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C302.488203.51不溶锗Ge254.028005.33不溶硅Si153.4211502.33不溶石英晶体SiO24.51.467402.2不溶兰宝石Al2O35.51.6813703.98不溶氟化锂LiF8.01.341102.600.27氟化镁MgF28.01.355763.18不溶氟化钡BaF213.51.45824.890.17氟化钙CaF210.01.411583.180.002溴化铊TLBr342.35127.560.05金红石TiO26.02.458804.26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/μ

折射率/5μm硬度/克氏熔点/℃密度/(g·m-3)在水中溶解度m

MgF20.45～9.51.3457613963.18不溶

ZnS0.57～15.02.2535410204.088不溶

MgO0.39～10.01.764028003.58不溶

CaF20.2～12.01.3720014033.18微溶

ZnSe0.48～222.41505.27不溶

CdTe2～302.74010455.85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CdTe、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－

吸收系数/cm-10.1～0.30.0050.20.020.35－

禁带宽度/eV 5.48 2.7 3.90.664 1.11－

熔点/℃37701520183093714171261

弹性模量/GPa105070.974.5103130115

显微硬度/

90001052508501150640

（kg/mm2）

热传导率/20～220.190.270.59 1.630.16

（cm·K）﹞

热膨胀系数/

1.07.0 6.8 6.0

2.611.0

（10-6/K）

透过波段/m 3.0～5.0，8.0～

0.5～220.4～12 1.8～25 1.1～5.80.45～9.5

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

表2.3硫系玻璃材料的性能[3]

组成（摩尔分数，％）特征温度（℃）折射率ｎ本征损耗（ｄＢ／ｋ

ｍ）

透过波长（μｍ）

Ａｓ２Ｓ３Ｔｇ＝１８０２．３５２×１０４（５．５μ

ｍ）

０．１５～１２

Ｇｅ２５Ａｓ１５Ｓ６０Ｔｆ＝４２０２．２２－０．６～１１

Ｇｅ－ＳＴｇ＝３７０２．１１３．６×１０２（２．４

μｍ）

０．１５～１１

Ａｓ２Ｓｅ３Ｔｇ＝１８４２．７２１０（６．５μｍ）０．８～１７．８Ｇｅ３０Ａｓ１５Ｓｅ５

５

Ｔｆ＝３９５２．５６１０２（１．０５μｍ）０．８～１６

Ｇｅ－Ａｓ－ＳｅＴｆ＝２６７～４１

０

２．５６～２．７０－０．８～１５

Ｇｅ－Ｓｂ－ＳｅＴｇ＝２００２．６２－１～１５

Ｇｅ２５Ａｓ２５Ｔｅ５

０

Ｔｆ＝２０５３．４０－２～１８

Ｇｅ１８Ｓｅ１０Ｔｅ７２－－１．５（１０．６μ

ｍ）

２～１８

Ｇｅ１８Ｔｅ８２－－－２～１９