光學(xué)材料中紅外光學(xué)材料的研究與認(rèn)識

孟春坡

摘 要：隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，傳感技術(shù)得到了亙古未有的重視，更迎來了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇。紅外成像及紅外引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，對紅外材料提出了更高的要求，紅外材料制備正向高性能、大尺寸、良好經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)展。本文針對光學(xué)材料中紅外光學(xué)材料進(jìn)行了深入的分析和研究，以期能夠充分利用紅外光學(xué)材料造福人民。

關(guān)鍵詞：紅外材料;單晶;光學(xué)材料

引言：紅外材料技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，極大地推動了紅外成像與紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。紅外技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展，又促進(jìn)了紅外材料技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)步。對紅外材料的耐高溫、高強(qiáng)度、大尺寸、化學(xué)及物理穩(wěn)定性等提出了一系列更高要求。

一、紅外線與紅外材料

（一）紅外線

紅外線同可見光一樣都是電磁波，它的波長范圍很寬，從0.7μm到1000μm。根據(jù)波長的不同，通常分為近紅外0.70μm-1.5μm，中紅外1.5μm-10μm，遠(yuǎn)紅外10μm-1mm三個波段。紅外線具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律，在一定條件下產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象。每種處于零K以上的物體均發(fā)射特征電磁波輻射，主要位于電磁波譜的紅外區(qū)域，這個特征對于軍事觀察和測定肉眼看不見的物體具有特殊意義[1]。

（二）紅外材料

紅外材料是指能透過紅外線，并對不同波長紅外線具有不同透光率、折射率及色散的材料。紅外材料主要包括堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無機(jī)鹽晶體及半導(dǎo)體晶體。可以用作紅外材料的有下列物質(zhì)。

單質(zhì)晶體：單質(zhì)鍺、硅;

堿鹵化合物晶體：如LiF、NaF、KCl、KBr等;

堿土-鹵族化合物晶體：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等;

氧化物晶體：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物;

無機(jī)鹽化合物晶體：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。

二、紅外光學(xué)中的常用材料

雖然有大量的材料適用于可見光，但是只有幾種材料適用于中紅外波（3.0-5.0μm）和遠(yuǎn)外波段（7.5-14.0μm）。

（一）單晶鍺

單晶鍺是最常用的紅外材料之一，可適用于中紅外波段和長紅外波段。單晶鍺有較高的折射率系數(shù)，以及對溫度的變化系數(shù)小。使得單晶鍺具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。但是單晶鍺的價格比較高，這是限制單晶鍺更廣泛應(yīng)用的一個重要因素。

有關(guān)鍺材料紅外吸收的機(jī)理在六十年代已有較多研究，后續(xù)研究表明不同晶向?qū)t外的透射略有差別，在低溫下（77bK），鍺原子能級的分裂，可導(dǎo)致315Lm有強(qiáng)烈吸收峰142，不同晶面色散性及熱膨脹參數(shù)的研究則很少見到報道。為適應(yīng)高分辨率及遙感技術(shù)的要求，紅外鍺晶體正向大型化發(fā)展，七十年代制備單晶尺寸已達(dá)到5250mm152，目前最大制備鍺單晶尺寸為5350mm。

（二）單晶硅

單晶硅也是比較常見的紅外材料，它主要工作在3.0-5.0μm之間，即中紅外波段，而在遠(yuǎn)紅外波段則會得到較為強(qiáng)烈的吸收。它的反射系數(shù)也很高，但它的缺點(diǎn)是對溫度的變化較為敏感，容易受外界環(huán)境的影響。

硅也是一種金剛石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體晶體材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水。而且不溶于大多數(shù)酸類，但溶于氫氟酸、硝酸和醋酸的混合物（CP-4）。硅的禁帶寬度111ev，對應(yīng)的吸收短波限為111Lm，由于原子半徑（原子量）小于鍺，在長波方向的自由載流子及聲子吸收要小于鍺，但硅在15Lm處有一吸收峰存在。故一般定義其透射波長范圍為111～15Lm。硅的折射率也比較恒定，約為n=314，

（三）硫化鋅

硫化鋅可以工作在中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段，它通常由化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制得。多光譜CVD硫化鋅（Cleartran）是可商業(yè)化應(yīng)用的最純凈的硫化鋅，它可以透過從可見光到遠(yuǎn)紅外光，在紅外窗口和透鏡中得到廣泛應(yīng)用。

（四）硒化鋅

硒化鋅可以傳輸紅外光和可見光。它與硫化鋅在很多方面相似，但它比硫化鋅的折射率高而且結(jié)構(gòu)要輕。它的最大優(yōu)點(diǎn)好是吸收系數(shù)比硫化鋅小得多，但是它的價格比較昂貴。

硒化鋅熱壓多晶制備則比氟化鎂需要更高的壓力與溫度，但硒化鋅有0148～21Lm的透射波長范圍，較高的折射率2144（5Lm處），較小的色散和較低的吸收系數(shù)等一系列特性，是一種十分優(yōu)異的紅外材料。除熱壓工藝外，國內(nèi)外較多采用PVD、CVD法制備硒化鋅材料。并廣泛地用于透鏡及窗口材料[2]。

（五）氟化鎂

氟化鎂也是一種晶體材料，它可以傳輸從紫外線到遠(yuǎn)紅外波段的光線。氟化鎂可由晶體生長得到。它的價格相對較低，但是它的熱學(xué)性能不好。

氟化鎂（MgF2）是目前用途較廣的材料，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度及抗熱沖擊性。可作為紅外未制導(dǎo)點(diǎn)源探測）非制冷型硫化鉛PbS，或制冷型多元銻化銦紅外未制導(dǎo)系統(tǒng)的紅外整流罩及窗口。但由于長波限為8Lm，不能用于長波范圍。培育〉5100mm尺寸的MgF2單晶體仍是較困難的，且在經(jīng)濟(jì)上也是不劃算的。因此，目前大多使用熱壓多晶MgF2材料。

三、紅外材料的用途

紅外光學(xué)材料主要應(yīng)用于以下方面：

紅外無損檢測：自然界中的任何物體都是紅外輻射源。輻射能量的主波長是溫度的函數(shù)，并與表面狀態(tài)有關(guān)。紅外無損檢測是利用紅外輻射原理對材料表面進(jìn)行檢測。如果被測材料內(nèi)部存在缺陷（裂紋、空洞、夾雜、脫粘等），將會導(dǎo)致材料的熱傳導(dǎo)性改變。進(jìn)而反映在材料表面溫度的差別，即材料的局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致材料表面紅外輻射能力發(fā)生差異，溫度場隨時間變化的信息中包含了樣品缺陷的信息。利用顯示器將其顯示出來，便可推斷材料內(nèi)部的缺陷;輻射測量、光譜輻射測量：如非接觸溫度測量、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、地面勘察，探測焊接缺陷，微重力下熱流過程研究;遠(yuǎn)紅外線加熱干燥：當(dāng)遠(yuǎn)紅外線輻射到一個物體上時，可發(fā)生吸收、反射和透過。但是，不是所有的分子都能吸收遠(yuǎn)紅外線的，只有對那些顯示出電的極性分子才能起作用。水，有機(jī)物質(zhì)和高分子物質(zhì)具有強(qiáng)烈的吸收遠(yuǎn)紅外線的性能。當(dāng)這些物質(zhì)吸收遠(yuǎn)紅外線輻射能量并使其分子，原子固有的振動和轉(zhuǎn)動的頻率與遠(yuǎn)紅外線輻射的頻率相一致時，極容易發(fā)生分子、原子的共振或轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致運(yùn)動大大加劇，所轉(zhuǎn)換成的熱能使內(nèi)部升高溫度，從而使得物質(zhì)迅速得到軟化或干燥。

對能量輻射物的搜索和跟蹤：如宇航裝置導(dǎo)航，火箭、飛機(jī)預(yù)警，遙控引爆管等;制造紅外成像器件，夜視儀器、紅外顯微鏡等：用于紅外光學(xué)系統(tǒng)中的窗口、整流罩、透鏡棱鏡、濾光片等，可用于軍事上的偽裝識別，半導(dǎo)體元件和集成電路的質(zhì)量檢查等[3]。

結(jié)束語：綜上所述，在光學(xué)材料中紅外光學(xué)材料都是非金屬材料，其最大的特性就是脆性，其中單晶鍺、單晶硅等等是最常用的紅外材料，紅外線不僅能應(yīng)用在加熱干燥方面同時也能用于生產(chǎn)顯微鏡、夜視鏡等等用品，所以紅外光學(xué)材料已經(jīng)融入人們的日常生活，有效提升人們的生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]周正平，陳恒，紀(jì)輝，李夏青，廖軍.折衍混合輕量化長波紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，（）：1-10.

[2]王澤巖，王朋，劉媛媛，鄭昭科，程合鋒，黃柏標(biāo).基于晶體學(xué)原理的高效光催化材料的設(shè)計與制備[J].人工晶體學(xué)報，2021，（04）：685-707.

[3]趙子軍.2020年度中國標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎項(xiàng)目獎報道：ISO19740：2018《光學(xué)和光子學(xué)光學(xué)材料和零部件紅外光學(xué)材料均勻性測試方法》等3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：以先進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)技術(shù)高端發(fā)展[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2020，（11）：14-16.