红外光学玻璃与红外晶体材料光学特性

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得透过率, 同时有较低得折射率, 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得共价键晶体。晶体得特点就是其物理与化学特性及使用特性得多样性。晶体得折射率及色散度变化范围比其它类型材料丰富得多。可以满足不同应用得需要, 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

CaF0、2～12、01、3720014033、18微溶

ZnSe0、48～222、41505、27不溶

CdTe2～302、74010455、85不溶

常用得红外单晶材料包括Ge、Si、金红石、蓝宝石、石英晶体、ZnS、GaAs、MgF2、NaCl、TlBr、KHS-6(TlBr-TlCl) 与KHS-5(TlBr-TlI) 等, 具有熔点高、热稳定性好、硬度高、折射率与色散化范围大等优点,但晶体尺寸受限、成本相对较高。常用得红外多晶包括MgO、ZnS、ZnSe 与CdTe、MgF2多晶与CaF2等,具有成本低、可制备大尺寸及复杂形状得优点。适用于中红波段得玻璃光学元件主要包括铝酸盐玻璃、锗酸盐玻璃与锑酸盐玻璃等体系,光学均匀性好、易于制成不同尺寸与形状,但其红外波段透射范围较窄、抗热冲击与机械冲击性能较差。塑料在近红外与远红外具有良好得透过率, 但在中红外波段透过率较低; 已实现实用化得塑料包括丙烯酸脂与聚四氟乙烯, 前者在常温下用于红外发光二极管等得封装材料,后者用作2~7μm 波段保护膜与小型民用红外激光器窗口材料等。[1]表1、3 常用红外光学材料得热学力学光学性质

材料金刚石硒化锌硫化锌单晶锗硅氟化镁

折射系数2、382、402、194、003、421、35

透过率/%7171724754－

吸收系数/cm0、1～0、30、0050、20、020、35－

禁带宽度/eV5、482、73、90、6641、11－

熔点/℃37714171261

弹性模量/GPa105070、974、5103130115

显微硬度

901150640

/(kg/mm)

20～220、190、270、591、630、16

热传导率/

﹝W/(cm·K)﹞

1、07、06、86、0

2、611、0

热膨胀系数

/(10/K)

0、5～220、4～121、8～251、1～5、80、45～9、5透过波段/m3、0～5、0,8、

0～14、0

2.红外光学玻璃

中波红外光学玻璃:

根据成分不同,中波红外光学玻璃主要包括氟化物玻璃、氧化物玻璃(主要铝酸钙玻璃、锗酸盐玻璃、镓酸盐玻璃与碲酸盐玻璃等)以及氧氟化物玻璃。

表2、1常见中波红外光学玻璃材料特性[12]

长波红外光学玻璃:

根据成分不同,长波红外玻璃主要包括硫系玻璃、卤系玻璃与硫卤系玻璃等。

表2、2常用长波红外玻璃材料得基本性能[3]

基本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

本征损耗(ｄＢ／ｋｍ)１０～１０１０～１０１０～１０

化学稳定性稳定极易潮解潮解

透过波长(μｍ)０.９～１８0.２５～２００.２５～２０

透过率(％)６０～７０８０～９０７０～８０

表2、3硫系玻璃材料得性能[3]

组成(摩尔分数,％)特征温度(℃)折射率ｎ本征损耗(ｄＢ／ｋ

透过波长(μｍ)

ｍ)

０.１５～１２

ＡｓＳＴ＝１８０２.３５２×１０(５.５μ

ｍ)

ＧｅＡｓＳＴ＝４２０２.２２－０.６～１１

Ｇｅ－ＳＴ＝３７０２.１１３.６×１０(２.４

０.１５～１１

μｍ)

ＡｓＳｅＴ＝１８４２.７２１０(６.５μｍ)０.８～１７.８

ＧｅＡｓＳｅＴ＝３９５２.５６１０(１.０５μｍ)０.８～１６

Ｇｅ－Ａｓ－ＳｅＴ＝２６７～４１０２.５６～２.７０－０.８～１５