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)用于中波紅外和長波紅外波段，能同時(shí)應(yīng)用于這兩個(gè)波段的材料就更少。表2-1列出了幾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)中所使用的材料一般具有以下特點(diǎn)[[]WarrenJ.Smith.Practicalopticalsystemlayout.NewYork:McGraw-Hillcompanies,Inc,2004.2,[]RobertR.Shannon.Theartandscience

2、ofopticaldesign.NewYork:Cambridgeuniversitypress,1997.533～553,[]RudolfKingslak.Lensdesignfundamentals.California:ACADEMICPRESS,1978]：（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)材料或采取必要措施進(jìn)行補(bǔ)償。（3）某些光學(xué)材料

3、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(huì)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（4μm）折射率（10μm）dn/dt/℃鍺4.02434.00320.000396硅3.42553.41790.00015硫化鋅（CVD）2.2522.20050.0000433硒化鋅（CVD）2.43312.40650.00006AMTIRI2.51412.49760.000072

4、氟化鎂1.3526+0.00002藍(lán)寶石1.6753+0.00001三硫化砷2.41122.3816×氟化鈣1.4097+0.000011氟化鋇1.458*-0.000016+2.60380.0000912.60582.58580.000058“+”不透過；“×”得不到；“*”透射，但折射率劇烈下降圖2.1紅外材料的光譜透過率圖2.1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（、）的透過率曲線。厚度為1mm的硫系玻

5、璃在8-11μm之間平均透過率大于65%，波動(dòng)小于3%，損耗小于2.4%/cm。圖2.2常用紅外材料的玻璃圖常用折射紅外材料的玻璃圖如圖2.2所示，縱坐標(biāo)表示折射率，橫坐標(biāo)表示阿貝常數(shù)。2.2.2常用紅外光學(xué)材料鍺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中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中消色差透鏡中的火石或負(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)波段中的色散特性差異。鍺材料的折射率和折射率溫度系數(shù)（

6、）是它的兩個(gè)重要參數(shù)。首先，鍺的折射率比4稍大，有利于降低像差，對設(shè)計(jì)相當(dāng)有利。鍺的值是0.000396/℃，其值偏大，在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。由于多晶鍺存在較大的折射率不均勻問題，大部分光學(xué)設(shè)計(jì)者則選用單晶鍺材料。鍺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。由于鍺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

7、鍺相似的晶體材料，國內(nèi)硅材料在9μm波段吸收強(qiáng)烈，進(jìn)口硅在12μm波段吸收強(qiáng)烈，主要適用于MWIR，而不能應(yīng)用在LWIR譜段。硅的折射率稍低于鍺（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?-3eV），因此具有較寬的光譜透射范圍（>12μm），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

8、平均值為50-90×10-6，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。目前世界范圍內(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