Importancia de la elección del material en óptica infrarroja

Como es bien sabido, la luz es una onda electromagnética, y, basándose en su frecuencia y longitud de onda, se distinguen diferentes regiones en el espectro electromagnético: rayos gamma, rayos X, ultravioleta (UV), visible (Vis), infrarrojo (IR), microondas y ondas de radio.

Según sea entonces la región a la que pertenezca un haz de luz, este interactuará de forma diferente con cada elemento de materia que se cruce en su recorrido. Por esta razón, un material puede ser transparente para un determinado rango de longitudes de onda y, a su vez, opaco para la radiación fuera de dicho rango, ya sea que esta sea absorbida o reflejada por el mismo.

Un buen ejemplo es la propia atmósfera de nuestro planeta. La radiación gamma, los rayos X y los rayos ultravioleta procedentes del espacio son bloqueados por los gases que la componen, protegiendo así la vida en nuestro planeta. En cambio, estos gases permiten el paso del espectro visible, algunas bandas del infrarrojo cercano (NIR) y una amplia región correspondiente a las microondas y las ondas de radio. Estos rangos del espectro que llegan hasta la superficie del planeta son las llamadas ventanas atmosféricas y la siguiente imagen representativa ayuda a visualizarlas.

A la hora de diseñar un sistema óptico, la elección de los materiales para las lentes, ventanas o prismas del mismo, es entonces uno de los aspectos más relevantes, sobre todo en las primeras etapas del diseño. Dichos materiales deben ser los más adecuados para transmitir el intervalo de longitudes de onda en el que opere el sistema, debiendo asegurarse de que ninguno sea opaco en dicho rango, ni que absorba o refleje altamente la radiación. Si esto último llegara a producirse, gran parte de la radiación no alcanzaría el detector, afectando significativamente al rendimiento del sistema y la calidad de la imagen e información obtenida.

Habiendo establecido la importancia de la respuesta de los materiales a las diferentes longitudes de onda de la radiación, conviene señalar que este no es el único aspecto que debe tenerse en cuenta. También es necesario considerar factores como la disponibilidad de los materiales, su coste o los plazos de entrega, y evaluar si se ajustan a las necesidades del proyecto.

Un buen ejemplo es el germanio (Ge), uno de los materiales más empleados en óptica infrarroja, sobre todo en sistemas de imagen térmica. En los últimos años, su abastecimiento se ha dificultado cada vez más, y, en el caso de estar disponible, se han producido grandes aumentos en su precio y los plazos de entrega se han prolongado significativamente.

Debido a esta situación, ha surgido la necesidad de impulsar la búsqueda y evaluación de materiales alternativos para sistemas de infrarrojo, tales como el silicio (Si), el seleniuro de zinc (ZnSe) o el sulfuro de zinc (ZnS), entre otros. Aun así, no existe ningún substituto universal, pues, tal y como se ha comentado, cada material presenta unas propiedades ópticas, factores de coste y disponibilidad específicas.

¿Qué es la óptica infrarroja?

El infrarrojo es una amplia región del espectro electromagnético, que comprende un amplio conjunto de longitudes de onda. Esta comienza aproximadamente entre los 700 y los 780 nanómetros, justo después de la región de luz visible, y se prolonga hacia longitudes de onda mayores y frecuencias más bajas, es decir, fotones de menor energía. Concretamente, se considera que se extiende hasta alrededor de 1 milímetro de longitud de onda, donde da paso a la región de las microondas.

El infrarrojo se divide a su vez en las bandas que se presentan a continuación. Se trata de una clasificación orientativa aceptada en diversos campos de la ingeniería y en el ámbito de los sistemas de detección y formación de imágenes.

• Infrarrojo cercano (Near Infrared, NIR): entre 0.7 y 1.4 µm.
• Infrarrojo de onda corta (Short-Wave Infrared, SWIR): entre 1.4 y 3 µm.
• Infrarrojo de onda media (Mid-Wave Infrared, MWIR): entre 3 y 5 µm.
• Infrarrojo de onda larga (Long-Wave Infrared, LWIR): entre 8 y 14 µm.
• Infrarrojo lejano (Far Infrared, FIR): desde 15 µm hasta 1 mm.

Cada una de estas bandas interactúa de manera diferente con los materiales, razón por la que no se puede sustituir sin más un componente de Ge por otro material distinto y esperar que el sistema siga siendo válido para las mismas aplicaciones y conserve las mismas prestaciones en su conjunto.

Con esto establecido, se puede ya definir la óptica infrarroja. Esta es precisamente la rama de la óptica que se centra en el estudio y el aprovechamiento de la radiación infrarroja, así como en el diseño de los componentes y sistemas capaces de generarla, transmitirla, dirigirla o detectarla.

Según la banda espectral empleada, la óptica infrarroja presenta aplicaciones muy diversas. Las bandas MWIR y LWIR, por ejemplo, se emplean en cámaras térmicas para obtener imágenes a partir de la radiación infrarroja emitida por las personas u objetos, resultando altamente útiles en sistemas de vigilancia, observación científica, y control de procesos industriales, entre otros.

Otro destacado ámbito de aplicación es en astronomía. Las observaciones infrarrojas permiten estudiar una gran variedad de objetos y fenómenos astronómicos, como nubes de polvo, regiones de formación estelar, discos protoplanetarios, o estrellas y planetas fríos. Asimismo, este tipo de observaciones permite observar y estudiar objetos extremadamente lejanos, pues, debido a la expansión del universo, la radiación que estos emitieron originalmente en longitudes de onda más cortas llega hasta nosotros desplazada hacia longitudes de onda mayores, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo. No obstante, tal y como se visualizó en la imagen representativa de la sección anterior, parte de la radiación infrarroja es absorbida por la atmósfera terrestre, de ahí que resulte más efectivo realizar las observaciones desde grandes altitudes o mediante telescopios espaciales.

Retomando la idea planteada al comienzo del artículo, la transparencia de un material depende de la longitud de onda de la radiación que incide sobre él. Por ejemplo, los vidrios ópticos empleados habitualmente en cámaras fotográficas, microscopios o gafas de vista se seleccionan precisamente por su elevada transmisión en el espectro visible. Aunque muchos de ellos también transmiten parte del infrarrojo, solo que dicha transmisión disminuye al avanzar hacia longitudes de onda mayores.

La explicación de este fenómeno se encuentra en la estructura atómica y molecular de cada material, la cual determina cómo este interactúa con la radiación electromagnética y qué longitudes de onda puede transmitir, absorber o reflejar. En el caso de que el material de un componente absorba una parte significativa de la radiación que se desea medir, la cantidad de energía recibida por el detector disminuirá, provocando entonces la reducción de la sensibilidad del sistema, pudiendo deteriorarse la relación señal-ruido y, con ella, la calidad de la imagen o de la medida obtenida.

¿Qué propiedades determinan la elección de un material para óptica infrarroja?

Habiendo establecido que cada material interactúa de manera diferente con la radiación, se procede a abordar las características fundamentales de los materiales que todo diseñador óptico debe tener en cuenta antes de comenzar con el proceso de diseño.

· Rango de longitudes de onda

Es relevante descartar desde un comienzo aquellos materiales que, a pesar de presentar propiedades mecánicas adecuadas, facilidad de fabricación o incluso ser económicos, no transmitan adecuadamente las longitudes de onda de interés.

·  Índice de refracción

El índice de refracción es una magnitud adimensional que describe cómo se propaga la luz en un medio, y mide la desviación de los rayos cuando estos pasan de un medio a otro. Se define matemáticamente a partir del cociente de la velocidad de la luz en el vacío () y la velocidad de la luz en el medio en estudio ():

Cuanto mayor sea su valor, menor es la velocidad  del rayo, y mayor es la desviación o cambio en su dirección de propagación que experimenta al atravesar la superficie de separación entre dos medios.

Se trata de un parámetro que influye directamente en la potencia óptica, la curvatura y, consecuentemente, las dimensiones de las lentes. Para obtener una misma potencia, un material con un índice de refracción elevado permite emplear superficies con menor curvatura, lo cual favorece diseños más compactos, además de poder reducir el espesor de la lente.

Sin embargo, cabe mencionar que los materiales con altos índices de refracción también producen pérdidas por reflexión en sus superficies. En estos casos, una forma habitual de reducir dichas pérdidas es mediante la aplicación de recubrimientos antirreflectantes.

·  Propiedades y comportamiento térmico

Las variaciones de temperatura influyen directamente en las dimensiones y las propiedades ópticas de los materiales. Concretamente, la dilatación y la contracción de las lentes modifica su geometría, mientras que la variación del índice de refracción provocada por estos cambios de temperatura altera la trayectoria de los rayos, llegando a desplazar la posición del foco y degradar la calidad de la imagen.

Durante el proceso de diseño deben de analizarse estos efectos no solo en las lentes sino también en los elementos mecánicos del sistema que las sujetan y separan. Lo que se pretende es compensar estos efectos para mantener el rendimiento del sistema frente a dichas variaciones de temperatura.

Este proceso de análisis de dichos efectos y búsqueda de remedios se conoce con el nombre de atermalización. Concretamente, en este contexto se habla de atermalización pasiva, la cual consiste en emplear lentes y elementos mecánicos de materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica tales que las dilataciones y contracciones de estos se compensen entre sí.

·   Propiedades mecánicas y resistencia ambiental

Los componentes ópticos deben ser capaces de conservar su integridad y prestaciones bajo las condiciones ambientales en las que estén destinados a operar. Un claro ejemplo son las ventanas instaladas en los drones, que deben ser capaces de soportar las vibraciones, el polvo, la humedad y los cambios de temperatura a los que son expuestas.

Por esta razón, deben de considerarse propiedades como la dureza, la resistencia a la fractura y el rallado, y la estabilidad frente a agentes ambientales. En este contexto, conviene revisar entonces las siguientes especificaciones que aparecen en muchas fichas técnicas:

-    CR (Climatic Resistance): resistencia del vidrio al ser expuesto al agua contenida en el aire, es decir, la humedad atmosférica.

-    FR (Stain Resistance): resistencia del material a la formación de manchas al ser expuesto a agua ligeramente ácida.

-    SR (Acid Resistance): resistencia a la descomposición cuando es expuesto a soluciones altamente ácidas.

-    AR (Alkali Resistance): resistencia frente a soluciones alcalinas, como líquidos utilizados durante los procesos de mecanizado, pulido o limpieza.

-    PR (Phosphate Resistance): resistencia frente a soluciones que contienen fosfatos, presentes en determinados productos de limpieza.

·   Densidad y peso

En aquellos proyectos que se requieran equipos portátiles o sistemas sometidos a restricciones de longitud, el peso total constituye un aspecto sumamente relevante. Este depende directamente no solo de la densidad y el volumen de los materiales empleados en los componentes ópticos, sino también de la estructura mecánica que los sustenta.

En el caso de los equipos portátiles, un peso reducido facilita su manipulación y transporte. Pero, en lo que respecta a aquellos con restricciones de longitud, un buen ejemplo sería un sistema óptico de unos 300 mm de longitud destinado a instalarse en un satélite. Se trata de un ejemplo de aplicaciones espaciales en las que se exige cumplir con unas restricciones de masa especialmente estrictas, para evitar que el sistema no suponga demasiada carga para el satélite, pues, entre otros aspectos, puede aumentar la energía y combustible necesarios para ponerlo en órbita.

En este contexto, otra magnitud a volver a considerar es el índice de refracción, ya que este también influye en el volumen y espesor necesarios para que una lente proporcione una determinada potencia óptica. En general, aquellos materiales con índices de refracción elevados permiten alcanzar dicha potencia mediante superficies de menor curvatura, pudiendo favorecer la fabricación de lentes más delgadas y sistemas más compactos.

·  Fabricabilidad, disponibilidad y coste

No siempre es posible pulir, mecanizar, o moldear los materiales con la misma facilidad. Por ejemplo, aquellos que son más blandos presentan una mayor tendencia al rayado, mientras que otros presentan limitaciones con respecto a las geometrías que se pueden obtener con los mismos.

Este tipo de factores influyen entonces en la complejidad del proceso de fabricación, así como en el tiempo y el coste necesarios para producir los componentes.

Sin embargo, otro aspecto relevante a tener en cuenta, es la disponibilidad de los materiales. Como se ha mencionado anteriormente para el caso del germanio, hay materiales que actualmente en el mercado o bien presentan una limitada disponibilidad o sufren variaciones en su suministro y precio. Si durante un proyecto los plazos de entrega de los materiales se prolongan hasta superar las fechas previstas, el desarrollo del mismo queda comprometido. Lo mismo sucede si el coste del material excede el presupuesto disponible, aunque las propiedades ópticas resulten adecuadas.

Por estas razones, la selección más apropiada requiere de un buen equilibrio entre todos estos factores.

Principales materiales utilizados en óptica infrarroja

A continuación, se procede a analizar los materiales más empleados en la óptica infrarroja y sus correspondientes propiedades. Se comienza por el germanio, para continuar con otros componentes como el silicio (Si), el seleniuro de zinc (ZnSe), el sulfuro de zinc (ZnS), y los vidrios calcogenuros.

·  Germanio

Tal y como se ha comentado desde el inicio de este artículo, el germanio (Ge) es uno de los materiales más conocidos en la óptica infrarroja, empleado habitualmente para la fabricación de prismas de reflexión total atenuada (Attenuated Total Reflection, ATR) destinados a espectroscopia. Es capaz de transmitir en una región amplia que abarca desde 1.8 hasta 23 µm y posee un índice de refracción del orden de 4. Gracias a este valor, actúa como un divisor de haz (beamsplitter) natural del 50% de gran eficacia, sin necesidad de revestimientos adicionales. Presenta además una baja dispersión, lo cual reduce notablemente la aberración cromática en los sistemas de imagen infrarroja (IR imaging systems).

Se emplea con gran eficacia en cámaras térmicas de onda larga (LWIR), lentes infrarrojas de alta resolución y sistemas que requieren una elevada potencia óptica y diseños compactos.

Sus principales inconvenientes son su ya mencionada baja disponibilidad en el mercado y elevados precios, además de su alta densidad, pues es más pesado que otras alternativas, siendo esto último un aspecto sumamente relevante para sistemas aeroespaciales y portátiles. Otro aspecto relevante a mencionar es que su transmisión se reduce a elevadas temperaturas debido a la notable variación que experimenta su índice de refracción con los cambios de temperatura, volviéndose opaco aproximadamente por encima de los 350 K.

·  Silicio

El silicio (Si) ofrece un buen rendimiento tanto en entornos de alta temperatura, como de alta potencia, y presenta también una gran resistencia mecánica debido a su gran durabilidad y robustez, volviéndolo un material ideal para montajes ópticos exigentes.

Asimismo, resulta ser uno de los materiales más económicos para aplicaciones en el infrarrojo. Presenta un elevado índice de refracción del orden de 3.4, lo que resulta muy útil en diversos diseños ópticos. Aun así, su rango de transmisión efectivo se extiende hasta aproximadamente las 7 µm, a partir de donde comienza a mostrar absorción, por lo que no resulta válido para aplicaciones en la región LWIR (infrarrojo térmico) ni para longitudes de onda superiores.

·  Seleniuro de zinc

El seleniuro de zinc (ZnSe) presenta un amplio rango de transmisión que abarca desde 0.5 a 20 µm aproximadamente, cubriendo no solo gran parte del espectro visible, sino también las bandas infrarrojas MWIR y LWIR.

Presenta además una absorción extremadamente baja a 10.6 µm, siendo esta una propiedad que lo convierte en un material de referencia para aplicarlo en sistemas ópticos que empleen láseres de CO₂ de alta potencia. También se utiliza con frecuencia en sistemas de imagen de infrarrojo medio y en equipos de espectroscopia infrarroja de banda ancha.

No obstante, presenta algunas limitaciones. Para empezar, se trata de un material relativamente blando y quebradizo, por lo que requiere de un cuidadoso manejo, montaje y limpieza al ser también propenso a astillarse.

Por otra parte, presenta un bajo índice de refracción de aproximadamente 2.4, comparado con el germanio. De modo que, para conseguir una potencia óptica equivalente a la que se consigue con el germanio, se requiere de lentes con radios de curvatura y espesores mayores, lo cual puede complicar el diseño del sistema y dificultar la fabricación de equipos ópticos especialmente compactos.

·  Sulfuro de zinc

El sulfuro de zinc (ZnS) es un material que ofrece mayor resistencia mecánica y ambiental.

Se comercializa en dos grados: multiespectral (MS) y para sistemas FLIR. El primero transmite en un rango de 0.4 a 13.5 µm, mientras que el segundo opera desde aproximadamente 1 hasta 13.5 µm. Esto hace que el grado multiespectral resulte idóneo para ventanas que deban compartir múltiples canales ópticos, por ejemplo, equipos que combinen cámaras visibles y sensores térmicos. Por su parte, la variante FLIR se orienta más a sistemas de imagen térmica que no necesitan operar en el espectro visible.

No obstante, a pesar de superar al ZnSe en tenacidad y protección ambiental, su intervalo de transmisión es más limitado que el del ZnSe y el Ge, y presenta menor resistencia a la radiación láser, lo cual lo hace menos adecuado para aplicaciones con láseres de CO₂ de alta potencia.

Actualmente, se están desarrollando recubrimientos antirreflectantes (AR) y de carbono tipo diamante (DLC) para ambos grados con el fin de buscar opciones que consigan mitigar estas limitaciones y potenciar su rendimiento óptico y protección mecánica.

·  Vidrios calcogenuros

Los vidrios calcogenuros constituyen una familia de materiales amorfos, es decir, sin una estructura cristalina ordenada.

Como su propio nombre indica, su composición incorpora elementos del grupo de los calcógenos, como son el azufre (S), el selenio (Se) o el telurio (Te), los cuales suelen combinarse con elementos como el propio germanio (Ge), el arsénico (As) o el antimonio (Sb), entre otros. A diferencia de los vidrios ópticos convencionales, no están basados en óxidos, y como algunas formulaciones contienen As, se deben adoptar precauciones durante su fabricación, manipulación y eliminación debido a sus posibles efectos sobre la salud y el medio ambiente.

Según sea su composición, esto tipo de vidrios puede transmitir diferentes regiones del infrarrojo y, en algunos casos, considerarse como alternativa al Ge en sistemas de imagen térmica y otras aplicaciones similares. De hecho, pueden llegar a ser alternativas más ligeras y económicas, aunque, nuevamente, esto depende tanto de su composición como del proceso de fabricación.

Otra de sus ventajas es la posibilidad que ofrecen de fabricar lentes asféricas y otras geometrías complejas, facilitando incluso su producción en serie. Esto resulta especialmente adecuado para sistemas ópticos compactos, al reducir la necesidad de recurrir exclusivamente a procesos convencionales de mecanizado y pulido.

Finalmente, es importante establecer que, a pesar de que los vidrios calcogenuros puedan ser una alternativa atractiva al Ge, no son un sustituto directo y adecuado para cualquier aplicación. Al igual que se ha comentado para el Si, el ZnSe, y el ZnS, su elección debe basarse en una evaluación de la banda espectral de interés, en conjunto con sus propiedades ópticas, térmicas y mecánicas, así como la fabricabilidad, el coste y los requisitos normativos aplicables.

Tabla comparativa de materiales para infrarrojo

Se muestra a continuación una tabla comparativa en la que se resumen las principales características de los materiales analizados en este artículo.

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