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

表1.2红外多晶材料[1]

折射率/5μm硬度/克氏熔点/℃密度/(g·m-3)在水中溶解度材料透射范围/μ

m

MgF20.45～9.5 1.345761396 3.18不溶

ZnS0.57～15.0 2.253541020 4.088不溶

MgO0.39～10.0 1.76402800 3.58不溶

CaF20.2～12.0 1.372001403 3.18微溶

ZnSe0.48～22 2.4150 5.27不溶

CdTe2～30 2.7401045 5.85不溶

常用的红外单晶材料包括Ge、Si、金红石、蓝宝石、石英晶体、ZnS、GaAs、MgF2、NaCl、TlBr、KHS-6(TlBr-TlCl) 和KHS-5(TlBr-TlI) 等，具有熔点高、热稳定性好、硬度高、折射率和色散化范围大等优点，但晶体尺寸受限、成本相对较高。常用的红外多晶包括MgO、ZnS、ZnSe 和CdT e、MgF2多晶和CaF2等，具有成本低、可制备大尺寸及复杂形状的优点。适用于中红波段的玻璃光学元件主要包括铝酸盐玻璃、锗酸盐玻璃和锑酸盐玻璃等体系，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、抗热冲击和机械冲击性能较差。塑料在近红外和远红外具有良好的透过率，但在中红外波段透过率较低；已实现实用化的塑料包括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材料，后者用作2~7μm 波段保护膜和小型民用红外激光器窗口材料等。[1]

表1.3 常用红外光学材料的热学力学光学性质

材料金刚石硒化锌硫化锌单晶锗硅氟化镁

折射系数 2.38 2.40 2.19 4.00 3.42 1.35

透过率/%7171724754－

0.1～0.30.0050.20.020.35－

吸收系数

/cm-1

禁带宽度/eV 5.48 2.7 3.90.664 1.11－

熔点/℃37701520183093714171261

弹性模量/GPa105070.974.5103130115 90001052508501150640

显微硬度/

（kg/mm2）

20～220.190.270.59 1.630.16

热传导率/

﹝W/

（cm·K）﹞

1.07.0 6.8 6.0

2.611.0

热膨胀系数/

（10-6/K）

0.5～220.4～12 1.8～25 1.1～5.80.45～9.5

透过波段/m 3.0～5.0，

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、镓酸盐玻璃和碲酸盐玻璃等）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、卤系玻璃和硫卤系玻璃等。

表2.2常用长波红外玻璃材料的基本性能[3]

基本性能硫系玻璃卤系玻璃硫卤玻璃

转变温度Ｔｇ（℃）１８０～５００７５～３２０１１０～３６０，

折射率，２～３．５１．５～２．０１．８～３．０

本征损耗（ｄＢ／ｋｍ）１０２～１０４１０－１～１０－３１０－１～１０－３，

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