第三节 材料的红外光学性能
一、红外线的基本知识
红外线同可见光一样在本质上都是电磁波，它的波长范围很宽（0.7～1000m m ），按波长又可分为三个光谱区：近红外（0.7～15m m ），中红外（15～50m m ），远红外（50～1000m m ）。红外线同样具有波粒二象性，遵守波的反射定律和折射定律，在一定的条件下也会发生干涉和衍射效应。
红外线与可见光不同之处是人的肉眼看不见红外线，且在大气层中对红外波段存在一系列吸收很低的透明波段，如1～1.1m m ，1.6～1.75m m ，2.1～2.4m m ，3.4～4.2m m 等波段，大气层的透过率在80％以上；8～12m m ，大气层的透过率为60％～70％。这些特点使得红外线在军事、工程技术和生物医学上得到许多应用。
二、红外材料的性能
红外材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率和色散，当然，材料的强度和硬度、抗腐蚀和防潮解能力、密度、到热率、热膨胀系数、比热容等在红外光学器件（如透镜、棱镜、滤光片和整流罩等）的制备和实用中也是需要考虑的。
材料的光谱透过率与材料的结构，特别是化学键和原子量有关。任何材料只能在某一波段具有较高的透过率。对于纯的晶体材料，若不考虑杂质吸收的话，其透射短波限s l 取决于电子吸收，即引起电子从价带激发到导带的光吸收。因而，一般说来，短波截至波长大致相当于该晶体禁带宽度能量对应的光频率。其长波透射限1l 主要取决于声子吸收，即晶格震动吸收，它可以是一次谐波震动吸收，也可以是高次谐波震动吸收。声子吸收和晶体结构、构成晶体元素的平均分子量及化学键有关。在晶体结构相同的情况下，平均分子量越大，则声子吸收出现的波长越长，材料的红外透射长波截至波长1l 也越长。
对于金刚石、锗、硅等具有金刚石结构的晶体，由于在红外区域没有活跃的一次谐波晶格震动，高次谐波也较弱，因而是一类透过率较高、透射波段也较宽的优秀的红外光学材料，使用也较为普遍。
折射率和色散是红外光学材料的另一重要特性。首先，折射率和反射率损失密切相关，折射率越大，反射损失也越高。其次，对于不同用途，对折射率有不同的要求。例如，对于制造窗口和整流罩的光学材料，为了减少反射损失，要求折射率低一些；而用于制造高放大率、宽视场角光学系统中的棱镜、透镜及其他光学部件的材料则要求折射率要高一些。例如，有时为了消色差或其他像差，不但需要使用不同折射率的材料作为复合透镜，而且对色散也有一定要求。作为分光光度计中色散元件的棱镜，它的性能直接与材料的折射率和色散有关。
除了透过率、折射率和色散外，材料的力学性能、抗腐蚀、防潮解等性能对于一个好的光学器件也视非常重要的。比如，绿化钠晶体虽然是很好的红外光学材料，但却容易潮解，不宜在野外使用；锗也是很好的红外光学材料，但当温度升高时，透过率显著下降，而且它比较脆，软话温度也太低，因此用作整流罩是不合适的。同样，虽然金刚石的各种性能很优异，可是它不能做成大尺寸的器件，而且价格过于昂贵，所以很少有人用它来作实际的光学材料。此外，要格外注意的是材料受热时的子辐射特性，为了避免探测器中出现假信号，受热材料在工作波段内的子辐射应当很小，这在搜索跟踪系统中尤其要引起重视。
在红外光学系统中，一些常用的部件对材料性能有不同的要求。对于探测器窗口材料，要求在探测器的响应波段内窗口必须有很高的透过率（因此要求吸收率和反射率要很低），
这样能很好的透过从目标来的辐射，而自身辐射却很小。对于制冷探测器，窗口必须要能很好的与玻璃或其他探测器外壳材料相封接，因此热膨胀系数要匹配，并且窗口的透过率不应随温度变化显著变化。一般窗口要暴露在空气中，因此，它应该不怕潮，化学稳定性好，较长时间内不发霉、发毛，负责散射等影响将使透过率降低。另外，窗口材料应当易于加工和切割成各种形状。为了减小反射损失，可选择折射率低的材料作窗口材料，若必须折射率高的材料，则要易于镀增透膜。同时，窗口一般较薄，材料应有足够的强度。
对整流材料的要求是在探测器相应波段内，整流罩必须有很高的透过率，自辐射应很小，以免产生假信号。有些材料在室温有很高的透过率，但高温时，由于只有载流子吸收增加，透过特性显著恶化（例如锗），这种材料就不能作为整流罩。整流是安装在飞机、导弹、飞船等高速飞行体的光学系统的前部，由于空气动力加热，整流罩的温度是很高的，因此，要求整流罩的溶点、软化温度要高，并且材料的热稳定性要好，要能经受得住热冲击。整流罩得硬度要大，这样，一方面有利于加工、研磨和抛光，另一方面不至于被飞扬的尘土和沙石所擦伤。由于整流罩暴露在空气中，因此化学稳定性要好，要能防止大气中的盐溶液或腐蚀性气体的腐蚀，并且不怕潮解。应当特别指出的一点是：一般的窗口尺寸较小，而整流罩的尺寸往往较大（直径几十毫米到几百毫米），并且折射率要连续，以免发生散射。因此，常常要求整流罩用单晶或折射率在晶粒间界没有突变的均匀的多晶制成。整流罩的曲线率往往很大，因此要有足够的强度，以便于加工、装配，并且经受住震动和气浪。
对透镜和棱镜的要求是透镜和棱镜材料要纯净均匀，对折射率的要求较严，其他要求与窗口材料差不多。不过，对热膨胀系数的要求，只有在浸没透镜中才是很重要的，以为假使探测器制冷，若膨胀系数匹配不好，浸没透镜和探测器可能脱开，使反射损失增加。对棱镜材料的一个突出要求是它的投射波段要宽，色散要大。
高分子材料价格便宜、耐酸碱和耐腐蚀性良好，不溶于水，在近红外和远红外有良好的透过率，这是它的优点。但是高分子材料结构复杂，分子的振动和转动吸收带以及晶格震动吸收带正好在中红外波段，因此在中红外波段塑料的透过率很低，并且塑料的软化温度较低，强度不高，只能在较低温下做窗口和保护膜等，少数塑料可做透镜，但不能做整流罩。塑料的用途主要在远红外区域，中近红外使用较少。做常用的塑料是有机玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，它透可见光和近红外，常用作保护膜、增透膜和窗口材料。
聚乙烯不透可见光，但远红外的透过率很高，是一种常温下使用的远红外光学材料。 高密度聚丙烯比聚乙烯坚硬，在中红外某些波段有一定的透过率。图3-14为聚丙烯在15~21m μ波段的透过率，并与未镀增透膜的热压ZnSe 做了比较。在17~21m μ波段内，聚丙烯的透过率是不错的，因此它常常用来做为这一波段的真空红外装置（或充气装置）的窗口，能经受6atm(1atm=101325Pa)而不变形。
聚四氟乙烯是另一种常用的塑料，其近、中、远红外透过性如图3-15和图3-16所示，可以看出，它有很高的远红外透过率，在很薄时，也有相当好的近红外和中红外透过率。它不溶于水，耐腐蚀，使用温度从-269~260℃，广泛用作保护膜材料和远红外光学材料。
红外透波材料的研究发展 摘要：红外透波材料是指对红外线透过率高的材料，是红外技术的应用基础之一。本文介绍了几类常用红外透过材料的基本性质，简述了其制备技术及发展现状，并讨论了各自存在问题，并对红外透波材料未来发展进行了展望。 关键词：红外透波材料；玻璃；晶体；陶瓷；制备技术 1引言 目前，红外技术与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。在二十世纪70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。标志红外技术最新成就的红外热成像技术，与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。而红外透波材料是红外热成像系统的光学元件的重要材料。红外透波材料不但要求具有高性能、小体积，还要造价低。高性能主要包括：结构完整、组分均匀以免发生散射，在测量波段内具有高红外透射率；热稳定性好，透射比和折射率不应随温度变化而变化；载流子寿命长，不宜潮解，耐酸碱腐蚀性好；力学性能优良，可以承受高运动的速压载荷等。 2 红外透波材料的特征值 透过率 一般透过率要求在50%以上，同时要求透过率的频率范围要宽。红外透波材料的透射短波限，对于纯晶体，决定于其电子从价带跃迁到导带的吸收，即其禁带宽度。透射长波限决定于声子吸收，和晶格结构及平均原子量有关。 折射率和色散 不同材料用途不同，对折射率的要求也不相同。对于窗口和整流罩的材料要求折射率低，以减少反射损失。对于透镜、棱镜、红外光学系统要求尽量高的折射率。 发射率 对红外透波材料的发射率要求尽量低，以免增加红外系统的目标特征，特别是军用系统易暴露。 其他 和选择其他光学材料一样，都要注意其力学、化学、物理性质，要求温度稳定性好，对水、气稳定，力学性质主要有弹性模量、扭转刚度、泊松比、拉伸强度和硬度。物理性质包括熔点、热导率、膨胀系数及可成型性。此外要强调的物性是材料的热导率要高，特别是用于高速飞行器的时候。 3 红外透波材料的种类 玻璃 玻璃的光学均匀性好，易于加工成型，价格便宜。缺点是透过波长较短，使用温度低于500℃。目前研究的红外透波玻璃材料主要有：氧化物红外玻璃、硫系玻璃和氟化物玻璃。
红外光学材料 1,进口CVD硒化锌(ZnSe)红外光学材料 CVD硒化锌（ZnSe）是一种化学惰性材料，具有纯度高，环境适应能力强，易于加工等特点。它的光传输损耗小，具有很好的透光性能。是高功率CO2激光光学元件的首选材料。由于该红外材料的折射率均匀和一致性很好，因此也是前视红外（FLIR）热成像系统中保护窗口和光学元件的理想材料。同时，该材料还广泛用于医学和工业热辐射测量仪和红外光谱仪中的窗口和透镜。 CVD ZINC SELENIDE Transmission Wavelength in Micrometers (t=8mm) 光学性质： 透过波长范围0.5μm---22μm 折射率不均匀性（Δn/n）<3×10- 吸收系数（1/cm） 5.0×10-3@1300nm 7.0×10-4@2700nm 4.0×10-4@3800nm 4.0×10-4@5250nm 5.0×10-4@10600nm 热光系数dn/dT(1/k,298—358k) 1.07×10-
折射率n随波长的变化（20℃） 理化性质： 激光损伤阈值：（10600nm脉冲激光，脉冲宽度=15μs） 2，进口CVD硫化锌（ZnS）红外光学材料
CVD硫化锌是一种化学惰性材料，具有纯度高，不溶于水，密度适中，易于加工等特点，广泛应用于红外窗口，整流罩和红外光学元件的制作。和硒化锌（ZnSe）一样，硫化锌（ZnS）也是一种折射率均匀性和一致性好的材料，在8000nm—12000nm波段具有很好的图像传输性能，该材料在中红外波段也有较高的透过率，但随着波长变短，吸收和散射增强。与硒化锌（ZNSE）相比，硫化锌的价格低，硬度高，断裂强度是硒化锌的两倍，抗恶劣环境的能力强，非常适合用于制造导弹整流罩和军用飞行器的红外窗口。 透过率曲线： CVD ZINC SULFIDE Transmission(CVD硫化锌) Wavelength in Micrometer (t =6mm) CLEARTRAN Transmission（多光谱CVD硫化锌） Wavelength in Micrometers (t=9.4mm) CVD硫化锌多光谱CVD硫化锌 密度(g . cm-3 @ 298k) 4.09 4.09 电阻率(Ω. Cm) ~1012~101.3
一、红外光学玻璃与红外晶体材料光学特性： 1.晶体材料 晶体材料包括离子晶体与半导体晶体离子晶体包括碱卤化合物晶体, 碱土—卤族化合物晶体及氧化物及某些无机盐晶体。半导体晶体包括Ⅳ族单元素晶体、Ⅲ～Ⅴ族化合物和Ⅱ～Ⅵ族化合物晶体等。离子型晶体通常具有较高的透过率, 同时有较低的折射率, 因而反射损失小, 一般不需镀增透膜, 同时离子型晶体光学性能受温度影响也小于非离子型 晶体。半导体晶体属于共价晶体或某种离子耦合的共价键晶体。晶体的特点是其物理和化学特性及使用特性的多样性。晶体的折射率及色散度变化围比其它类型材料丰富得多。可以满足不同应用的需要, 有一些晶体还具备光电、磁光、声光等效应, 可以用作探测器材料。[1] 按部晶体结构晶体材料可分为单晶体和多晶体 ①单晶体材料 表1.1 几种常用红外晶体材料[1] 名称化学组成透射长波限/ μm 折射率/4.3μ m 硬度/克氏密度/(g·cm-3)溶解度 /(g·L-3)H2O 金刚石C30 2.48820 3.51不溶锗Ge25 4.02800 5.33不溶硅Si15 3.421150 2.33不溶石英晶体SiO2 4.5 1.46740 2.2不溶兰宝石Al2O3 5.5 1.681370 3.98不溶氟化锂LiF8.0 1.34110 2.600.27氟化镁MgF28.0 1.35576 3.18不溶氟化钡BaF213.5 1.4582 4.890.17氟化钙CaF210.0 1.41158 3.180.002溴化铊TLBr34 2.35127.560.05金红石TiO2 6.0 2.45880 4.26不溶砷化镓GaAs18 3.34(8μm)750 5.31不溶氯化钠NaCl25 1.5217 2.1635 硒化锌ZnSe22 2.4150 5.27不溶锑化铟InSb16 3.99223 5.78不溶硫化锌ZnS15 2.25354 4.09不溶KRS-5TLBr-TLI45 2.38407.370.02 KRS-6TLBr-TLCl30 2.19357.190.01 ②多晶体材料
第44卷第6期2016年6月 硅酸盐学报Vol. 44，No. 6 June，2016 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.doczj.com/doc/7518265346.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2016.06.08 红外Ga2S3–Sb2S3硫系玻璃的热稳定性及光学性能 李戈1，徐铁峰2,3，戴世勋2,3，张腾宇1，张勤远4，焦清2,3 (1. 宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211；2. 宁波大学高等技术研究院，浙江宁波 315211； 3. 浙江省光电探测材料及器件重点实验室，浙江宁波 315211； 4. 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广州 510640) 摘要：采用真空熔融淬冷法制备Ga x Sb40–x S60硫系玻璃样品，并通过Archimedes法、X射线衍射、热膨胀系数分析、可见/近红外光谱吸收度与透过率、中远红外光谱透过率以及Raman散射光谱等研究了硫系玻璃样品的结构、热稳定性和光学性能。结果表明：随着Ga含量的增加，玻璃密度逐渐下降，玻璃转变温度逐渐提高，热膨胀系数不断减小，表明玻璃具有良好的热稳定性；玻璃的可见/近红外短波截止边均发生蓝移，光学带隙增大，而且保持了良好的红外透过率，其较宽的红外透过范围(0.8~14.0μm)，涵盖了目前3大主要通信波段和热红外波段，Ga–Sb–S玻璃已成为极具前景的红外材料。Ga含量增加促进[GaS4]四面体的形成，减少[SbS3]三角锥的比例，归纳了该类硫系玻璃的光学性质与结构的依赖关系。 关键词：硫系玻璃；红外光学；光学特性；镓含量；玻璃结构 中图分类号：TN213 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2016)06–0830–06 网络出版时间：2016–05–06 10:33:00 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/7518265346.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20160506.1033.008.html Optical Properties and Thermal Stability of Infrared Chalcogenide Glass Ga2S3–Sb2S3 LI Ge1, XU Tiefeng2,3, DAI Shixun2,3, ZHANG Tengyu1, ZHANG Qinyuan4, JIAO Qing2,3 (1. Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, NingBo University, Ningbo 315211, Zhejiang, China; 2. Advanced Technology Research Institute, Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang, China; 3. Key Laboratory of Photoelectric Materials and Devices of Zhejiang Province, Ningbo 315211, Zhejiang, China; 4. State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China) Abstract:Series of Ga x Sb40–x S60 chalcogenide glasses were synthesized by a melt-quenching method. The thermal and optical properties of sample glasses were determined by the Archimedes principle, X-ray diffraction, thermal expansion, ultra violet–visible–near infrared absorption spectroscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy, respectively. The structures of the samples with different compositions were analyzed by Raman spectroscopy. The results show that all of the glasses have good thermal stability and spectral properties. The density decreases slightly, the glass transition temperature improves, and the thermal expansion coefficient reduces with increasing the content of gallium. Besides, there is a slightly augmentation of optic band gap and a regularly blue-shifted of IR absorption cutting-off edge. Since all of the chalcogenide glasses have a high transmittance in a wide spectrum range of 0.8–14.0 μm (covering three main commutation bands and thermal infrared band), they are thus a promising material for mid-infrared application. According to the Raman spectra, the formation of [GaS4] tetrahedral units promote and the [SbS3] pyramid units suppress with the increase of gallium content. The relationship between optical properties and the structure in the chalcogenide glasses was summarized. Keywords:chalcogenide glass; infrared optics; optical property; gallium content; glass structure 收稿日期：2015–12–25。修订日期：2016–01–18。 基金项目：国家自然科学基金重点项目(61435009)；宁波自然科学基金(2015A610079)；发光材料与器件国家重点实验室开放课题 (2016–skllmd–11)资助。 第一作者：李戈(1991—)，男，硕士研究生。 通信作者：焦清(1985—)，女，讲师。Received date: 2015–12–25. Revised date: 2016–01–18. First author: LI Ge (1990–), male, Master candidate. E-mail: imlige@https://www.doczj.com/doc/7518265346.html, Correspondent author: JIAO Qing (1985–), female, Lecturer. E-mail:jiaoqing@https://www.doczj.com/doc/7518265346.html,
光学材料特性表：
常用光学塑料-聚甲基丙烯甲酯PMMA 密度(kg/m3)：(1.17～1.20)×10E3 nD ν：1.49 57.2～57.8 透过率(%)：90～92 吸水率(%)：0.3～0.4 玻璃化温度：10E5 熔点（或粘流温度）：160～200 马丁耐热：68 热变形温度：74～109(4.6 ×10Pa) 68～99(18.5×10Pa) 线膨胀系数：(5～9)×10E-5 计算收缩率(%)：1.5～1.8 比热J/kgK：1465 导热系数W/m K：0.167～0.251 燃烧性m/min：慢 耐酸性及对盐溶液的稳定性：出强氧化酸外，对弱碱较稳定 耐碱性：对强碱有侵蚀对弱碱较稳定 耐油性：对动植物油，矿物油稳定 耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响日光及耐气候性：紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物 密度(kg/m3)：(1.12～1.16)×10E3 nD ν：1.533 42.4 透过率(%)：90 吸水率(%)：0.2 玻璃化温度： 熔点（或粘流温度）： 马丁耐热：<60 热变形温度：85～99 (18.5×105Pa) 线膨胀系数：(6～8)×10E-5 计算收缩率(%)： 比热J/kgK： 导热系数W/m K：0.125～0.167 燃烧性m/min：慢
耐酸性及对盐溶液的稳定性：除强氧化酸外，对酸盐水均稳定 耐碱性：对强碱有侵蚀，对弱碱较稳定 耐油性：对动植物油，矿物油稳定 耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响 日光及耐气候性：紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-聚碳酸酯PC 密度(kg/m3)：1.2 ×10E3 nD ν：1.586(25) 29.9 透过率(%)：80～90 吸水率(%)：23CRH50% 0.15 水中0.35 玻璃化温度：149 熔点（或粘流温度）：225～250(267) 马丁耐热：116～129 热变形温度：132～141(4.6×105Pa) 132138(18.5×105Pa) 线膨胀系数：6×10-5 计算收缩率(%)：0.5～0.7 比热J/kgK：1256 导热系数W/m K：0.193 燃烧性m/min：自熄 耐酸性及对盐溶液的稳定性：强氧化剂有破坏作用，在高于60水中水解，对稀酸，盐，水稳定 耐碱性：强碱溶液，氨和胺类能腐蚀和分解，弱碱影响较轻 耐油性：对动物油和多数烃油及其酯类稳定 耐有机溶剂性：溶于氯化烃和部分酮，酯及芳香烃中，不溶于脂肪族，碳氢化合物，醚和醇类 日光及耐气候性：日光照射微脆化 常用光学塑料-烯丙基二甘碳酸酯CR39 密度(kg/m3)：25 1.32×10E3 nD ν：1.498 53.6～57.8 透过率(%)：92 吸水率(%)：0.2 24h 25 玻璃化温度：
常见光学材料简介 透镜是光学实验中的主要元件之一，可采用多种不同的光学材料制成，用于光束的准直、聚焦、成像。Newport提供的各种球面和非球面透镜，主要制作材料有BK7玻璃、紫外级熔融石英（UVFS）、红外级氟化钙（CaF2）、氟化镁（MgF2），以及硒化锌（ZnSe）。在从可见光到近红外小于2.1μm的光谱范围内，BK7玻璃具有良好的性能，且价格适中。在紫外区域一直到195nm，紫外级熔融石英是一种非常好的选择。在可见光到近红外2.1μm范围内，熔融石英具有比BK7玻璃更高的透射率，更好的均匀度以及更低的热膨胀系数。氟化钙和氟化镁则适用于深紫外或红外应用。 本文将对这些常见光学材料的性质和应用进行介绍，并列出了一些基本的材料参数，如折射率、透射率、反射率、Abbe数、热膨胀系数、传导率、热容量、密度、Knoop硬度，及杨氏模量。 BK7玻璃 BK7是一种常见的硼硅酸盐冕玻璃，广泛用作可见光和近红外区域的光学材料。它的高均匀度，低气泡和杂质含量，以及简单的生产和加工工艺，使它成为制作透射性光学元件的良好选择。BK7的硬度也比较高，可以防止划伤。透射光谱范围380-2100nm。但是它具有较高的热膨胀系数，不适合用在环境温度多变的应用中。 UV Grade Fused Silica(UVFS) 紫外级熔融石英 紫外级熔融石英是一种合成的无定型熔融石英材料，具有极高的纯度。这种非晶的石英玻璃具有很低的热膨胀系数，良好的光学性能，以及高紫外透过率，可以透射直到195nm的紫外光。它的透射性和均匀度均优于晶体形态的石英，且没有石英晶体的那些取向性和热不稳定性等问题。由于它的高激光损伤阈值，熔融石英常用于高功率激光的应用中。它的光谱透射范围可以达到2.1μm，且具有良好的折射率均匀性和极低的杂质含量。常见应用包括透射性和折射性的光学元件，尤其是对激光损伤阈值要求较高的应用。 CaF2 氟化钙 氟化钙是一种具有简单立方晶格结构的晶体材料，采用真空Stockbarger技术生长制备。它在真空紫外波段到红外波段都具有良好的透射性。这种宽光谱透射特性，加上它没有双折射性质，使它成为紫外到红外宽光谱应用理想选择。氟化钙在0.25-7μm内的透射率在90%以上，并具有较高的激光损伤阈值，常用于制作准分子激光的光学元件。红外级氟化钙通常采用自然界中可见的萤石生长而成，成本低廉。但氟化钙具有较大的热膨胀系数，热稳定性很差，要避免使用在高温环境中。氟化钙的折射率比较低，因此通常不需要在表面镀增透膜。 MgF2 氟化镁 氟化镁是一种具有正双折射性质的晶体，可采用Stockbarger技术生长，同样在真空紫外波段到红外波段具有良好的透射。通常在切割时使它的c轴与光轴方向平行，以降低双折射性质。氟化镁是另一种深紫外到红外的光学材料选择，透射范围0.15-6.5μm。另外，它可用
红外物理特性及应用
红外通信特性实验 波长范围在0.75~1000微米的电磁波称为红外波，对红外频谱的研究历来是基础研究的重要组成部分。对热辐射的深入研究导致普朗克量子理论的创立。对原子与分子的红外光谱研究，帮助我们洞察它们的电子，振动，旋转的能级结构，并成为材料分析的重要工具。对红外材料的性质，如吸收、发射、反射率、折射率、电光系数等参数的研究，为它们在各个领域的应用研究奠定了基础。 现代红外技术的成熟已经打开了一系列应用的大门。例如红外通信，红外污染监测，红外跟踪，红外报警，红外治疗，红外控制，利用红外成像原理的各种空间监视传感器，机载传感器，房屋安全系统，夜视仪等。 光纤通信早已成为固定通信网的主要传输技术，目前正积极研究将光通信用于微波通信一直占据的宽带无线通信领域。无论光纤通信还是无线光通信，用的都是红外光。这是因为，光纤通信中，由石英材料构成的光纤在0.8~1.7微米的波段范围内有几个抵损耗区，而无线大气通信中，考虑到大气对光波的吸收，散射损耗及避开太阳光散射形成的背景辐射，一般在0.81~0.86，1.55~1.6微米两个波段范围内选择通信波长。因此，一般所称的光通信实际就是红外通信。 【实验原理】 1、红外通信 在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进行调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调还原出来。不管用什么方式调制，调制后的载波要占用一定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。载波的频率间隔若小于信号带宽，则不同信号间要互相干扰。能够用作无线电通信的频率资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。红外波长比微波短得多，用红外波作载波，其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的，红外通信就是用红外波作载波的通信方式。 红外传输的介质可以是光纤或空间，本实验采用空间传输。 2、红外材料 光在光学介质中传播时，由于材料的吸收，散射，会使光波在传播过程中逐渐衰减，对于确定的介质，光的衰减dI 与材料的衰减系数α ，光强I ，传播距离dx 成正比： dI Idx α=- （1） 对上式积分，可得： L o I I e α-= （2） 上式中L 为材料的厚度。 材料的衰减系数是由材料本身的结构及性质决定的，不同的波长衰减系数不同。普通的光学材料由于在红外波段衰减较大，通常并不适用于红外波段。常用的红外光学材料包括：石英晶体及石英玻璃，它在0.14~4.5微米的波长范围内都有较高的透射率。半导体材料及它们的化合物如锗，硅，金刚石，氮化硅，碳化硅，砷化镓，磷化镓。氟化物晶体如氟化钙，氟化镁。氧化物陶瓷如蓝宝石单晶(Al 2O 3），尖晶石(MgAl 2O 4)，氮氧化铝，氧化镁，氧化钇，氧化锆。还有硫化锌，硒化锌，以及一些硫化物玻璃，锗硫系玻璃等。 光波在不同折射率的介质表面会反射，入射角为零或入射角很小时反射率：
1,进口CVD硒化锌(ZnSe)红外光学材料 CVD硒化锌（ZnSe）是一种化学惰性材料，具有纯度高，环境适应能力强，易于加工等特点。它的光传输损耗小，具有很好的透光性能。是高功率CO2激光光学元件的首选材料。由于该红外材料的折射率均匀和一致性很好，因此也是前视红外（FLIR）热成像系统中保护窗口和光学元件的理想材料。同时，该材料还广泛用于医学和工业热辐射测量仪和红外光谱仪中的窗口和透镜。 CVD ZINC SELENIDE Transmission Wavelength in Micrometers (t=8mm) 光学性质： 透过波长范围μm---22μm 折射率不均匀性（Δn/n） 吸收系数（1/cm）×10-3@1300nm ×10-4@2700nm ×10-4@3800nm ×10-4@5250nm ×10-4@10600nm 热光系数dn/dT(1/k,298— ×10-5@1150nm
折射率n随波长的变化（20℃） 理化性质： 激光损伤阈值：（10600nm脉冲激光，脉冲宽度=15μs） 2，进口CVD硫化锌（ZnS）红外光学材料 CVD硫化锌是一种化学惰性材料，具有纯度高，不溶于水，密度适中，易于加工等特点，广泛应用于红外窗口，整流罩和红外光学元件的制作。和硒化锌（ZnSe）一样，硫化锌（ZnS）
也是一种折射率均匀性和一致性好的材料，在8000nm—12000nm波段具有很好的图像传输性能，该材料在中红外波段也有较高的透过率，但随着波长变短，吸收和散射增强。与硒化锌（ZNSE）相比，硫化锌的价格低，硬度高，断裂强度是硒化锌的两倍，抗恶劣环境的能力强，非常适合用于制造导弹整流罩和军用飞行器的红外窗口。 透过率曲线： CVD ZINC SULFIDE Transmission(CVD硫化锌) Wavelength in Micrometer (t =6mm) CLEARTRAN Transmission（多光谱CVD硫化锌） Wavelength in Micrometers (t= 理化性质： CVD硫化锌多光谱CVD硫化锌 密度 (g . cm-3 @ 298k) 电阻率 (Ω. Cm)~1012~ 熔点 (℃)1827 化学纯度 (%) 热膨胀系数(1/k)* 10-6@273k* 10-6@273k * 10-6@373k* 10-6@373k
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,ii,iii]： （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 AMTIR I 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 601228Se As Ge + 2.6038 0.000091 651520Se As Ge 2.6058 2.5858 0.000058 “+”不透过；“×”得不到；“*”透射，但折射率剧烈下降
第二章红外光学材料的光学性质§2.1 引言 §2.2反射 §2.3透过率和吸收系数以及和温度的关系 §2.4折射指数、色散和折射指数的温度关系 §2.5散射 §2.6 发射率 §2.7红外材料的微波透射性质
§2.1引言 红外光学材料首先要注意的是它的光学性质，然后确定该种材料所适用的光学波段，其后才能考虑它的力学、热学性质。在相同使用波段情况下，在各个材料之间进行选择，光学性质是红外光学材料最重要的基本性质。 红外光学材料的光学性质是一个广泛的说法，它实际上包含的内容很多。有光的反射、理论透过率、吸收系数以及和温度的关系、透过率与温度的关系、折射指数以及折射指数的色散关系和温度关系、发射率和红外光学材料的微波介电性质等等。在本章中试图对上述这些性质作尽可能详细的讨论。对于每一种材料，希望能给出具体的实验数据。 §2.2反射损伤 在第一章的（1-5-18）式中表示了垂直入射光通过两种不同介质（其折射指数分别为n 1和n 2）界面时所产生的反射和透射。 ()??? ? ???+= ? ??? ??+-=2 212 12 21 214n n n n T n n n n R （2-2-1） 在求得上式的过程中是假定介质电导率0=σ。因而光在介质中传播时没有损耗。在电导率0≠σ的情况下，在界面的反射系数可表示为： ()()2 22 2 11k n k n R +++-= （2-2-2） 这里k 是消光系数（参见第一章§4），π λβ 4= k ，β为吸收系数,对于红外光学材料β值通常在10-1～10-4,因之，消光系数k 的数值在4×10-6～4×10-9之间。和(n-1)2， (n+1)2相比是一个非常小的量。因而，在反射率的计算中完全可以忽略。于是，单面反射率通常可以表示为： ()() 22 11n n R +-= （2-2-3） 这里R 是垂直入射时的反射率。 如果入射光是斜入射，由于光的偏振
第三节 材料的红外光学性能 一、红外线的基本知识 红外线同可见光一样在本质上都是电磁波，它的波长范围很宽（0.7～1000m m ），按波长又可分为三个光谱区：近红外（0.7～15m m ），中红外（15～50m m ），远红外（50～1000m m ）。红外线同样具有波粒二象性，遵守波的反射定律和折射定律，在一定的条件下也会发生干涉和衍射效应。 红外线与可见光不同之处是人的肉眼看不见红外线，且在大气层中对红外波段存在一系列吸收很低的透明波段，如1～1.1m m ，1.6～1.75m m ，2.1～2.4m m ，3.4～4.2m m 等波段，大气层的透过率在80％以上；8～12m m ，大气层的透过率为60％～70％。这些特点使得红外线在军事、工程技术和生物医学上得到许多应用。 二、红外材料的性能 红外材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率和色散，当然，材料的强度和硬度、抗腐蚀和防潮解能力、密度、到热率、热膨胀系数、比热容等在红外光学器件（如透镜、棱镜、滤光片和整流罩等）的制备和实用中也是需要考虑的。 材料的光谱透过率与材料的结构，特别是化学键和原子量有关。任何材料只能在某一波段具有较高的透过率。对于纯的晶体材料，若不考虑杂质吸收的话，其透射短波限s l 取决于电子吸收，即引起电子从价带激发到导带的光吸收。因而，一般说来，短波截至波长大致相当于该晶体禁带宽度能量对应的光频率。其长波透射限1l 主要取决于声子吸收，即晶格震动吸收，它可以是一次谐波震动吸收，也可以是高次谐波震动吸收。声子吸收和晶体结构、构成晶体元素的平均分子量及化学键有关。在晶体结构相同的情况下，平均分子量越大，则声子吸收出现的波长越长，材料的红外透射长波截至波长1l 也越长。 对于金刚石、锗、硅等具有金刚石结构的晶体，由于在红外区域没有活跃的一次谐波晶格震动，高次谐波也较弱，因而是一类透过率较高、透射波段也较宽的优秀的红外光学材料，使用也较为普遍。 折射率和色散是红外光学材料的另一重要特性。首先，折射率和反射率损失密切相关，折射率越大，反射损失也越高。其次，对于不同用途，对折射率有不同的要求。例如，对于制造窗口和整流罩的光学材料，为了减少反射损失，要求折射率低一些；而用于制造高放大率、宽视场角光学系统中的棱镜、透镜及其他光学部件的材料则要求折射率要高一些。例如，有时为了消色差或其他像差，不但需要使用不同折射率的材料作为复合透镜，而且对色散也有一定要求。作为分光光度计中色散元件的棱镜，它的性能直接与材料的折射率和色散有关。 除了透过率、折射率和色散外，材料的力学性能、抗腐蚀、防潮解等性能对于一个好的光学器件也视非常重要的。比如，绿化钠晶体虽然是很好的红外光学材料，但却容易潮解，不宜在野外使用；锗也是很好的红外光学材料，但当温度升高时，透过率显著下降，而且它比较脆，软话温度也太低，因此用作整流罩是不合适的。同样，虽然金刚石的各种性能很优异，可是它不能做成大尺寸的器件，而且价格过于昂贵，所以很少有人用它来作实际的光学材料。此外，要格外注意的是材料受热时的子辐射特性，为了避免探测器中出现假信号，受热材料在工作波段内的子辐射应当很小，这在搜索跟踪系统中尤其要引起重视。 在红外光学系统中，一些常用的部件对材料性能有不同的要求。对于探测器窗口材料，要求在探测器的响应波段内窗口必须有很高的透过率（因此要求吸收率和反射率要很低），
红外光学材料红外光学材料CVD硒化锌(ZnSe)1,进口）是一种化学惰性材料，具有纯度高，环境ZnSeCVD 硒化锌（适应能力强，易于加工等特点。它的光传输损耗小，具有很好的透光激光光学元件的首选材料。由于该红外材料的CO2性能。是高功率）热成像系统中FLIR折射率均匀和一致性很好，因此也是前视红外（保护窗口和光学元件的理想材料。同时，该材料还广泛用于医学和工业热辐射测量仪和红外光谱仪中的窗口和透镜。CVD ZINC SELENIDE Transmission Wavelength in Micrometers (t=8mm) 光学性质：透过波长范围0.5μm---22μm - n/n折射率不均匀性（Δ）10<3×-3@1300nm101/cm吸收系数（） 5.0×7.0×10-4@2700nm -4@3800nm 4.0 ×10-4@5250nm10 4.0×-4@10600nm 10 ×5.0 10-× 1.07358k) —dn/dT(1/k,298热光系数．
随波长的变化（20℃）n折射率 理化性质： s）μ10600nm脉冲激光，脉冲宽度=15激光损伤阈值：（
，进口硫化锌（）红外光学材料 ZnSCVD2． 硫化锌是一种化学惰性材料，具有纯度高，不溶于水，密度适中，易于加工等特CVD ）一样，硫化点，广泛应用于红外窗口，整流罩和红外光学元件的制作。和硒化锌（ZnSe波段具有也是一种折射率均匀性和一致性好的材料，在）锌 （12000nm—ZnS8000nm很好的图像传输性能，该材料在中红外波段也有较高的透过率，但随着波长变短，吸收和散）相比，硫化锌的价格低，硬度高， 断裂强度是硒化锌的两倍，射增强。与硒化锌（ZNSE抗恶劣环境的能力强，非常适合用于制造导弹整流罩和军用飞行器的红外窗口。 透过率曲线： 硫化锌) CVD ZINC SULFIDE Transmission(CVD Wavelength in Micrometer (t =6mm) 硫化锌）CLEARTRAN Transmission（多光谱CVD
红外技术及应用产品红外硫系玻璃 汇聚创新力量，融合光电全产业链的第20届中国国际光电博览会（CIOE）将于2018年9月5-8日在深圳会展中心举办。 清远聚航光学材料有限公司将携红外硫系玻璃在1号馆 1109 1110展位隆重展出，诚挚邀请业界同仁莅临参观、交流及业务洽谈。 应用领域： 监控设备及系统、海洋/船舶、消防/警用、传感器、红外产品。 产品类别： 红外材料。 红外硫系玻璃
清远聚航光学材料有限公司是红外光学材料的专业供应商，其中Ge-As-Se、Ge-Sb-Se、As-Se、As-S 系列是我公司批量生产的产品。公司可提供玻璃材料直径范围6 mm-100 mm。产品具有优越的折射率均匀性和批次折射率稳定性。 硫系红外玻璃具有宽广的红外透过窗口，可从可见光波段一直到14 μm，低的折射率温度系数和色散系数。这使得硫系红外玻璃成为红外光学镜头中色差校正和避免热散焦现象的理想材料。同时较低的玻璃转变温度和稳定的化学性质，使硫系玻璃精密模压成为可能，为大规模批量化生产提供了便利条件。清远聚航光学材料有限公司生产的JH系列硫系红外玻璃具有出色的红外波段透过率，低的折射率温度系数和色散系数。JH系列硫系红外玻璃与其他红外材料结合使用，是实现2-12 μm范围内红外光学镜头色差校正和避免热散焦的理想光学材料。 硫系玻璃的加工方式多样，可通过模压，机械加工，抛光等工艺制造成平面，球面，非球面的光学材料，从而广泛应用于红外成像和光电产业。 同时，硫系玻璃材料可以通过镀膜的方法来减少空气-材料之间的反射，从而大幅提高材料的红外透过率。 CIOE红外技术及应用展是中国乃至亚太地区最为完整的红外产业链商贸采购、展示、技术及学术交流的平台，全面展示红外材料、器件、设备及应用产品。 CIOE与法国权威分析机构Yole Developpement同期共同举办“第三届国际红外成像高端论坛——潜力无限迈向百万台出货量”，将聚焦红外成像行业的应用和技术，从技术、市场趋势、相关数据报告及竞争格局等方面对红外成像行业做出全面分析。
一、红外光学玻璃与红外晶体材料光学特性: 1.晶体材料 晶体材料包括离子晶体与半导体晶体离子晶体包括碱卤化合物晶体, 碱土—卤族化合物晶体及氧化物及某些无机盐晶体。半导体晶体包括Ⅳ族单元素晶体、Ⅲ～Ⅴ族化合物与Ⅱ～Ⅵ族化合物晶体等。离子型晶体通常具有较高的透过率, 同时有较低的折射率, 因而反射损失小, 一般不需镀增透膜, 同时离子型晶体光学性能受温度影响也小于非离子型晶体。半导体晶体属于共价晶体或某种离子耦合的共价键晶体。晶体的特点就是其物理与化学特性及使用特性的多样性。晶体的折射率及色散度变化范围比其它类型材料丰富得多。可以满足不同应用的需要, 有一些晶体还具备光电、磁光、声光等效应, 可以用作探测器材料。 [1] 按内部晶体结构晶体材料可分为单晶体与多晶体 ①单晶体材料 表1、1 几种常用红外晶体材料[1] 名称化学组成透射长波限/ μm 折射率/4、3μ m 硬度/克氏密度/(g·cm)溶解度 /(g·L)HO 金刚石C302、488203、51不溶 锗Ge254、028005、33不溶 硅Si153、4211502、33不溶 石英晶体SiO4、51、467402、2不溶 兰宝石AlO5、51、6813703、98不溶 氟化锂LiF8、01、341102、600、27 氟化镁MgF8、01、355763、18不溶 氟化钡BaF13、51、45824、890、17 氟化钙CaF10、01、411583、180、002 溴化铊TLBr342、35127、560、05 金红石TiO6、02、458804、26不溶 砷化镓GaAs183、34(8μm)7505、31不溶 氯化钠NaCl251、52172、1635 硒化锌ZnSe222、41505、27不溶 锑化铟InSb163、992235、78不溶 硫化锌ZnS152、253544、09不溶 KRS-5TLBr-TLI452、38407、370、02 KRS-6TLBr-TLCl302、19357、190、01 ②多晶体材料 表1、2红外多晶材料[1] 材料透射范围/μm折射率/5μm硬度/克氏熔点/℃密度/(g·m)在水中溶解度MgF0、45～9、51、3457613963、18不溶 ZnS0、57～15、02、2535410204、088不溶 MgO0、39～10、01、764028003、58不溶
光学材料的研究现状及应用 姓名： 学号： 学院班级： 发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料,被广泛地用在各种显示、照明和医疗等领域,如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等,显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器,核心部分都是由光学材料制造的光学零件。目前发光材料主要是无机发光材料,从形态上分,有粉末状多晶、薄膜和单晶等。 一、引言 光充满着整个宇宙,各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。 自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。 光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。 光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料等。 二、研究现状及主要应用领域 1.发光材料 发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程，是热辐射外另一种能量辐射现象。光子是电子在受激高能态返回低能态时发出的,当发出光子能量在1.8-3.1eV时，便是可见光。而材料发光所需能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到，也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。 发光材料是指吸收光照，然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构
第六章 材料光学性能分析 一、教学目的 理解并掌握各光学性能、光谱的概念，掌握各光谱仪的测试方法和光谱分析方法。了解光谱仪的结构和测试原理。 二、重点、难点 重点：固体发光原理、荧光光谱测试技术。 难点：荧光光谱测试技术。 三、教学手段 多媒体教学 四、学时分配 6学时 第一节 透射光谱和吸收光谱 材料的光学性能主要包括对光的折射、反射、吸收、透射以及发光等诸多方面，光学性能与材料的某些应用领域密切相关，比如用作反射镜、光导纤维窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光探测器件等。鉴于篇幅，本章着重介绍折射率、色散、透过、吸收以及激发、发射、亮度、效率等发光性能的测试。 一、基本概念 光作为一种能量流，在穿过介质时，能引起介质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量。 即使在对光不发生散射的透明介质如玻璃或水溶液中，光也会有能量的损失，即光的吸收。 1.吸收光谱 设有一厚度为x 平板材料，入射光强度设为I 0，通过此材料后光强度为I ′。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失-dI 正比于此处光强度 I 和薄层厚度dx ，即: 则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律，即朗伯特定律： α为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。 d I I d x α-=??' 0x I I e α-=?
α的大小取决于材料的性质和光的波长。对于相同波长的光波，α越大，光被吸收得越多，能透过的光强度就越小。 α随入射光波长(或频率)变化的曲线，叫作吸收光谱。 2.透射光谱 透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好坏可用透过率指标T 来衡量。 透过率T 是指光通过材料后，透过光强度占入射光强度的百分比。剩余光强度应是从初始入射光强度I 0中扣除造成光能衰减的表面上的反射损失、试样中的散射损失和吸收损失等。 一般地，反射、吸收和透过的关系可用下式表示： T ——透过率；R ——反射系数；α——吸收系数； d ——试样厚度，单位cm 。 透过率T 随波长变化的曲线即称为透射光谱曲线。 透射光谱曲线可用分光光度计来测定。 光强的大小用光透过试样照到光电管上产生的电流的大小来表示。 某个波长的光通过空气（作为空白样）后的光强设为I 0，再通过一定厚度 的试样后的光强设为I ′，即可通过I ′/ I 0得到针对该波长的透过率Tλ，如此依次测得其他各波长的透过率就可得到透过率T 随波长变化的透射光谱。 二、光谱测试 1.测试仪器：分光光度计 图6-1 721型分光光度计的光学系统示意图 1—光源 2, 8—聚光透镜 3—反射镜 4—狭缝 5, 12—保护玻璃 6—准直镜 7—色散棱镜 9—比色皿 10—玻璃试样 11—光门 13—光电管 2.透射光谱测试 2 (1)exp() T R d α=--?