红外光学玻璃与红外晶体材料光学特性

一、红外光学玻璃与红外晶体材料光学特性： 1.晶体材料

晶体材料包括离子晶体与半导体晶体离子晶体包括碱卤化合物晶体, 碱土—卤族化合物晶体及氧化物及某些无机盐晶体。半导体晶体包括Ⅳ族单元素晶体、Ⅲ ～Ⅴ族化合物和Ⅱ ～ Ⅵ 族化合物晶体等。离子型晶体通常具有较高的透过率, 同时有较低的折射率, 因而反射损失小, 一般不需镀增透膜, 同时离子型晶体光学性能受温度影响也小于非离子型晶体。半导体晶体属于共价晶体或某种离子耦合的共价键晶体。晶体的特点是其物理和化学特性及使用特性的多样性。晶体的折射率及色散度变化范围比其它类型材料丰富得多。可以满足不同应用的需要, 有一些晶体还具备光电、磁光、声光等效应, 可以用作探测器材料。[1]

按内部晶体结构晶体材料可分为单晶体和多晶体 ①单晶体材料

表1.1 几种常用红外晶体材料[1] 名称 化学组成 透射长波限/

μm

金刚石 锗 硅 石英晶体 兰宝石 氟化锂 氟化镁 氟化钡 氟化钙 溴化铊 金红石 砷化镓 氯化钠 硒化锌 锑化铟 硫化锌 KRS-5 KRS-6

C Ge Si SiO2 Al2O3 LiF MgF2 BaF2 CaF2 TLBr TiO2 GaAs NaCl ZnSe InSb ZnS TLBr-TLI TLBr-TLCl

30 25 15 4.5 5.5 8.0 8.0 13.5 10.0 34 6.0 18 25 22 16 15 45 30

折射率/4.3μm 2.4 4.02 3.42 1.46 1.68 1.34 1.35 1.45 1.41 2.35 2.45 3.34(8μm) 1.52 2.4 3.99 2.25 2.38 2.19

8820 800 1150 740 1370 110 576 82 158 12 880 750 17 150 223 354 40 35

3.51 5.33 2.33 2.2 3.98 2.60 3.18 4.89 3.18 7.56 4.26 5.31 2.16 5.27 5.78 4.09 7.37 7.19

硬度/克氏

密度/(g·cm-3)

溶解度/(g·L-3)H2O 不溶 不溶 不溶 不溶 不溶 0.27 不溶 0.17 0.002 0.05 不溶 不溶 35 不溶 不溶 不溶 0.02 0.01

②多晶体材料

表1.2红外多晶材料[1] 材料 透射范围/μm

MgF2 ZnS MgO CaF2 ZnSe CdTe

0.45～9.5 0.57～15.0 0.39～10.0 0.2～12.0 0.48～22 2～30

折射率/5μm 1.34 2.25 1.7 1.37 2.4 2.7

硬度/克氏 576 354 640 200 150 40

熔点/℃ 1396 1020 2800 1403 5.27 1045

密度/(g·m-3) 3.18 4.088 3.58 3.18 不溶 5.85

在水中溶解度 不溶 不溶 不溶 微溶

不溶

常用的红外单晶材料包括Ge、Si、金红石、蓝宝石、石英晶体、ZnS、GaAs、MgF2、NaCl、TlBr、

KHS-6(TlBr-TlCl) 和KHS-5(TlBr-TlI) 等， 具有熔点高、热稳定性好、硬度高、折射率和色散化范围大等优点，但晶体尺寸受限、成本相对较高。常用的红外多晶包括MgO、ZnS、ZnSe 和CdTe、

MgF2多晶和CaF2等，具有成本低、可制备大尺寸及复杂形状的优点。适用于中红波段的玻璃光学元件主要包括铝酸盐玻璃、锗酸盐玻璃和锑酸盐玻璃等体系，光学均匀性好、易于制成不同尺寸与形状，但其红外波段透射范围较窄、抗热冲击和机械冲击性能较差。塑料在近红外和远红外具有良好的透过率， 但在中红外波段透过率较低； 已实现实用化的塑料包括丙烯酸脂和聚四氟乙烯， 前者在常温下用于红外发光二极管等的封装材料，后者用作2~7μm 波段保护膜和小型民用红外激光器窗口材料等。[1]

表1.3 常用红外光学材料的热学力学光学性质 材料 金刚石 硒化锌 硫化锌

折射系数 透过率/% 吸收系数/cm-1 禁带宽度/eV 熔点/℃ 弹性模量/GPa 显微硬度/（kg/mm2） 热传导率/﹝W/（cm·K）﹞ 热膨胀系数/（10-6/K） 透过波段/m

3.0～5.0，8.0～14.0

0.5～22

0.4～12

1.0

7.0

6.8

20～22

0.19

0.27

2.38 71 0.1～0.3 5.48 3770 1050 9000

2.40 71 0.005 2.7 1520 70.9 105

2.19 72 0.2 3.9 1830 74.5 250

单晶锗 4.00 47 0.02 0.664 937 103 850

硅 3.42 54 0.35 1.11 1417 130 1150

氟化镁 1.35 － － － 1261 115 640

0.59 1.63 0.16

6.0 2.6 11.0

1.8～25 1.1～5.8 0.45～9.5

2.红外光学玻璃

中波红外光学玻璃：

根据成分不同，中波红外光学玻璃主要包括氟化物玻璃、氧化物玻璃（主要铝酸钙玻璃、锗酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和碲酸盐玻璃等）以及氧氟化物玻璃。

表2.1常见中波红外光学玻璃材料特性[12]

长波红外光学玻璃：

根据成分不同，长波红外玻璃主要包括硫系玻璃、卤系玻璃和硫卤系玻璃等。

表2.2常用长波红外玻璃材料的基本性能[3] 基本性能 硫系玻璃 卤系玻璃

转变温度Ｔｇ（℃） 折射率，２～３．５ 本征损耗（ｄＢ／ｋｍ） 化学稳定性 透过波长（μｍ） 透过率（％）

１８０～５００ １．５～２．０ １０２～１０４ 稳定 ０．９～１８ ６０～７０

７５～３２０ １．８～３．０ １０－１～１０－３ 极易潮解 0．２５～２０ ８０～９０

硫卤玻璃 １１０～３６０，

１０－１～１０－３， 潮解 ０．２５～２０ ７０～８０

表2.3硫系玻璃材料的性能[3] 组成（摩尔分数，％） 特征温度（℃）

Ａｓ２Ｓ３

折射率ｎ

本征损耗（ｄＢ／ｋ

ｍ）

透过波长（μｍ）

Ｔｇ＝１８０ ２．３５

２×１０４（５．５μｍ）

０．１５～１２

Ｇｅ２５Ａｓ１５Ｓ６０ Ｔｆ＝４２０ ２．２２ － ０．６～１１

Ｇｅ－Ｓ Ｔｇ＝３７０ Ｔｇ＝１８４ Ｔｆ＝３９５

２．１１

３．６×１０２（２．４μｍ）

０．１５～１１

Ａｓ２Ｓｅ３ Ｇｅ３０Ａｓ１５Ｓｅ５

５

２．７２ ２．５６

１０（６．５μｍ） ０．８～１７．８

１０２（１．０５μｍ） ０．８～１６

Ｔｆ＝２６７～４１０

２．５６～２．７０

－

０．８～１５

Ｇｅ－Ａｓ－Ｓｅ

Ｇｅ－Ｓｂ－Ｓｅ Ｔｇ＝２００ ２．６２ － １～１５

Ｇｅ２５Ａｓ２５Ｔｅ５

０

Ｔｆ＝２０５ －

３．４０ － ２～１８

－

１．５（１０．６μｍ）

－

－

－

２～１９ ２～１８

Ｇｅ１８Ｓｅ１０Ｔｅ７

２

Ｇｅ１８Ｔｅ８２

表2.4卤系玻璃材料的性能[3] 组成（摩尔分数，％） Ｔｇ（℃） ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＬａＦ３ ＣｄＦ２－ＢａＦ２－ＺｎＦ２ ＺｎＣｌ２ １１５ １６７ ２８３ ３１１ 折射率 本征损耗（ｄＢ／ｋｍ） 透过波长（μｍ） １．５２８ １０－３（３～５μｍ） ０．２５～８ － － ２．５～９ １．６８～１．７１ － １０－３（３．７μｍ） ２～１４ － ２．５～１６ ＣｄＣｌ２－ＢａＣｌ２－ＫＣｌ ＣｄＣｌ２－ＣｄＦ２－ＢａＦ２ ＺｎＢｒ２ ＣｄＩ２－ＣｓＩ－ＫＩ １８２ １．５５３５ － ２．５～１５ １２２ １０～３５ １．５４５ － － － ０．３～２０ ０．２５～３０ 表2.5硫卤玻璃材料的性能[3]