLC) толщиной 1–3 мкм, стойкие к царапанию и солевому туману.

Вопросы и ответы