红外材料介绍

1. 锗

        锗是最常用的红外材料，既用于LWIR波段，又用于MWIR波段。在LWIR波段，它是消色差双透镜中的冕牌或正元件；在MWIR波段，它是消色差双透镜中的火石或负元件。这种变化来源于它在两个波段中的色散特性差异。在MWIR波段，锗很接近它的低吸收波段，它的折射率变化很快，进而导致较大的色散。这使它适宜于用作消色差双透镜中的负光焦度元件。

        就锗的光学特性而言，有两个参数很重要。首先，锗的折射率略大于4.0 ，这意味着小失高曲面是合理的。较高的折射率有利降低像差，这对设计是十分有利的。另一个重要参数是dn/dt，即折射率随温度的变化。锗的dn/dt是0.000396/℃。这是一个很大的值，在与BK7普通玻璃相比较时尤其如此，普通玻璃的dn/dt仅为0.00000360/℃。这可能产生随温度变化的大焦移。

        锗是一种晶体材料，可以以多晶或单晶方式生长。由于生产和提炼过程的不同，单晶锗比多晶锗更昂贵。20世纪70年代和80年代，关于高性能热成像系统中单晶锗的相对需求存在很多疑惑。大体上讲，欧洲设计师指定单晶材料，而美国一般订购多晶材料。20世纪80年代中后期的研究表明，多晶锗确实存在较大的折射率不均匀性，这主要由颗粒边界处的杂质造成。而且，如果材料位于或接近中间像面，则这些杂质会被成像到FPA上，因此，单晶锗成为首选。幸运的是，材料制造业的最新发展已缩短了成本上的差距，大部分光学厂使用单晶锗。在高温下，锗变得易于吸收，200℃时透射比接近于零。

        单晶锗的折射率不均匀性为0.00005～0.0001，多晶锗的折射率不均匀性为0.0001～0.00015。对于光学应用，通常以Ωcm为单位指定锗的电阻系数，普通接受的电阻系数值为整个毛坯5～40Ωcm。单晶区域内的电阻系数沿径向缓慢变化，而多晶区域的电阻系数则变化迅速。

锗具有变成碎屑的脆性。在光学加工、镀膜和装配过程中必须格外小心，因为对锗元件边缘的不合理敲打会导致碎屑的剥落。因此，经常使用半适应性的粘接材料将锗元件装入镜筒中。

2.硅

        硅也是与锗很类似的晶体材料，主要用于3～5um的MWIR波段，因为在8～12um的LMIR波段存在吸收。硅的折射率比锗略低（硅为3.4255，锗为4.0243），但折射率仍然很大，有利于像差的控制。另外，硅的色散也相对较低，硅可以用金刚石车削方法进行加工，但硅中的碳会和金刚石中的碳起反应，导致刀具寿命的缩短和成本的提高。

3.硫化锌

        硫化锌是MWIR波段和LMIR波段常用的材料。虽然它的外外观变化很大，但一般呈现锈黄色，对可见光半透明。生产硫化锌的最普通工艺被称为化学气相沉积（CVD）。如果硫化锌经热压（HIP）而成，则可将它做成如水一样透明。虽然只有几家制作商销售透明硫化锌，但是最普通的商售透明硫化锌，可用于从可见光到LMIR波段的多光谱窗口和透镜。

4.硒化锌

        化锌在很多方面与硫化锌类似，折射率比硫化锌略高，但结构不如硫化锌牢固。因此，考虑到环境耐久性，有时将一薄层硫化锌沉积到厚的硒化锌基底上。与硫化锌相比，硒化锌最显著的优点是吸收系数极小，所以硒化锌通常应用于高能二氧化碳激光系统中。

5.AMTIRⅠ和AMTIRⅢ

        AMTIRⅠ和AMTIRⅢ是由锗、砷和硒以近33:12:55的比例生产出来的玻璃质材料。AMTIR族材料从近红外波段就开始透过。因此，AMTIR材料可以透过深暗红色光，AMTIR的dn/dt大约是锗的25%，这对解决热离焦问题很有帮助。

6.氟化镁

        氟化镁是另外一种晶体材料。由于它的晶体结构，可透射从紫外（UV）到MWIR的光谱段。氟化镁可用晶体生长或“热压”的方法制造。在后一工艺方法中，材料的精细粉末经受高温和高压，其方法类似于粉末金属处理技术，所生成的乳状玻璃质材料在MWIR波段透射情况良好。然而请注意，可能存在一定的散射，造成对比度的下降和轴外的杂散光问题。幸运的是，由于微粒散射与波长的四次方长反比，因此可见光下的乳状外观在5um处会减少2的4次方即16倍。

7.蓝宝石

        蓝宝石是一种极其坚硬的材料（硬度值为2000努普，而钻石为7000努普），可透射从远UV到MWIR波段的光。蓝宝石的独特特性是在高温下具有很低的辐射率。这意味着高温下这种材料的辐射比其他材料少得多，因此可将蓝宝石用于经受高温的箱体窗口，尤其是红外波段窗口。蓝宝石的另一个应用是作为超音速运载工具的保护窗口，在这种系统中窗口加热是一个重要问题。蓝宝石主要缺点是硬度较高，使光学加工变得困难、耗时而且成本很高。另一种与之有关的材料为尖晶石。尖晶石在效果上类似于热压蓝宝石，可以替代蓝宝石使用。尖晶石具有很高的色散。

8三硫化砷

        三硫化砷是另外一种有时用于MWIR波段和LMIR波段的材料。它呈现深红色外观，价格十分昂贵。

9.其它可行材料

        有许多适用于从深紫外到中波红外波段的其它材料，如氟化钙、氟化钡、氟化钙、氟化锂、溴化锂等。其色散特性可使其用于更宽的光谱范围，从近红外到中红外甚至到远红外。这些材料中有许多具有不良特性，尤其是吸潮性。

通常，红外材料如锗、硅、硫化锌和硒化锌的光学加工方法类似于玻璃光学材料。有些晶体材料具有吸潮性，给光学加工带来一些问题，这些材料需要适当镀膜以避免潮气的破坏，其镜筒经常需要干燥氮气净化。红外材料通常具有很高的折射率，需要镀减反射膜，否则，系统的透射比会很低。