红外光学玻璃及红外晶体材料光学特性

一、红外光学玻璃与红外晶体资料光学特征：
1. 晶体资料
晶体资料包含离子晶体与半导体晶体离子晶体包含碱卤化合物晶体,碱土—卤族化合物晶体及氧化物及某些无机盐晶体。

半导体晶体包含Ⅳ族单元素晶体、Ⅲ～Ⅴ族化合物和Ⅱ～Ⅵ族化合物晶体等。

离子型晶体往常拥有较高的透过率,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。

晶体的特色是其物理和化学
特征及使用特征的多样性。

晶体的折射率及色散度变化范围比其余种类资料丰富得多。

能够知足不一样应用的需要,有一些晶体还具备光电、磁光、声光等效应,能够用作探测器械料。

[1]
按内部晶体构造晶体资料可分为单晶体和多晶体
①单晶体资料
表几种常用红外晶体资料[1]
名称化学构成透射长波限 /折射率 / μ m硬度/克氏密度/(g ·cm)溶解度
μm/(g ·L)HO
金刚石C308820不溶
锗Ge25800不溶
硅Si151150不溶
石英晶体SiO740不溶
兰宝石AlO1370不溶
氟化锂LiF110
氟化镁MgF576不溶
氟化钡BaF82
氟化钙CaF158
溴化铊TLBr3412
金红石TiO880不溶
砷化镓GaAs18(8 μm)750不溶
氯化钠NaCl251735
硒化锌ZnSe22150不溶
锑化铟InSb16223不溶
硫化锌ZnS15354不溶
KRS-5TLBr-TLI4540
KRS-6TLBr-TLCl3035
②多晶体资料
表红外多晶资料[1]
资料透射范围 / μm折射率 /5 μm硬度/克氏熔点/℃密度/(g ·m)在水中溶解度MgF～5761396不溶
ZnS～3541020不溶
MgO～6402800不溶
CaF～2001403微溶ZnSe～22150不溶
CdTe2～30401045不溶
常用的红外单晶资料包含Ge、Si 、金红石、蓝宝石、石英晶体、ZnS、 GaAs、 MgF、 NaCl 、TlBr 、KHS-6(TlBr-TlCl)和KHS-5(TlBr-TlI)等，拥有熔点高、热稳固性好、硬度高、折射率和色散化
范围大等长处，但晶体尺寸受限、成真相对较高。

常用的红外多晶包含MgO、 ZnS、ZnSe 和 CdTe、MgF多晶和 CaF等，拥有成本低、可制备大尺寸及复杂形状的长处。

合用于中红波段的玻璃光学元件
主要包含铝酸盐玻璃、锗酸盐玻璃和锑酸盐玻璃等系统，光学平均性好、易于制成不一样尺寸与形状，
但其红外波段透射范围较窄、抗热冲击和机械冲击性能较差。

塑料在近红外和远红外拥有优秀的透过率，但在中红外波段透过率较低；已实现适用化的塑料包含丙烯酸脂和聚四氟乙烯，前者在常温下用于红外发光二极管等的封装资料，后者用作 2~7μ m 波段保护膜和小型民用红外激光器窗口资料等。

[1]
表常用红外光学资料的热学力学光学性质
资料金刚石硒化锌硫化锌单晶锗硅氟化镁
折射系数
透过率 /%7171724754－
汲取系数 /cm～－
禁带宽度 /eV－
熔点/ ℃37701520183093714171261
弹性模量 /GPa1050103130115
显微硬度 /90001052508501150640
（kg/mm）
热传导率 /20～22
﹝W/（cm·K）﹞
热膨胀系数 /
（10/K ）
透过波段 /m～，～～22～12～25～～
2.红外光学玻璃
中波红外光学玻璃：
依据成分不一样，中波红外光学玻璃主要包含氟化物玻璃、氧化物玻璃（主要铝酸钙玻璃、锗酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和碲酸盐玻璃等）以及
氧氟化物玻璃。

表常有中波红外光学玻璃资料特征[12]
长波红外光学玻璃：
依据成分不一样，长波红外玻璃主要包含硫系玻璃、卤系玻璃和硫卤
系玻璃等。

表常用长波红外玻璃资料的基天性能[3]
基天性能硫系玻璃卤系玻璃硫卤玻璃
转变温度Ｔ（℃）１８０～５００７５～３２０１１０～３６０，
折射率，２～３．５１．５～２．０１．８～３．０
本征消耗（ｄＢ／ｋｍ）１０～１０１０～１０１０～１０
化学稳固性稳固极易潮解潮解
透过波长（μｍ）０．９～１８0．２５～２００．２５～２０
透过率（％）６０～７０８０～９０７０～８０
表硫系玻璃资料的性能[3]
构成（摩尔分数，％）特色温度（℃）ＡｓＳＴ＝１８０
ＧｅＡｓＳＴ＝４２０
Ｇｅ－ＳＴ＝３７０
ＡｓＳｅＴ＝１８４
ＧｅＡｓＳｅＴ＝３９５
Ｇｅ－Ａｓ－ＳｅＴ＝２６７～４１０Ｇｅ－Ｓｂ－ＳｅＴ＝２００
ＧｅＡｓＴｅＴ＝２０５
ＧｅＳｅＴｅ－
ＧｅＴｅ－
折射率ｎ本征消耗（ｄＢ／ｋ透过波长（μｍ）
ｍ）
２．３５２×１０（５．５μ０．１５～１２
ｍ）
２．２２－０．６～１１
２．１１３．６×１０（２．４０．１５～１１
μｍ）
２．７２１０（６．５μｍ）０．８～１７．８２．５６１０（１．０５μｍ）０．８～１６
２．５６～２．７０－０．８～１５２．６２－１～１５
３．４０－２～１８
－１．５（１０．６μ２～１８
ｍ）
－－２～１９
表卤系玻璃资料的性能[3]
构成（摩尔分数，％）Ｔ（℃）折射率本征消耗（ｄＢ／ｋ透过波长（μｍ）
ｍ）
ＺｒＦ－ＢａＦ－Ｌ３１１１．５２８１０（３～５μｍ）０．２５～８
ａＦ
ＣｄＦ－ＢａＦ－Ｚ２８３－－２．５～９
ｎＦ
ＺｎＣｌ１１５１．６８～１．７１１０（３．７μｍ）２～１４
ＣｄＣｌ－ＢａＣｌ１６７－－２．５～１６
－ＫＣｌ
ＣｄＣｌ－ＣｄＦ－１８２１．５５３５－２．５～１５
ＢａＦ
ＺｎＢｒ１２２１．５４５－０．３～２０
ＣｄＩ－ＣｓＩ－Ｋ１０～３５－－０．２５～３０Ｉ
表硫卤玻璃资料的性能[3]
构成（摩尔分数，％）Ｔ（℃）折射率本征消耗（ｄＢ／ｋ透过波长（μｍ）
ｍ）
５０ＧｅＳｅ－２０２９９－－０．６～１６
ＧａＳｅ－３０ＫＢ
ｒ
４０ＧｅＳｅ－２５３０２－－０．６～１６
ＧａＳｅ－３５Ｃｓ
Ｉ
６０ＧｅＳｅ－２０３２０－－０．７～１６
ＧａＳｅ－２０ＫＩ
Ｇｅ－Ｇａ－Ｓｅ－１７５～２１５－－０．４～１２
Ｓ－ＣｓＣｌ
Ｔｅ－Ｓｅ－Ｉ５０～６５－０．９（１０．６μ０．６～２２
ｍ）
ＴｅＡｓＳｅＩ１１１２．８２１１．２（１０．６μ３～１８
ｍ）
二、红外光学玻璃应用现状：
1.元件种类
中波红外光学玻璃：
依据成分不一样，中波红外光学玻璃主要包含氟化物玻璃、氧化物玻璃（主要铝酸钙玻璃、锗酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和碲酸盐玻璃等）以及氧氟化物玻璃。

[12]
长波红外光学玻璃：
依据成分不一样，长波红外玻璃主要包含硫系玻璃、卤系玻璃和硫卤系玻璃等。

[3]
2.应用对象
中波红外玻璃（ 3～5μm波段高透的）在民用和军用领域有十分重要的应用 , 比方红外抗衡 (IRCM)、化学物遥感、红外制导、红外侦察、高能激光武器、热像仪、夜视仪、火焰气体探测器、环境监测、空间通讯等多个领域。

新一代以精准制导
为主要特色的光电系统 , 如导弹、光雷达、机舰载红外搜寻与追踪系统 (IRST) 、散布式孔径系统 (DAS)等, 已逐渐向多波段复合、宽视角、远距离和高分辨率方向发展。

长波红外玻璃拥有较宽的红外透过范围，随玻璃构成变化，其透过从μｍ扩展
到 14～ 20μｍ，可用于能量控制、热门探测、电路检测、温度监督以及夜视等。

硫系玻璃的主要应用领域是探测物体和人在环境温度下所发生的辐射（在10μ
ｍ处最为敏捷）、热成像以及 8～ 13μｍ透过窗口等，硒锑红外玻璃透过范围特
别合适这一地区的热成像；卤系玻璃则主要用于传输ＣＯ 2 激光器激光，以知足医疗、资料精加工等方面的需要。

3.加工方法
熔融 - 淬冷法
因为硫系玻璃熔体在高温下极易氧化，故在玻璃制备过程中，应将原资料置于真
空密封的石英管中熔制。

样品的制备经过原料预办理、石英管预办理、称重、配
料、石英管抽真空、封装、熔制、淬冷、退火、切割、研磨、抛光等过程。

[14]精细模压成型
从构造上剖析 , 硫系玻璃与晶体红外资料的一个重要差异在于前者为非晶态尔后者为晶体 . 晶体资料在加热至熔点时直接由固态转变成液态 , 所以不存在模压的可能性 . 而非晶态资料与塑料相像 , 在加热过程中粘度渐渐降低 , 直至进入能依据模具供给的形状经过压制而精准成型的最正确粘度范围 . 换言之 , 硫系玻璃合用于精细模压成型工艺 , 该工艺的成本明显要比用于晶体加工的单点金刚石车削工艺低得多 , 由此为红外夜视仪的商业应用确立了基础 .
与晶体类红外资料对比，玻璃类资料的最大优势就是成型工艺简单，可利用精细模压成型工艺直接加工包含球面、非球面和非球面射棱镜在内的多种玻璃
红外光学元件，使加工成本较晶体资料显着降低。

与传统的氧化物光学玻璃对比，硫系玻璃制备拥有很强的工艺特别性，它一般需要在无氧真空氛围的圆柱形密闭石英安瓿中进行高温(800~1 000℃ )摇晃
熔制，没法进行机械搅拌。

硫系玻璃生产制备工艺主要包含原料提纯、高平均性玻璃熔制、脱模、退火四大环节。

微晶化办理
从热力学看法剖析 , 玻璃态是一种高能状态 , 有自觉的析晶趋向 , 玻璃处于介稳状态。

室温下 , 玻璃的稳固态应为晶态 , 但是却未能析晶 , 这可能是因为跟着温度的降
低 , 粘度迅速增添而有效地阻挡了晶体的形成。

微晶玻璃是经过控制玻璃的晶化
而制备的多晶固体。

晶化是经过把合适的玻璃经过认真拟订的微晶化制度使玻
璃中成核及结晶生长。

因为本课题研究的硫系玻璃将用于红外光学系统, 为了不影响其在红外地区的透过性能 , 微晶化后的硫系玻璃内部析出晶粒的尺寸应控制在红外最小波长以下,即 740nm,所以实验中只要要在硫系玻璃中形成尽可能多的小晶核 , 不需要晶粒长
大 , 这样才能够获取力学性能、热稳固性及光学性能均优秀的硫系玻璃。

热办理
经过合适热办理氧化物玻璃能够制得热力学性能极大提升的微晶玻璃,所以,人们试图经过相同的方法制备硫系微晶玻璃并进行了宽泛的试试. 与氧化物玻璃不一样的是 , 在硫系玻璃的微晶化过程中要严格控制晶粒的尺寸 , 防止晶粒过大造成的散射影响红外透过率 , 所以实质的热办理工艺只研究成核阶段 , 尽可能在玻璃基体上平均析出大批的纳米晶 , 故最优的成核温度和最正确的成核保温时
间是生产微晶玻璃的重点.
4.镀膜现状
三、红外光学玻璃当前在应用中存在的主要问题：
当前硫属化合物玻璃一般采纳真空熔铸法和压铸法制备,简单产生偏折及气泡等缺点,同时在制备过程中因氧化可致使红外性能劣化,硫属化合物组份元素大多带有毒性和易爆性,加之融熔和淬火方面的困难,使得制备大型高质量硫属化合物玻璃资料成品率较低。

制备在 8～14μ m 或更长波段以及温度≥500 ℃下使用的玻璃资料,在理论上碰到了困难,因为如要使玻璃透射向长波延长,要求用原子量大且原子间互相作用较弱的元素,而由这种元素组份制备的资料必定致使低的玻璃转变温度和融化点,使资料不行能适用化.
（１）硫系玻璃对杂质特别敏感，对原料、设施和制备技术提出了较高的控制要求。

（２）卤系玻璃的环境适应性差，极易潮解，需要对玻璃表面进行镀膜保护。

（３）制备试样尺寸小，难以知足光电技术的迅速发展需求。

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