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/μm硬度/克氏密度/(g·cm)溶解度

/(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(8μm)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多晶体材料

表红外多晶材料[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

常用的红外单晶材料包括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，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CdTe、MgF多晶和CaF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

透过率/%7171724754－

吸收系数/cm～－

禁带宽度/eV－

熔点/℃37701520183093714171261

弹性模量/GPa1050103130115 90001052508501150640

显微硬度/

（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：

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

表硫系玻璃材料的性能[3]

透过波长（μｍ）组成（摩尔分数，％）特征温度（℃）折射率ｎ本征损耗（ｄＢ／ｋ

ｍ）

０．１５～１２

ＡｓＳＴ＝１８０２．３５２×１０（５．５μ

ｍ）

ＧｅＡｓＳＴ＝４２０２．２２－０．６～１１

０．１５～１１

Ｇｅ－ＳＴ＝３７０２．１１３．６×１０（２．４

μｍ）

ＡｓＳｅＴ＝１８４２．７２１０（６．５μｍ）０．８～１７．８ＧｅＡｓＳｅＴ＝３９５２．５６１０（１．０５μｍ）０．８～１６

Ｇｅ－Ａｓ－ＳｅＴ＝２６７～４１０２．５６～２．７０－０．８～１５

Ｇｅ－Ｓｂ－ＳｅＴ＝２００２．６２－１～１５

ＧｅＡｓＴｅＴ＝２０５３．４０－２～１８

ＧｅＳｅＴｅ－－１．５（１０．６μ

２～１８

ｍ）

ＧｅＴｅ－－－２～１９

二、红外光学玻璃应用现状：

1.元件类型

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。[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。[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,比如红外对抗(IRCM)、化学物遥感、红外制导、红外侦查、高能激光武器、热像仪、夜视仪、火焰气体探测器、环境监测、空间通信等多个领域。新一代以精确制导为主要特征的光电系统, 如导弹、光雷达、机舰载红外搜索与跟踪系统(IRST)、分布式孔径系统(DAS)等,已逐步向多波段复合、宽视角、远距离和高分辨率方向发展。

长波红外玻璃具有较宽的红外透过范围，随玻璃组成变化，其透过从μｍ扩展到14～20μｍ，可用于能量控制、热点探测、电路检测、温度监视以及夜视等。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