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适用于红外 (IR) 应用的正确材料
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适用于红外 (IR) 应用的正确材料

红外简介 | 正确材料的重要性 | 选择正确材料 | 红外比较

红外 (IR) 简介

红外 (IR) 照射的特征是波长介于 0.750 -1000μm (750 - 1000000nm) 之间。由于对检测器范围的限制,IR照射通常分为以下三个较小的区域:0.750 - 3μm、3 - 30μm 和 30 - 1000μm 分别定义为近红外 (NIR)、中波红外 (MWIR) 与远红外 (FIR)(图 1). 红外产品 广泛用于从热成像中的 IR 信号检测到 IR 光谱学中的元素识别等多种应用。随着 IR 应用需求的发展和技术进步,制造商已开始使用 IR 材料设计平面光学元件(例如 (i.e. 窗口片, 反射镜, 偏振片, 分光镜, 棱镜), 球面透镜 (例如平凹/平凸透镜、双凹/双凸透镜、弯月透镜), 非球面透镜 (抛物面、双曲面、混合透镜), 消色差透镜, 以及 装配组件 (例如成像镜头、扩束器、目镜、物镜). 这些 IR 材料或基底的物理特性各不相同。因此,了解每种材料的优点可为任何 IR 应用选择正确的材料.

Electromagnetic Spectrum
图 1: 电磁波谱

使用正确材料的重要性

由于构成红外光的波长长于可见光,因此在通过相同的光学介质传播时,这两个区域的行为不同。有些材料可用于 IR 应用或可见光应用(最引人注目的是熔融石英, BK7 和 蓝宝石; 但是,使用更适合所执行任务的材料可以优化光学系统的性能。如需了解这一概念,请考虑透射率、折射率、色散与梯度折射率。如需了解更多有关规格与性质的详细信息,请查看光学玻璃.

透射率

定义任何材料时,最重要的属性就是透射率。透射率是光通量的衡量指标,由入射光的百分比指定。IR 材料在可见光区域通常是不透明的,而可见光材料在 IR 通常也是不透明的;换言之,这些材料在这些波长区域展示出的透射率接近 0%。举例而言,请考虑 , 它能透射 IR,但不能透射可见光(图 2).

Uncoated Silicon Transmission Curve
图 2: 无镀膜硅的透射率曲线

折射率

虽然主要根据透射率将材料归类为 IR 材料或可见光材料,但是折射率 (nd) 也是重要属性。折射率是指光在真空中的速度与光在指定介质中的速度之比。使用折射率可以量化光线从低折射率介质进入高折射率介质时“减缓速度”的效果。它也可以指出以倾斜方向射向表面时折射的光线量,nd 越高,折射的光线越多(图 3).

Light Refraction from a Low Index to a High Index Medium
图 3:从低折射率介质到高折射率介质的光线折射

可见光材料的折射率大约介于 1.45 - 2 之间,IR 材料的折射率大约介于 1.38 - 4 之间。在许多情况下,折射率与密度存在正相关关系,这意味着 IR 材料较可见光材料更重;但是,更高的折射率也意味着可以使用更少的透镜元件(从而降低整体系统重量与成本)实现衍射极限性能.

色散

色散用于衡量材料的折射率随波长变化的幅度有多大。它还能确定对产生色像差的波长进行的分离。定量而言,色散与色散系数 (vd) 成反比,是材料在 f (486.1nm)、d (587.6nm) 和 c (656.3nm) 波长时折射率的函数(等式 1).

Equation 1 (1)

色散系数大于 55(色散较少)的材料视为冕材料,色散系数小于 50(较多色散)的材料视为火石材料。可见光材料的色散系数大约介于 20 - 80 之间,IR 材料的色散系数大约介于 20 - 1000 之间.

折射率梯度

介质的折射率会随着温度的变化而不同。系统在不稳定的环境中工作时,此折射率梯度 (dn/dT) 可能会产生问题,尤其是在系统针对单一 n 值进行设计的情况下,更是如此。遗憾的是,IR 材料的 dn/dT 值通常大于可见光材料, 红外比较表)内的“重要材料属性”表中对能用于可见光的 N-BK7 与只能透射 IR 的(锗材料进行了比较.

如何选择正确的材料

选择正确的 IR 材料时,有三个简单的要点需要考虑。虽然选择流程更简单,因为与可见光相比,对用于红外光的材料进行实际选择的范围会小得多,但是这些材料通常会基于制造和材料成本等原因而更为昂贵.

  1. 1.热性质 – 光学材料经常放置在温度发生变化的环境中。此外,人们普遍担心的一点是 IR 应用常常会产生大量的热。应该对材料的折射率梯度和热膨胀系数 (CTE) 进行评估,以确保提供所需的性能来满足用户。CTE 是材料在温度变化时发生膨胀或收缩的比率。例如,锗材料的折射率梯度非常高,如果在热不稳定的环境中使用,可能会导致光学性能降级.
  2. 透射率 – 不同的应用可在不同的 IR 光谱区域中进行作业。视所用的波长而定,某些 IR 基底的性能更好(图 4)。例如,如果系统将在 MWIR 区域进行作业,则使用 材料比使用蓝宝石更理想,后者更加适用于 NIR 区域.
  3. 折射率 – IR 材料在折射率方面的变化远大于可见光材料,因此在系统设计方面更有弹性,可进行更多变化。可见光材料(例如 N-BK7)适用于整个可见光光谱,但 IR 材料与此不同,通常仅适用于 IR 光谱内的窄小频带,尤其是在应用增透膜时,更是如此.
Infrared Substrate Comparison
图 4: 红外基底比较(适用于 N-BK7 的波长范围也适用于可见光波长所用的诸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等绝大部分基底)

红外比较

虽然存在很多 IR 材料,但是其中只有一小部分主要供光学元件、成像和光电行业用于制造现成可用型元件。氟化钙, 熔融石英, 材料, 氟化镁, N-BK7, 溴化钾, 蓝宝石, , 氯化钠, 硒化锌 和硫化锌都有自己独特的属性,这些属性不仅能使这些材料彼此区分,还能使其适用于特定应用。以下表格提供了一些常用基底的比较.

重要 IR 材料属性
名称折射率 (nd)色散
系数 (vd)
密度 
(g/cm3)
CTE
(x 10-6/°C)
dn/dT
(x 10-6/°C)
努氏硬
氟化钙 (CaF2) 1.434 95.1 3.18 18.85 -10.6 158.3
熔融石英 (FS) 1.458 67.7 2.2 0.55 11.9 500
锗 (Ge) 4.003 N/A 5.33 6.1 396 780
氟化镁 (MgF2) 1.413 106.2 3.18 13.7 1.7 415
N-BK7 1.517 64.2 2.46 7.1 2.4 610
溴化钾 (KBr) 1.527 33.6 2.75 43 -40.8 7
蓝宝石 1.768 72.2 3.97 5.3 13.1 2200
硅 (Si) 3.422 N/A 2.33 2.55 1.60 1150
氯化钠 (NaCl) 1.491 42.9 2.17 44 -40.8 18.2
硒化锌 (ZnSe) 2.403 N/A 5.27 7.1 61 120
硫化锌 (ZnS) 2.631 N/A 5.27 7.6 38.7 120

 

IR 材料比较
名称属性 / 典型应用
氟化钙 (CaF2) 低吸收; 高折射率均匀度
用于光谱学、半导体处理和冷却热成像
熔融石英 (FS) CTE 低,在 IR 中具有出众的透射率
用于干涉测量、激光仪器、光谱学
锗 (Ge) 高折射率;高努氏硬度;中波到长波红外波段有优秀的透射率
用于热成像、恶劣环境的IR成像
氟化镁 (MgF2) 宽泛的透射范围; 耐高能辐射
用于不需要增透膜的窗口片、透镜和偏振片
N-BK7 低成本材料,适用于可见光和 NIR 应用
用于机器视觉、显微镜、工业应用
溴化钾 (KBr) 抗机械震动; 水溶性;宽泛的透射范围
用于 FTIR 光谱学
蓝宝石 非常耐用,在 IR 中具有良好的透射率
用于 IR 激光系统、光谱学和恶劣环境设备
硅 (Si) 低成本; 质量轻
用于光谱学、MWIR 激光系统、THz 成像
氯化钠 (NaCl) 具有水溶性,成本低,在 250nm 至 16μm 的范围内具有出众的透射率,对热冲击很敏感
用于 FTIR 光谱学
硒化锌 (ZnSe) 低吸收; 抗热冲击
CO2 激光系统和热成像
硫化锌 (ZnS) 在可见光与 IR 范围具有出众的透射率,与 ZnSe 相比更坚硬并具有更强的化学抵抗力
用于热成像

本内容对您是否有用?

Substrate options include UV fused silica, calcium fluoride, magnesium fluoride, potassium bromide, sapphire, silicon, sodium chloride, zinc selenide, or zinc sulfide.

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