紅外光學(xué)材料

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1、紅外光學(xué)材料紅外光學(xué)系統(tǒng)與可見光光學(xué)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于只有有限的材料可有效應(yīng)用于中波紅外和氏波紅外波段，能同時(shí)應(yīng)用于這兩個(gè)波段的材料就更少。表2?1列出了兒種比較常用的紅外光學(xué)材料及其重要特性。2.2.1紅外光學(xué)材料的特點(diǎn)紅外光學(xué)系統(tǒng)小所使用的材料一般具有以下特點(diǎn)訃叫（1）紅外材料不僅種類有限，而且價(jià)格昂貴（一般在幾千到幾萬元一公斤）。（2）某些材料的折射率溫度系數(shù)（dn/dt）較大，導(dǎo)致焦距隨溫度的漂移較大。如果工作溫度范圍較寬，則必須適當(dāng)?shù)倪x擇紅外光學(xué)材料或采取必耍措施進(jìn)行補(bǔ)償。（3）某些光

2、學(xué)材料易碎，且化學(xué)穩(wěn)定性差，使得加工以及安裝困難，成品率不高。（4）許多光學(xué)材料不透明，根據(jù)材料和波段的不同而表現(xiàn)出不同的顏色。（5）紅外光學(xué)材料受熱時(shí)都會發(fā)生自輻射，導(dǎo)致雜散光形成。表2?1常用紅外光學(xué)材料的特性材料折射率（4

3、im）折射率（10屮n）dn/dt/°C錯(cuò)4.02434.00320.000396硅3.42553.41790.00015硫化鋅（CVD）2.2522.20050.0000433硒化鋅（CVD）2.43312.40650.00006AMTIRI2.51412.49760

4、.000072氟化鎂1.3526+0.00002藍(lán)寶石1.6753+0.00001三硫化確2.41122.3816X氟化鈣1.4097+0.000011氟化欽1.458*-0.000016+2.60380.000091Ge2oAs}5Se652.60582.58580.000058化硒化錚f80604020B<切燈藍(lán)寶石AMTIK10.10.20.30.40.51245678910100波長（口m）第化鈣圖2.1紅外材料的光譜透過率圖2」為較常用紅外材料包括表面損失的透過率。實(shí)際應(yīng)用過程中涂鍍高

5、效抗反射膜可以達(dá)到相當(dāng)高的透過率（95%?98%）,圖中未包含硫系玻璃（Ge2SAsl2Se60>Ge20Asl5Se65）的透過率曲線。丿孚度為1mm的硫系玻璃在8-11

6、im之間平均透過率大于65%,波動小于3%,損耗小于2.4%/cm。3.53.00n圖2.2常用紅外材料的玻璃圖1.0GermaniumO3-■8?5micronspectralband12micronspectralbandGermiiniumSilicoro'_o—響忖qKBraFlSS25常用折射紅外材料的玻璃圖如圖2

7、.2所示，縱坐標(biāo)表示折射率，橫坐標(biāo)表示阿貝常數(shù)V。222常用紅外光學(xué)材料錯(cuò)是一種最常用的紅外材料，既可用于長波紅外波段又可用于中波紅外波段。在LWIR波段，它類似于可見光波段屮消色差透鏡中的冕牌或正元件；在MWIR波段，它類似于可見光波段屮消色差透鏡屮的火石或負(fù)元件，雙色紅外波段作用不同的主要原因在于它在兩個(gè)波段屮的色散特性差異。錯(cuò)材料的折射率和折射率溫度系數(shù)（如/力）是它的兩個(gè)重要參數(shù)。首先，銘的折射率比4稍大，有利于降低像差，對設(shè)計(jì)相當(dāng)有利。錯(cuò)的亦/力值是0.000396/°C,其值偏大，在

8、溫度變化過程中可能產(chǎn)生大的焦移，系統(tǒng)必須采用某種形式的無熱化，也就是所謂的消熱差設(shè)計(jì)?？梢哉f這種材料優(yōu)缺點(diǎn)并存。由于多晶錯(cuò)存在較大的折射率不均勻問題，大部分光學(xué)設(shè)計(jì)者則選用單晶銘材料。銘可以采用金剛石車削的方法進(jìn)行加工，但由于其脆性很強(qiáng)，容易變成碎屑，在光學(xué)加工、鍍膜和裝調(diào)的過程中需要小心對待。由于銘元件的使用范圍非常廣泛，與它的優(yōu)點(diǎn)相比這些缺點(diǎn)都變成了可以解決的問題。硅是一種與銘?相似的晶體材料，國內(nèi)硅材料在9屮n波段吸收強(qiáng)烈，進(jìn)口硅在12屮“波段吸收強(qiáng)烈，主要適用于MWIR，而不能應(yīng)用在LW

9、IR譜段。硅的折射率稍低于錯(cuò)（3.4255）,它對于像差控制仍有足夠的優(yōu)勢，此外硅的色散也是相當(dāng)?shù)偷?。硅的加工也可用金剛石車削的方法，但難度大，有損車刀，固其較常用的加工方法是拋光。硫系玻璃與氧化物玻璃相比，具有較大的密度和較弱的鍵強(qiáng)，其禁帶寬度較?。ㄒ话銥閘-3eV）,因此具有較寬的光譜透射范圍（＞12屮11）,其透過波段可覆蓋三個(gè)大氣窗口。其折射率溫度系數(shù)小，硒基硫系玻璃的dn/dt平均值為50-90X10-6,可作為紅外消熱差材料；折射率較低（2.0-3.0）,折射率色散特性在長波與硒化鋅

10、相當(dāng)，可作為紅外消色散材料；可以采用精密模壓技術(shù)制備紅外光學(xué)元件，加工成本低。目麗世界范圍內(nèi)的紅外硫系玻璃制造商僅有三家，即美國AmorphousMaterials＞德國VitronGmbh和法國Umicore公司。國內(nèi)硫系玻璃生產(chǎn)的主要單位有寧波舜宇紅外技術(shù)有限公司、寧波大學(xué)紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室、北京國晶輝公司等。美國Amorphous公司現(xiàn)有AMTIR-1,2,3,4,5,6和C1七種牌號的硫系玻璃，德國Vitron公司現(xiàn)有IG2,3,4,5,6五種牌號的硫系玻璃，法國Umicore公司有G