红外光学材料.doc

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红外光学材料

红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。

表2-1列出了几种比较常用的红外光学材料及其重要特性。

2.2.1红外光学材料的特点

红外光学系统中所使用的材料一般具有以下特点[[]WarrenJ.Smith.Practicalopticalsystemlayout.NewYork:

McGraw-Hillcompanies,Inc,2004.2

[]RobertR.Shannon.Theartandscienceofopticaldesign.NewYork:

Cambridgeuniversitypress,1997.533～553

[]RudolfKingslak.Lensdesignfundamentals.California:

ACADEMICPRESS,1978

]：

（1）红外材料不仅种类有限，而且价格昂贵（一般在几千到几万元一公斤）。

（2）某些材料的折射率温度系数（dn/dt）较大，导致焦距随温度的漂移较大。

如果工作温度范围较宽，则必须适当的选择红外光学材料或采取必要措施进行补偿。

（3）某些光学材料易碎，且化学稳定性差，使得加工以及安装困难，成品率不高。

（4）许多光学材料不透明，根据材料和波段的不同而表现出不同的颜色。

（5）红外光学材料受热时都会发生自辐射，导致杂散光形成。

表2-1常用红外光学材料的特性

材料

折射率（4μm）

折射率（10μm）

dn/dt/℃

锗

4.0243

4.0032

0.000396

硅

3.4255

3.4179

0.00015

硫化锌（CVD）

2.252

2.2005

0.0000433

硒化锌（CVD）

2.4331

2.4065

0.00006

AMTIRI

2.5141

2.4976

0.000072

氟化镁

1.3526

+

0.00002

蓝宝石

1.6753

+

0.00001

三硫化砷

2.4112

2.3816

×

氟化钙

1.4097

+

0.000011

氟化钡

1.458

*

-0.000016

+

2.6038

0.000091

2.6058

2.5858

0.000058

“+”不透过；“×”得不到；“*”透射，但折射率剧烈下降

图2.1红外材料的光谱透过率

图2.1为较常用红外材料包括表面损失的透过率。

实际应用过程中涂镀高效抗反射膜可以达到相当高的透过率（95%-98%），图中未包含硫系玻璃（、）的透过率曲线。

厚度为1mm的硫系玻璃在8-11μm之间平均透过率大于65%，波动小于3%，损耗小于2.4%/cm。

图2.2常用红外材料的玻璃图

常用折射红外材料的玻璃图如图2.2所示，纵坐标表示折射率，横坐标表示阿贝常数。

2.2.2常用红外光学材料

锗是一种最常用的红外材料，既可用于长波红外波段又可用于中波红外波段。

在LWIR波段，它类似于可见光波段中消色差透镜中的冕牌或正元件；在MWIR波段，它类似于可见光波段中消色差透镜中的火石或负元件，双色红外波段作用不同的主要原因在于它在两个波段中的色散特性差异。

锗材料的折射率和折射率温度系数（）是它的两个重要参数。

首先，锗的折射率比4稍大，有利于降低像差，对设计相当有利。

锗的值是0.000396/℃，其值偏大，在温度变化过程中可能产生大的焦移，系统必须采用某种形式的无热化，也就是所谓的消热差设计。

可以说这种材料优缺点并存。

由于多晶锗存在较大的折射率不均匀问题，大部分光学设计者则选用单晶锗材料。

锗可以采用金刚石车削的方法进行加工，但由于其脆性很强，容易变成碎屑，在光学加工、镀膜和装调的过程中需要小心对待。

由于锗元件的使用范围非常广泛，与它的优点相比这些缺点都变成了可以解决的问题。

硅是一种与锗相似的晶体材料，国内硅材料在9μm波段吸收强烈，进口硅在12μm波段吸收强烈，主要适用于MWIR，而不能应用在LWIR谱段。

硅的折射率稍低于锗（3.4255），它对于像差控制仍有足够的优势，此外硅的色散也是相当低的。

硅的加工也可用金刚石车削的方法，但难度大，有损车刀，固其较常用的加工方法是抛光。

硫系玻璃与氧化物玻璃相比，具有较大的密度和较弱的键强，其禁带宽度较小（一般为1-3eV），因此具有较宽的光谱透射范围（>12μm），其透过波段可覆盖三个大气窗口。

其折射率温度系数小，硒基硫系玻璃的dn/dt平均值为50-90×10-6，可作为红外消热差材料；折射率较低（2.0-3.0），折射率色散特性在长波与硒化锌相当，可作为红外消色散材料；可以采用精密模压技术制备红外光学元件，加工成本低。

目前世界范围内的红外硫系玻璃制造商仅有三家，即美国AmorphousMaterials、德国VitronGmbh和法国Umicore公司。

国内硫系玻璃生产的主要单位有宁波舜宇红外技术有限公司、宁波大学红外材料及器件实验室、北京国晶辉公司等。

美国Amorphous公司现有AMTIR-1,2，3,4,5,6和C1七种牌号的硫系玻璃，德国Vitron公司现有IG2,3,4,5，6五种牌号的硫系玻璃，法国Umicore公司有GASIR1,2,3三种型号的硫系玻璃。

目前用于红外光学元件的硫系玻璃往往含砷成分，但随着世界各国环保意识增强和产品标准提高，无砷环保玻璃将是今后发展的趋势。

硒化锌和硫化锌也属于常用红外光学材料的范畴，它们可以通过化学气相沉积（CVD）或热压[[]余怀之.红外光学材料.北京：

国防工业出版社，2007

]方法得到。

硒化锌比硫化锌昂贵，主要适用于对吸收系数要求不高的光学系统。

氟化钙可以用来制作红外光学棱镜、透镜以及大口径透镜、窗口等光学元件。

它可以消除二级光谱，对谱段复消色有利，但其价格和加工费用稍贵。

2002年，国外能做的氟化钙的最大口径是170mm，现在可以做的更大，但价格偏贵。

国内某公司提供的氟化钙玻璃的物理特性参数如表2-2所示。

表2-2氟化钙玻璃的特性参数

化学式

CaF2

晶类

Cubic,cleaves[111]plane

晶格常数（Å）

5.46

密度（g/cm3）293K

3.18

分子量

78.08

介电常数（105Hz）

6.76

熔点（K）

1630

导热系数（W/m.K）273K

10

热膨胀系数（1/K）300K

18.9×10-6

比热（cal/g.K）273K

0.204

德拜温度（K）

510

杨氏模量（GPa）

75.79

挠折模量（GPa）

0.0365

剪切模量（GPa）

33.76

体积模量（GPa）

83.03

泊松比

0.28

努氏硬度（Kg/mm2）

178[100],160[110]

氟化镁和蓝宝石仅用于MWIR谱段。

由于氟化镁的折射率低，因而它通常不要求镀抗反射膜层。

价格相当昂贵的蓝宝石非常坚硬，它在高温下的热辐射非常低，这是它的主要特点。

反射率与介质折射率之间的关系如下：

（2.1）

红外材料通常有很高的折射率，所以一般反射率都很高，这就要求表面涂镀增透膜，否则系统的透过率将会很低。

对于红外材料的加工方法来说，由于一些晶体红外材料具有吸湿性，这就增大了光学车间加工的难度。

有些材料通常需要镀膜来防止水气的破坏，例如可以用干氮来清除外壳的水分。