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1、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i川川：（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）。偿。（3） 高。（4）（5）（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，成品率不许多光学材料不
2、透明，根据材料和波段的不同而表现出不同的颜色。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（4 m）折射率（10m）dn /dt/°C锗4.02434.00320.000396硅3.42553.41790.00015硫化锌（CVD）2.2522.20050.0000433硒化锌（CVD）2.43312.40650.00006AMTIR I2.51412.49760.000072氟化镁1.3526+0.00002蓝宝石1.6753+0.00001三硫化砷2.41122.3816x氟化钙1.4097+0.000011氟化钡1.458*-0.0
3、00016Ge28As2 Sg6o+2.60380.000091Ge20 AS15Se652.60582.58580.000058+”不透过；“x”得不到；“ * ”透射，但折射率剧烈下降DBO403附勺燈6Q20蓝宝石'AAMTIR 10.10.2 0. S 0. 40i 51234 5 6 70910100渡世 R m)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 (Ge28As12Se3o、Ge2oA*Se65)的透过率曲线。厚度为1mm的硫系玻璃在8-11 m
4、 之间平均透过率大于65%，波动小于3%,损耗小于2.4%/cm。图22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（ dn/dt ）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
5、。锗的dn/dt值是0.000396/C，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9ym波段吸收强烈，进口硅在12 ym波段吸收强烈，主要适用于 MWIR，而不能应用在LWIR谱段。硅的折
6、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（12 ym），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 X 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
7、界范围内的红外硫系玻璃制造商仅有三家，即美国 Amorphous Materials、德国Vitron Gmbh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GASIR©1,2,3三种型号的硫系玻璃。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
8、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）或热压冋方法得到。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 170m m,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 pla ne晶格常数（?）5.463密度(g/cm)29
9、3K3.18分子量78.08介电常数（105 Hz）6.76熔点（K）1630导热系数(W/m .K)273 K10热膨胀系数（1/K）300 K18.9X 10 -6比热(cal/g . K )273 K0.204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
10、率之间的关系如下：(n -1)22(n 1)（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。i Warren J.Smith.Practical optical system layout. New York:McGraw-Hill companies,lnc,2004.2ii Robert R.Shannon. The art and science of optical design. New York:Cambridge university press,1997.533553iii Rudolf Kingslak. Lens design fundamentals. California: ACADEMIC PRESS, 1978iv 余怀之.红外光学材料.北京：国防工业出版社，2007