光学材料中红外光学材料的研究与认识

孟春坡

摘 要：随着“中国制造2025”战略的推进和物联网应用的发展，传感技术得到了亘古未有的重视，更迎来了千载难逢的发展机遇。红外成像及红外引导技术的发展，对红外材料提出了更高的要求，红外材料制备正向高性能、大尺寸、良好经济性方面发展。本文针对光学材料中红外光学材料进行了深入的分析和研究，以期能够充分利用红外光学材料造福人民。

关键词：红外材料;单晶;光学材料

引言：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。

一、红外线与红外材料

（一）红外线

红外线同可见光一样都是电磁波，它的波长范围很宽，从0.7μm到1000μm。根据波长的不同，通常分为近红外0.70μm-1.5μm，中红外1.5μm-10μm，远红外10μm-1mm三个波段。红外线具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律，在一定条件下产生干涉和衍射现象。每种处于零K以上的物体均发射特征电磁波辐射，主要位于电磁波谱的红外区域，这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义[1]。

（二）红外材料

红外材料是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透光率、折射率及色散的材料。红外材料主要包括碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。可以用作红外材料的有下列物质。

单质晶体：单质锗、硅;

碱卤化合物晶体：如LiF、NaF、KCl、KBr等;

碱土-卤族化合物晶体：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等;

氧化物晶体：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物;

无机盐化合物晶体：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。

二、红外光学中的常用材料

虽然有大量的材料适用于可见光，但是只有几种材料适用于中红外波（3.0-5.0μm）和远外波段（7.5-14.0μm）。

（一）单晶锗

单晶锗是最常用的红外材料之一，可适用于中红外波段和长红外波段。单晶锗有较高的折射率系数，以及对温度的变化系数小。使得单晶锗具有较强的稳定性。但是单晶锗的价格比较高，这是限制单晶锗更广泛应用的一个重要因素。

有关锗材料红外吸收的机理在六十年代已有较多研究，后续研究表明不同晶向对红外的透射略有差別，在低温下（77bK），锗原子能级的分裂，可导致315Lm有强烈吸收峰142，不同晶面色散性及热膨胀参数的研究则很少见到报道。为适应高分辨率及遥感技术的要求，红外锗晶体正向大型化发展，七十年代制备单晶尺寸已达到5250mm152，目前最大制备锗单晶尺寸为5350mm。

（二）单晶硅

单晶硅也是比较常见的红外材料，它主要工作在3.0-5.0μm之间，即中红外波段，而在远红外波段则会得到较为强烈的吸收。它的反射系数也很高，但它的缺点是对温度的变化较为敏感，容易受外界环境的影响。

硅也是一种金刚石结构的半导体晶体材料，化学性质稳定，不溶于水。而且不溶于大多数酸类，但溶于氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物（CP-4）。硅的禁带宽度111ev，对应的吸收短波限为111Lm，由于原子半径（原子量）小于锗，在长波方向的自由载流子及声子吸收要小于锗，但硅在15Lm处有一吸收峰存在。故一般定义其透射波长范围为111～15Lm。硅的折射率也比较恒定，约为n=314，

（三）硫化锌

硫化锌可以工作在中红外波段和远红外波段，它通常由化学气相沉积（CVD）方法制得。多光谱CVD硫化锌（Cleartran）是可商业化应用的最纯净的硫化锌，它可以透过从可见光到远红外光，在红外窗口和透镜中得到广泛应用。

（四）硒化锌

硒化锌可以传输红外光和可见光。它与硫化锌在很多方面相似，但它比硫化锌的折射率高而且结构要轻。它的最大优点好是吸收系数比硫化锌小得多，但是它的价格比较昂贵。

硒化锌热压多晶制备则比氟化镁需要更高的压力与温度，但硒化锌有0148～21Lm的透射波长范围，较高的折射率2144（5Lm处），较小的色散和较低的吸收系数等一系列特性，是一种十分优异的红外材料。除热压工艺外，国内外较多采用PVD、CVD法制备硒化锌材料。并广泛地用于透镜及窗口材料[2]。

（五）氟化镁

氟化镁也是一种晶体材料，它可以传输从紫外线到远红外波段的光线。氟化镁可由晶体生长得到。它的价格相对较低，但是它的热学性能不好。

氟化镁（MgF2）是目前用途较广的材料，具有很高的机械强度及抗热冲击性。可作为红外未制导点源探测）非制冷型硫化铅PbS，或制冷型多元锑化铟红外未制导系统的红外整流罩及窗口。但由于长波限为8Lm，不能用于长波范围。培育〉5100mm尺寸的MgF2单晶体仍是较困难的，且在经济上也是不划算的。因此，目前大多使用热压多晶MgF2材料。

三、红外材料的用途

红外光学材料主要应用于以下方面：

红外无损检测：自然界中的任何物体都是红外辐射源。辐射能量的主波长是温度的函数，并与表面状态有关。红外无损检测是利用红外辐射原理对材料表面进行检测。如果被测材料内部存在缺陷（裂纹、空洞、夹杂、脱粘等），将会导致材料的热传导性改变。进而反映在材料表面温度的差别，即材料的局部区域产生温度梯度，导致材料表面红外辐射能力发生差异，温度场随时间变化的信息中包含了样品缺陷的信息。利用显示器将其显示出来，便可推断材料内部的缺陷;辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微重力下热流过程研究;远红外线加热干燥：当远红外线辐射到一个物体上时，可发生吸收、反射和透过。但是，不是所有的分子都能吸收远红外线的，只有对那些显示出电的极性分子才能起作用。水，有机物质和高分子物质具有强烈的吸收远红外线的性能。当这些物质吸收远红外线辐射能量并使其分子，原子固有的振动和转动的频率与远红外线辐射的频率相一致时，极容易发生分子、原子的共振或转动，导致运动大大加剧，所转换成的热能使内部升高温度，从而使得物质迅速得到软化或干燥。

对能量辐射物的搜索和跟踪：如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等;制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜等：用于红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜棱镜、滤光片等，可用于军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等[3]。

结束语：综上所述，在光学材料中红外光学材料都是非金属材料，其最大的特性就是脆性，其中单晶锗、单晶硅等等是最常用的红外材料，红外线不仅能应用在加热干燥方面同时也能用于生产显微镜、夜视镜等等用品，所以红外光学材料已经融入人们的日常生活，有效提升人们的生活质量。

参考文献：

[1]周正平，陈恒，纪辉，李夏青，廖军.折衍混合轻量化长波红外消热差光学系统设计[J].激光与光电子学进展，（）：1-10.

[2]王泽岩，王朋，刘媛媛，郑昭科，程合锋，黄柏标.基于晶体学原理的高效光催化材料的设计与制备[J].人工晶体学报，2021，（04）：685-707.

[3]赵子军.2020年度中国标准创新贡献奖项目奖报道：ISO19740：2018《光学和光子学光学材料和零部件红外光学材料均匀性测试方法》等3项标准：以先进国际标准引领技术高端发展[J].中国标准化，2020，（11）：14-16.