材料的红外光学性能

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），按波长又可分为三个光谱区：近红外（0.7～15m），中红外（15～50m），远红外（50～1000m）。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，1.6～1.75m，2.1～2.4m，3.4～4.2m等波段，大气层的透过率在80％以上；8～12m，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

取决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

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

主要取决于声子吸收，即晶格相当于该晶体禁带宽度能量对应的光频率。其长波透射限

1

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

也越长。

声子吸收出现的波长越长，材料的红外透射长波截至波长

1

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。