紅外光學材料第一章

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1、第一章紅外光學材料基礎1.1引言在研制和使用紅外光學材料時，必然要涉及到材料的光學和力學性質，如透過率、吸收系數(shù)、發(fā)射率、折射指數(shù)、色散等光學性質，還有斷裂強度、斷裂韌性等力學性質，以及使用環(huán)境對材料性能的影響如抗熱沖擊、沙蝕、雨蝕等。這就需要對這些參數(shù)的含義以及物理過程能有一個基本的了解。因此，本章所敘述的基礎知識都是直接和材料性能密切相關的，以便讀者能比較容易的地了解以后的內容。1.2大氣窗口高于絕對零度的任何物體都會產生熱輻射。這種熱輻射本質上是電磁波，也稱為電磁輻射。其特性可以用頻率ν和波長λ表示。這種電磁輻射波的傳播速度，c=λν，c為光速（c＝2.99792458×108

2、m/s）。自然界存在各種不同頻率（或波長）的電磁波，如γ射線、х射線、紫外線、可見光、紅外線、微波等。在表1-1中給出了各種電磁波所對應的波長和頻率。根據(jù)普朗克理論，室溫（300K）下物體輻射電磁波的波長處于紅外波段。先進的紅外探測器（如InSb、HgCdTe、PbSnTe等）能在紅外波段遠距離“看見”輻射紅外電磁波的物體形貌。紅外輻射經過在空氣中的傳播才可到達探測器。理論和實驗都證明大氣層中輻射電磁波的傳播將會隨距離而衰減。這是由于大氣本身對輻射電磁波的吸收和散射作用，從而導致輻射電磁波強度隨傳播距離而降低。表1-1各種電磁波所對應的波長和頻率電磁波名稱波長/m頻率/Hz宇宙射線<

3、10-12>3×1020γ射線10-12～10-113×1020～3×1019Х射線10-11～10-83×1019～3×1016紫外線10-8～3.8×10-73×1016～7.89×1014可見光3.8×10-7～7.8×10-73.89×1014～3.84×1014紫色光3.8×10-7～4.3×10-77.89×1014藍色光4.3×10-7～4.8×10-7綠色光4.8×10-7～5.3×10-7黃色光5.3×10-7～5.8×10-762橘黃色光5.8×10-7～6.2×10-7紅色光6.2×10-7～6.8×10-7紫紅色光6.8×10-7～7.8×10-7紅外線7.8

4、×10-7～10-33.84×1014～3×1011中紅外3×10-6～5×10-6長波紅外8×10-6～1.4×10-5微波10-3～10-13×1011～3×109無線電>10-1<3×109地球表面上的大氣隨著離開地面的距離按其特性（如溫度、大氣組成等）可分為五層：對流層（0km~12km），平流層（12km~50km），中間層（50km~80km），電離層（80km~500km），逸散層（500km~750km）。影響人們生活以及紅外光學應用主要是對流層，對流層的特點是氣體密度大，且隨高度的增加溫度下降。大氣是由兩部分氣體組成。不變氣體（N2、O2、Ar、H、He等）和可變氣

5、體（H2O、CO2、CO、O3、CH4等）。前者成分比例及含量基本上不隨時間地點而變化，后者則隨時間地點在變化，這兩部分構成了大氣的主要成分。除了這些氣體成分外，大氣中還包含有氣溶膠，它是由半徑為10-7cm～10-5cm的固體和液體顆粒分散在氣體介質中所構成。如果不考慮水蒸氣，則上述構成大氣主要成分在對流層中所占的比例如表1-2所示。表1-2成分分子量體積比/%N228.01378.084O231.998820.9476Ar39.9480.934CO244.0100.0322Ne20.1780.0018He4.0030.00052CH416.0430.00018通常大氣中總含有水蒸

6、氣，但在地球表面不同位置，不同的季節(jié)和不同的溫度，水蒸氣含量是變化的，而且含量相差很大。但高度在14km以上水蒸氣含量的變化很小，大氣中水蒸氣含量隨高度的變化可以由下式描述，即62(1-1)式中：P0為水平面上水蒸氣壓力；h為高度；a為經驗系數(shù)；a≈5×103m。氣溶膠是固體或液體顆粒并受地球引力作用，它的濃度隨高度按指數(shù)形式衰減，即(1-2)式中：N0為水平面濃度；h為高度；b為經驗系數(shù)。水蒸氣和氣溶膠雖然在大氣中含量不是很多，但它們對輻射電磁波在大氣中的傳輸有較大的影響，因而必須要考慮。輻射電磁波在大氣中傳輸隨傳播的距離電磁波的強度衰減。引起輻射強度衰減的原因是大氣（包括固定含量

7、氣體，不固定含量氣體和氣溶膠）對輻射電磁波有折射、吸收和散射。大氣的密度很?。s為1.3×10-3g/cm3）其折射率和真空情況很接近，近似為1，因而一般情況下不考慮折射造成的輻射電磁波強度的損失。嚴格的計算大氣對輻射電磁波的吸收是很復雜的，目前已經發(fā)展了一些半經驗的計算大氣吸收的方法。輻射電磁波在通過大氣介質時輻射電磁波與構成大氣分子相互作用，大氣分子中電子和核在相互作用力維持下，在其平衡位置附近作固有頻率的振動。由于輻射的作用使分子發(fā)生極化，則分子在輻