红外光学材料
红外光学功能材料的研究进展
红外光学功能材料的研究进展在现代科技的发展中，红外光学技术被广泛应用于红外成像、光纤通信、红外传感器等众多领域，而红外光学功能材料作为红外光学器件的重要组成部分，也因其优异的性能而备受研究者的关注。
本文将从红外光学功能材料的分类、研究方法和应用前景等方面，探讨近年来红外光学功能材料的研究进展。
一、红外光学功能材料的分类红外光学功能材料广泛涉及到玻璃、聚合物、金属氧化物等多种材料。
其中，玻璃材料是红外光学材料领域的重要研究方向之一。
常见的玻璃材料包括硒化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃等。
硒化物玻璃具有宽窗口、高折射率、低原子振动、化学稳定性好等特点，适用于红外光的传输。
而硫化物玻璃具有较高的辐射抵抗性、较低的散射损失、较高的折射率等优势，在红外激光器件中具有潜在的应用价值。
氟化物玻璃由于具有优异的透明性和化学稳定性，被广泛应用于红外光学成像、红外激光器件等领域。
另一类重要的红外光学功能材料是聚合物材料。
聚合物材料以其低成本、可塑性强等特点，成为红外光学领域的研究热点。
例如聚芳酰胺纤维具有高强度、低吸水性等特点，广泛应用于红外激光器件、红外探测器等设备中。
聚氨酯材料则以其良好的力学性能、化学稳定性，成为一种理想的红外隔热材料。
而金属氧化物材料，由于其具有较高的折射率和吸收特性等，在红外光学设备中具有广泛的应用前景。
如氧化锌材料、氧化锡材料等，都能在红外波段中起到良好的透射和控制制御性能，被广泛应用于红外滤波器、红外窗口等器件中。
二、红外光学功能材料的研究方法红外光学功能材料的研究方法主要分为合成方法和表征方法两个方面。
在材料的合成方法上，目前常用的方法包括溶胶-凝胶法、电泳沉积法、熔窗法、溅射法等。
这些方法可以制备出具有良好光学性能和稳定性的红外光学材料。
在红外光学功能材料的表征方法上，常用的方法包括红外透射谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等。
这些方法可以了解材料的光学性能、结构性能等，为材料的合成和应用提供科学依据。
红外光学材料性能-总结归档
发展和展望： 1、对已研究的红外材料要着重开展工艺方面研究，以期获得更大尺寸、更高质量和更低成本； 2、要开展对光学级金刚石生长，蓝宝石近尺寸成型技术，ZnS/ZnSe复合材料、多晶氧化铝的研 究，填补国内技术空白。
红外窗口的综合性能指标主要由热破裂品质因子(M)和光畸变品质因子(Q)来表征。高马赫数导弹整流罩还有抗热冲击品质因子(R)
＜0.1@5 μ m
3500
0.8～1.2 @300 K
-
2050
4.4@300K（垂 直）
0.92@5μ m
0.33@296K 1.02@300K
0.124
0.78@300K
18@300K 74/70.9
63
21@300K 114/139
1
20@300K
35@300K（平行） 33@300K（垂直）
0.5/0.9 36.5 50/68
1 50/150 100～150
2~8
2.2/1.7/2
-
784±35%（a 轴）
200
105350±03～4%1（00c0
1.1/1.9 100-200
190
1.43/2-2.4 0.7/0.43 0.74/0.9
300
90-100
70-340
300/622
90
986～1079
340-460
9.6×10－6 @10.6 μ m
6~12
2135
5.6@300K 11.7@2000K
0.5@5 μ m
1.08@441K 0.88@300K 13.8@308K 14.6@300K
193
3
氮氧化铝 （AlON）
立方结构
红外光学材料大全
1,进口CVD硒化锌(ZnSe)红外光学材料CVD硒化锌（ZnSe）是一种化学惰性材料，具有纯度高，环境适应能力强，易于加工等特点。
它的光传输损耗小，具有很好的透光性能。
是高功率CO2激光光学元件的首选材料。
由于该红外材料的折射率均匀和一致性很好，因此也是前视红外（FLIR）热成像系统中保护窗口和光学元件的理想材料。
同时，该材料还广泛用于医学和工业热辐射测量仪和红外光谱仪中的窗口和透镜。
CVD ZINC SELENIDE TransmissionWavelength in Micrometers (t=8mm)光学性质：透过波长范围μm---22μm折射率不均匀性（Δn/n）吸收系数（1/cm）×10-3@1300nm×10-4@2700nm×10-4@3800nm×10-4@5250nm×10-4@10600nm热光系数dn/dT(1/k,298—×10-5@1150nm折射率n随波长的变化（20℃）理化性质：激光损伤阈值：（10600nm脉冲激光，脉冲宽度=15μs）2，进口CVD硫化锌（ZnS）红外光学材料CVD硫化锌是一种化学惰性材料，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（ZnS）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（ZNSE）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。
透过率曲线：CVD ZINC SULFIDE Transmission(CVD硫化锌)Wavelength in Micrometer (t =6mm)CLEARTRAN Transmission（多光谱CVD硫化锌）Wavelength in Micrometers (t=理化性质：CVD硫化锌多光谱CVD硫化锌密度 (g . cm-3 @ 298k)电阻率 (Ω. Cm)~1012~熔点 (℃)1827化学纯度 (%)热膨胀系数(1/k)* 10-6@273k* 10-6@273k* 10-6@373k* 10-6@373k光学性质：折射率随波长的变化（CVD硫化锌（ZNS）（20摄氏度）多光谱CVD硫化锌(CLEARTRAN ZnS)(20摄氏度)3,进口氟化钙(CaF2)和氟化镁(MgF2)晶体氟化钙(CaF2)和氟化镁(MgF2)晶体，硬度高，抗机械冲击和热冲击能力强，在紫外，可见和红外波段具有良好的透过率，广泛用于激光，红外光学，紫外光学和高能探测器等科技领域，特别是它们在紫外波段的光学性能很好，是目前已知的紫外截止波段的光学晶体，透过率高，荧光辐射很小，是紫外光电探测器，紫外激光器和紫外光学系统的理想材料。
第二章红外光学材料的光学性质
第二章红外光学材料的光学性质§2.1 引言§2.2反射§2.3透过率和吸收系数以及和温度的关系§2.4折射指数、色散和折射指数的温度关系§2.5散射§2.6 发射率§2.7红外材料的微波透射性质§2.1引言红外光学材料首先要注意的是它的光学性质，然后确定该种材料所适用的光学波段，其后才能考虑它的力学、热学性质。
在相同使用波段情况下，在各个材料之间进行选择，光学性质是红外光学材料最重要的基本性质。
红外光学材料的光学性质是一个广泛的说法，它实际上包含的内容很多。
有光的反射、理论透过率、吸收系数以及和温度的关系、透过率与温度的关系、折射指数以及折射指数的色散关系和温度关系、发射率和红外光学材料的微波介电性质等等。
在本章中试图对上述这些性质作尽可能详细的讨论。
对于每一种材料，希望能给出具体的实验数据。
§2.2反射损伤在第一章的（1-5-18）式中表示了垂直入射光通过两种不同介质（其折射指数分别为n 1和n 2）界面时所产生的反射和透射。
()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=22121221214n n n n T n n n n R （2-2-1） 在求得上式的过程中是假定介质电导率0=σ。
因而光在介质中传播时没有损耗。
在电导率0≠σ的情况下，在界面的反射系数可表示为：()()222211kn k n R +++-= （2-2-2） 这里k 是消光系数（参见第一章§4），πλβ4=k ，β为吸收系数,对于红外光学材料β值通常在10-1～10-4,因之，消光系数k 的数值在4×10-6～4×10-9之间。
和(n-1)2， (n+1)2相比是一个非常小的量。
因而，在反射率的计算中完全可以忽略。
于是，单面反射率通常可以表示为：()()2211n n R +-= （2-2-3）这里R 是垂直入射时的反射率。
红外光学材料的光学性质
第二章红外光学材料的光学性质§2.1 引言§2.2反射§2.3透过率和吸收系数以及和温度的关系§2.4折射指数、色散和折射指数的温度关系§2.5散射§2.6 发射率§2.7红外材料的微波透射性质§2.1引言红外光学材料首先要注意的是它的光学性质，然后确定该种材料所适用的光学波段，其后才能考虑它的力学、热学性质。
在相同使用波段情况下，在各个材料之间进行选择，光学性质是红外光学材料最重要的基本性质。
红外光学材料的光学性质是一个广泛的说法，它实际上包含的内容很多。
有光的反射、理论透过率、吸收系数以及和温度的关系、透过率与温度的关系、折射指数以及折射指数的色散关系和温度关系、发射率和红外光学材料的微波介电性质等等。
在本章中试图对上述这些性质作尽可能详细的讨论。
对于每一种材料，希望能给出具体的实验数据。
§2.2反射损伤在第一章的（1-5-18）式中表示了垂直入射光通过两种不同介质（其折射指数分别为n 1和n 2）界面时所产生的反射和透射。
()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=22121221214n n n n T n n n n R （2-2-1） 在求得上式的过程中是假定介质电导率0=σ。
因而光在介质中传播时没有损耗。
在电导率0≠σ的情况下，在界面的反射系数可表示为：()()222211kn k n R +++-= （2-2-2） 这里k 是消光系数（参见第一章§4），πλβ4=k ，β为吸收系数,对于红外光学材料β值通常在10-1～10-4,因之，消光系数k 的数值在4×10-6～4×10-9之间。
和(n-1)2， (n+1)2相比是一个非常小的量。
因而，在反射率的计算中完全可以忽略。
于是，单面反射率通常可以表示为：()()2211n n R +-= （2-2-3）这里R 是垂直入射时的反射率。
材料科学中的红外光学材料研究
材料科学中的红外光学材料研究红外光学材料在当代材料科学中，具有非常重要的地位。
红外光学材料广泛应用于热成像、生物医学成像、传感器、激光领域、医疗设备等很多领域。
其研究对于推动现代科学技术的发展，具有非常重要的作用。
下面本文将从红外光学材料的定义、特性、应用以及材料研究的进展几个方面来分析红外光学材料的研究现状。
一、红外光学材料的定义与特性红外光学材料，是指在红外波段中具有一定透过率、透明度的材料，可以传输红外辐射的材料。
红外光学材料可以分为晶体、陶瓷、非晶体三大类。
其中晶体材料主要包括二氧化硅、氟化镁、氟化铝等，这些材料具有不同的晶体结构，各自具有不同的物理性质。
陶瓷材料是通过烧结指定的单一材料，制成的一种新型材料，常见的有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。
相对于晶体材料而言，陶瓷材料具有更好的化学稳定性和抗辐射性。
非晶体可分为各种改性玻璃、聚合物等。
红外光学材料的特性是其在红外波段内有较高的透过率、较低的吸收率，并具备一定的热传导性能。
此外，红外光学材料的物理性质也随着其结构的变化而变化。
二、红外光学材料的应用1、红外热成像红外热成像是红外光学材料最常见的应用之一。
它是利用材料对红外辐射的透过性能，测定出目标物体红外辐射的强度分布，从而对其进行热成像。
红外热成像技术在军事、医学、建筑、环保等方面都有非常广泛的应用。
2、生物医学成像红外光学材料中的红外荧光材料，可以用于生物标记，实现微观细胞成像。
这项技术可以用于生物医学中的组织结构重建、癌细胞检测等领域，是生命科学成像领域中非常有前景的一项技术。
3、传感器红外光学材料在传感器领域中也有着很重要的应用。
通过对红外光学材料中的光学特性的研究，可以实现对光学信号的建模和分析，从而用于制造传感器。
红外传感器在环境监测、生命科学、材料科学等领域中都有较大的应用空间。
4、激光领域红外光学材料中的激光材料和非线性光学材料，在激光领域中具有广泛的应用。
例如，用于激光医疗中的Er:YAG激光晶体、用于高能激光器件中的YAG晶体等。
红外光学材料
红外光学材料红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。
表2-1列出了几种比较常用的红外光学材料及其重要特性。
2.2.1红外光学材料的特点红外光学系统中所使用的材料一般具有以下特点[i ,ii ,iii ]：（1）红外材料不仅种类有限，而且价格昂贵（一般在几千到几万元一公斤）。
（2）某些材料的折射率温度系数（dn/dt ）较大，导致焦距随温度的漂移较大。
如果工作温度范围较宽，则必须适当的选择红外光学材料或采取必要措施进行补偿。
（3）某些光学材料易碎，且化学稳定性差，使得加工以及安装困难，成品率不高。
（4）许多光学材料不透明，根据材料和波段的不同而表现出不同的颜色。
（5）红外光学材料受热时都会发生自辐射，导致杂散光形成。
表2-1 常用红外光学材料的特性材料 折射率（4μm）折射率（10μm）dn/dt/℃ 锗 4.0243 4.0032 0.000396 硅 3.4255 3.4179 0.00015 硫化锌（CVD ） 2.252 2.2005 0.0000433 硒化锌（CVD ） 2.4331 2.4065 0.00006 AMTIR I 2.5141 2.4976 0.000072 氟化镁 1.3526 + 0.00002 蓝宝石 1.6753 + 0.00001 三硫化砷 2.4112 2.3816 × 氟化钙 1.4097 + 0.000011 氟化钡1.458 * -0.000016 601228Se As Ge +2.6038 0.000091 651520Se As Ge2.60582.58580.000058“+”不透过；“×”得不到；“*”透射，但折射率剧烈下降图2.1 红外材料的光谱透过率图2.1为较常用红外材料包括表面损失的透过率。
实际应用过程中涂镀高效抗反射膜可以达到相当高的透过率（95%-98%），图中未包含硫系玻璃（601228Se As Ge 、651520Se As Ge ）的透过率曲线。
红外光学材料大全
红外光学材料1,进口CVD硒化锌（ZnSe）红外光学材料CVD硒化锌(ZnSe）是一种化学惰性材料,具有纯度高，环境适应能力强,易于加工等特点。
它的光传输损耗小，具有很好的透光性能。
是高功率CO2激光光学元件的首选材料.由于该红外材料的折射率均匀和一致性很好，因此也是前视红外（FLIR）热成像系统中保护窗口和光学元件的理想材料.同时,该材料还广泛用于医学和工业热辐射测量仪和红外光谱仪中的窗口和透镜.CVD ZINC SELENIDE TransmissionWavelength in Micrometers (t=8mm）光学性质：透过波长范围0。
5μm—-—22μm折射率不均匀性（Δn/n）<3×10—6@632.8nm吸收系数(1/cm） 5.0×10-3＠1300nm7。
0×10-4＠2700nm4。
0×10-4＠3800nm4。
0×10-4@5250nm5.0×10—4＠10600nm热光系数dn/dT（1/k,298—358k） 1.07×10-4＠632。
8nm折射率n随波长的变化（20℃）理化性质:激光损伤阈值：（10600nm脉冲激光，脉冲宽度=15μs）2,进口CVD硫化锌（ZnS）红外光学材料CVD硫化锌是一种化学惰性材料，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（ZnS）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（ZNSE)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。
透过率曲线：CVD ZINC SULFIDE Transmission（CVD硫化锌)Wavelength in Micrometer (t =6mm）CLEARTRAN Transmission（多光谱CVD硫化锌)Wavelength in Micrometers （t=9。
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红外光学材料
红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。
表2-1列出了几种比较常用的红外光学材料及其重要特性。
2.2.1红外光学材料的特点
红外光学系统中所使用的材料一般具有以下特点[i,ii,iii]：
（1）红外材料不仅种类有限，而且价格昂贵（一般在几千到几万元一公斤）。
（2）某些材料的折射率温度系数（dn/dt ）较大，导致焦距随温度的漂移较大。
如果工作温度范围较宽，则必须适当的选择红外光学材料或采取必要措施进行补偿。
（3）某些光学材料易碎，且化学稳定性差，使得加工以及安装困难，成品率不高。
（4）许多光学材料不透明，根据材料和波段的不同而表现出不同的颜色。
（5）红外光学材料受热时都会发生自辐射，导致杂散光形成。
表2-1 常用红外光学材料的特性
材料 折射率（4μm ）
折射率（10μm ）
dn/dt/℃ 锗 4.0243 4.0032 0.000396 硅
3.4255 3.4179 0.00015 硫化锌（CVD ） 2.252 2.2005 0.0000433 硒化锌（CVD ）
2.4331 2.4065 0.00006 AMTIR I 2.5141 2.4976 0.000072 氟化镁 1.3526 + 0.00002 蓝宝石 1.6753 + 0.00001 三硫化砷 2.4112 2.3816 × 氟化钙 1.4097 + 0.000011 氟化钡
1.458 * -0.000016 601228Se As Ge +
2.6038 0.000091 651520Se As Ge
2.6058
2.5858
0.000058
“+”不透过；“×”得不到；“*”透射，但折射率剧烈下降
图2.1 红外材料的光谱透过率
图2.1为较常用红外材料包括表面损失的透过率。
实际应用过程中涂镀高效抗反射膜可以达到相当高的透过率（95%-98%），图中未包含硫系玻璃（601228Se As Ge 、651520Se As Ge ）的透过率曲线。
厚度为1mm 的硫系玻璃在8-11μm 之间平均透过率大于65%，波动小于3%，损耗小于2.4%/cm 。
图2.2 常用红外材料的玻璃图
常用折射红外材料的玻璃图如图2.2所示，纵坐标表示折射率，横坐标表示阿贝常数 。
2.2.2常用红外光学材料
锗是一种最常用的红外材料，既可用于长波红外波段又可用于中波红外波
段。
在LWIR波段，它类似于可见光波段中消色差透镜中的冕牌或正元件；在
MWIR波段，它类似于可见光波段中消色差透镜中的火石或负元件，双色红外波
段作用不同的主要原因在于它在两个波段中的色散特性差异。
锗材料的折射率和
dn/）是它的两个重要参数。
首先，锗的折射率比4稍大，折射率温度系数（dt
dn/值是0.000396/℃，其值偏大，在有利于降低像差，对设计相当有利。
锗的dt
温度变化过程中可能产生大的焦移，系统必须采用某种形式的无热化，也就是所谓的消热差设计。
可以说这种材料优缺点并存。
由于多晶锗存在较大的折射率不均匀问题，大部分光学设计者则选用单晶锗材料。
锗可以采用金刚石车削的方法进行加工，但由于其脆性很强，容易变成碎屑，在光学加工、镀膜和装调的过程中需要小心对待。
由于锗元件的使用范围非常广泛，与它的优点相比这些缺点都变成了可以解决的问题。
硅是一种与锗相似的晶体材料，国内硅材料在9μm波段吸收强烈，进口硅在12μm波段吸收强烈，主要适用于MWIR，而不能应用在LWIR谱段。
硅的折射率稍低于锗（3.4255），它对于像差控制仍有足够的优势，此外硅的色散也是相当低的。
硅的加工也可用金刚石车削的方法，但难度大，有损车刀，固其较常用的加工方法是抛光。
硫系玻璃与氧化物玻璃相比，具有较大的密度和较弱的键强，其禁带宽度较
小（一般为1-3eV），因此具有较宽的光谱透射范围（>12μm），其透过波段可覆
盖三个大气窗口。
其折射率温度系数小，硒基硫系玻璃的dn/dt平均值为50-90
×10-6，可作为红外消热差材料；折射率较低（2.0-3.0），折射率色散特性在长
波与硒化锌相当，可作为红外消色散材料；可以采用精密模压技术制备红外光学
元件，加工成本低。
目前世界范围内的红外硫系玻璃制造商仅有三家，即美国
Amorphous Materials、德国Vitron Gmbh和法国Umicore公司。
国内硫系玻璃生产的主要单位有宁波舜宇红外技术有限公司、宁波大学红外材料及器件实验室、北京国晶辉公司等。
美国Amorphous公司现有AMTIR-1,2，3,4,5,6和C1七种牌号的硫系玻璃，德国Vitron公司现有IG2,3,4,5，6五种牌号的硫系玻璃，法国Umicore公司有GASIR○R1,2,3三种型号的硫系玻璃。
目前用于红外光学元件的硫系玻璃往往含砷成分，但随着世界各国环保意识增强和产品标准提高，无砷环保玻璃将是今后发展的趋势。
硒化锌和硫化锌也属于常用红外光学材料的范畴，它们可以通过化学气相沉
积（CVD）或热压[iv]方法得到。
硒化锌比硫化锌昂贵，主要适用于对吸收系数要
求不高的光学系统。
氟化钙可以用来制作红外光学棱镜、透镜以及大口径透镜、窗口等光学元件。
它可以消除二级光谱，对谱段复消色有利，但其价格和加工费用稍贵。
2002年，
国外能做的氟化钙的最大口径是170mm，现在可以做的更大，但价格偏贵。
国
内某公司提供的氟化钙玻璃的物理特性参数如表2-2所示。
表2-2 氟化钙玻璃的特性参数
化学式 CaF 2
晶类 Cubic, cleaves [111] plane
晶格常数 (Å) 5.46 密度 (g/cm 3)293K
3.18 分子量 78.08 介电常数 (105 Hz)
6.76 熔点 (K)
1630 导热系数 (W/m .K)273 K 10 热膨胀系数 (1/K)300 K 18.9×10 -6 比热 (cal/g . K )273 K 0.204 德拜温度（K ） 510 杨氏模量（GPa ） 75.79 挠折模量（GPa ） 0.0365 剪切模量（GPa ） 33.76 体积模量（GPa ）
83.03 泊松比 0.28
努氏硬度( Kg/mm 2)
178 [100], 160 [110]
氟化镁和蓝宝石仅用于MWIR 谱段。
由于氟化镁的折射率低，因而它通常不要求镀抗反射膜层。
价格相当昂贵的蓝宝石非常坚硬，它在高温下的热辐射非常低，这是它的主要特点。
反射率与介质折射率之间的关系如下：
2
2
(1)(1)n R n -=
+
(2.1)
红外材料通常有很高的折射率，所以一般反射率都很高，这就要求表面涂镀增透膜，否则系统的透过率将会很低。
对于红外材料的加工方法来说，由于一些晶体红外材料具有吸湿性，这就增大了光学车间加工的难度。
有些材料通常需要镀膜来防止水气的破坏，例如可以用干氮来清除外壳的水分。
[i] Warren J.Smith.Practical optical system layout. New York:McGraw-Hill companies,Inc,2004.2
[ii] Robert R.Shannon. The art and science of optical design. New York:Cambridge university press,1997.533～553
[iii] Rudolf Kingslak. Lens design fundamentals. California: ACADEMIC PRESS, 1978
[iv]余怀之.红外光学材料. 北京：国防工业出版社，2007。