适用于红外 (IR) 应用的正确材料

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.

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，请考虑硅, 它能透射 IR，但不能透射可见光（图 2）.

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，n_d 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）.

(1)$$ v_d = \frac{n_d - 1}{n_f - n_c} $$

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.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.
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，则使用锗材料比使用蓝宝石更理想，后者更加适用于 NIR 区域.
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.

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, 锗材料, 氟化镁, N-BK7, 溴化钾, 蓝宝石, 硅, 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 (n_d)	色散系数 (v_d)	密度 (g/cm³)	CTE (x 10^-6/°C)	dn/dT (x 10^-6/°C)	努氏硬度
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	160	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
氟化钙 (CaF₂)	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
熔融石英 (FS)	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
锗 (Ge)	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
氟化镁 (MgF₂)	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
N-BK7	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
溴化钾 (KBr)	用于 FTIR 光谱学
蓝宝石	非常耐用，在 IR 中具有良好的透射率
蓝宝石	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
硅 (Si)	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
氯化钠 (NaCl)	用于 FTIR 光谱学
硒化锌 (ZnSe)	低吸收; 抗热冲击
硒化锌 (ZnSe)	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
硫化锌 (ZnS)	用于热成像