红外材料技术与微电子技术的结合,极大地推动了红外成像与红外制导技术的发展。红外技术应用与发展,又促进了红外材料技术的发展及进步。对红外材料的耐高温、高强度、大尺寸、化学及物理稳定性等提出了一系列更高要求。

红外光学材料是指在红外成像与制导技术中用于制造透镜、棱镜、窗口、滤光片、整流罩等的一类材料。这些材料具备满足需要的物理及化学性质,即主要指标为: 良好的红外透明性与较宽的透射波段。一般来说,红外光学材料的透过波段和透过率与材料内部结构,特别是能级结构及化学键有密切关系。例如,对于晶体材料,其短波吸收限,主要取决于禁带宽度,而长波限取决于声子吸收即晶格振动吸收。而晶格振动的频率T与吸收长波限相关,即振动频率T越低,长波限值越长。对于金刚石结构的晶体材料,在红外波段内没有较强的一次晶格振动谐波,面高次谐波吸收较弱,因而金刚石结构晶体有较好的透过率及较宽的频段特性。

对于晶体材料,若不考虑杂质与缺陷 ( 气孔等) ,从理论上讲,大多数单晶材料与多晶材料红外透明性能几乎一致。因而多晶制备技术,特别是多晶热压、PVD、CVD 制备技术得到了长足发展。由于多晶性能与单晶一致,不存在解理面,其机械强度、抗热冲击、经济性等优于单晶,可以做到很大尺寸等,在一些领域已取代了单晶材料。

对于玻璃及塑料,其透射波段及透过率与原子及分子结构有关,但由于其结构的长程无序,它的短波及长波吸收限与禁带宽度及声子吸收的对应关系较为模糊。玻璃与塑料的应用与研究是近年来活跃的领域。

红外材料今天已发展成了一个庞大的家族,其技术复杂、多样,令人目不暇接。本文仅对几种重要的红外材料近年来应用及发展情况作一介绍。

2   晶体材料

晶体材料是人们最早使用的一类红外光学材料,也是目前主要使用的光学材料。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Ô族单元素晶体、ó~Õ族化合物和ò~ Ö 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。关于探测器材料,由于篇幅,本文不作介绍。

硫化锌材料

硫化锌是一种无机化合物,化学式为ZnS,为白色或微黄色粉末,见光色变深。在干燥空气中稳定,久置湿空气中或含有水分时,渐氧化为硫酸锌。硫化锌材料的研究从1868年法国化学家Sidot发现至今已有150多年的历史。

硫化锌晶体

-硫化锌晶体-

硫化锌晶胞

-硫化锌晶胞-

硫化锌红外光学材料

目前,光学材料的种类多达几十种:无色光学玻璃和有色光学玻璃,红外光学材料,光学晶体,光学石英玻璃,人造光学石英晶体,微晶玻璃,光学塑料,光学纤维,航空有机玻璃,乳白漫射玻璃以及有关液体材料等。

其中红外材料是其中最常见的一种。红外光学材料主要有硫化锌、金刚石、单晶锗、硅、砷化镓、氟化镁和蓝宝石等,硫化锌是其中最常见的红外光学材料之一。

在光学行业中,硫化锌是一种光学化学惰性材料,具有纯度高,不溶于水,密度适中,易于加工等特点。广泛应用于红外窗口,整流罩和红外光学元件的制作。

和硒化锌ZnSe一样,硫化锌也是一种折射率均匀性和一致性好的材料。在8000nm-12000nm波段具有很好的图像传输性能,该材料在中红外波段也有较高的透过率,但随着波长变短,吸收和散射增强。

与硒化锌相比,硫化锌的价格低,硬度高,断裂强度是硒化锌的两倍,抗恶劣环境的能力强,非常适合用于制造导弹整流罩和军用飞行器的红外窗口。

硫化锌的光学曲线

-硫化锌的光学曲线-

硫化锌的光学性质

锗是较常见的光学材料,它不仅可以用于长波红外,也可以用于中波红外。锗在光加工、镀膜和调整过程中应仔细处理。由于锗的用途很广,与它的优点相比,它的问题都可以解决。

       硅是一种类似于锗的晶体材料。硅的折射率比锗低,在控制像差方面有足够的优势。此外,硅的分散性很低。硅可以通过金刚石车削加工,但这很困难,而且也是有害的;至车刀。常用的加工方法是抛光。
       与氧化物玻璃相比,硫系玻璃密度较大,结合强度较弱。目前,用于红外光学器件的硫系玻璃中都含有砷。然而,随着世界各国环保意识和产品标准的提高;环保无砷玻璃将成为一种趋势。
       硒化锌和硫化锌也属于红外光学材料,硒化锌比硫化锌贵,适用于对吸收率要求较低的光学系统。
       氧化钙可用于棱镜、透镜、大口径透镜和窗口等光学元件。它可以消除二次光谱,有利于光谱复消色差。
       红外镜头广泛应用于夜视镜、成像系统和医疗器械中。

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