红外光学材料介绍：常用材料、透射波段与选型方法

红外光学材料是能够在特定红外波段内传输、反射或调控红外辐射，并可用于制造窗口片、透镜、棱镜、滤光片基底和激光光学元件的材料。

选择红外光学材料不能只看标称透射范围，还要综合考虑实际透射曲线、折射率、吸收、色散、温度特性、机械强度、环境耐受性、加工能力和镀膜要求。

什么是红外光学材料

红外辐射通常指波长大于可见红光、延伸至约1 mm的电磁辐射，但近红外、中红外和远红外的具体边界在辐射安全、遥感、热成像和光谱行业中并不完全相同。

为便于工程选材，本文主要采用红外成像和探测系统中的常见应用波段：

• 近红外及短波红外：约0.78—3 μm；

• 中波红外：常重点关注3—5 μm大气窗口；

• 长波红外：常重点关注8—12 μm或8—14 μm热成像波段。

这是一种应用导向的划分，不代表唯一的国际波段定义。

普通可见光玻璃通常主要针对约400—700 nm设计。多数常规光学玻璃进入2—3 μm后，透射性能会受到羟基、水分、晶格振动和材料本征吸收的影响。红外级熔融石英、氟化物晶体、半导体晶体和硫系玻璃则可将有效工作范围扩展到特定近红外、中波或长波红外区域。

选择红外光学材料要看哪些指标

工作波长和实际透射曲线

“材料可以透过到某个波长”不等于在整个标称区间内都具有高透过率。选材时应查看与实际厚度、材料等级和温度相对应的光谱曲线，并确认工作波段内是否存在杂质吸收峰、声子吸收带或自由载流子吸收。

内部透过率和外部透过率

内部透过率主要反映光在材料内部传播时的吸收损耗，一般不包含表面反射。成品元件的外部透过率还会受到两个表面的菲涅耳反射、表面粗糙度、污染、镀膜和入射角影响。

例如，锗在约11 μm处的折射率接近4，未镀膜元件的双面反射损耗可超过50%；硅在约5 μm处的折射率约为3.42，双面反射损耗也十分明显。

折射率、色散和温度系数

较高的折射率有利于获得更强的光焦度，有时可以减少镜片数量，但也会增加表面反射。色散决定不同波长的焦点偏差，而折射率温度系数dn/dT会影响系统在不同温度下的焦距和像质。

锗的dn/dT明显高于许多普通可见光玻璃，因此用于温度变化较大的红外成像系统时，通常需要进行光机热分析和无热化设计。

机械和环境性能

硬度高并不意味着抗热冲击能力一定强。窗口材料还需要评估：

• 抗弯强度和断裂韧性；

• 热膨胀与热导率；

• 温度快速变化时的热应力；

• 耐潮湿、酸碱和盐雾能力；

• 雨蚀、沙尘和颗粒冲击；

• 加工、装夹和密封产生的应力。

用于户外或高速气流环境的窗口，可能还需要保护膜、耐磨膜或类金刚石膜。具体膜系应根据基材、波段和环境规范设计。

常见红外光学材料有哪些

熔融石英和红外级石英

熔融石英是以二氧化硅为主要成分的非晶材料，具有较低的热膨胀系数、较好的热稳定性和较成熟的加工工艺。

普通紫外级熔融石英更适合紫外、可见光和部分近红外应用。红外级熔融石英通过降低羟基含量，可减弱约1.4 μm、2.2 μm和2.7 μm附近的部分吸收，并改善近红外及约2 μm附近的透射表现。

它常用于近红外窗口、光谱元件、激光元件和滤光片基底，但通常不是8—12 μm热成像系统的透射材料。

蓝宝石

光学蓝宝石是单晶氧化铝Al₂O₃，典型透射范围可从紫外延伸至约5 μm左右。它具有较高硬度、较好的耐磨性、机械强度和环境稳定性，适合制作保护窗口、传感器窗口及部分近红外和中波红外元件。

蓝宝石属于双折射晶体。对于偏振敏感系统，需要明确晶体取向。其长波端通常不能覆盖完整的8—12 μm热成像波段，因此不能仅凭机械性能优良就将其用于所有长波红外系统。

氟化钙

氟化钙CaF₂是一种低折射率氟化物晶体，具有从紫外到中红外的宽透射能力和较低色散。根据材料等级、厚度和判定标准，其典型透射范围可写为约0.2—7 μm，部分红外级资料可延伸到更长波长。

氟化钙可用于光谱窗口、气体探测窗口、低温红外系统、透镜和宽带镀膜基底。其主要限制是材料相对较软、容易划伤，并对热冲击和装夹应力较敏感。

氟化镁

氟化镁MgF₂具有较低折射率，典型透射范围约为0.12—7 μm，常用于紫外、可见、近红外和部分中红外窗口。其硬度和耐环境性能通常优于氟化钙，但同样具有晶体取向和双折射问题。

由于折射率较低，未镀膜表面反射相对较小，但在高透过率、低杂散光或特定角度系统中，仍应评估增透膜的必要性。

硅

光学硅Si属于高折射率半导体材料。公开材料数据可给出约1.2—15 μm的标称透射区间，但实际工程应用通常集中在近红外、3—5 μm中波红外、部分激光系统以及红外滤光片基底。材料电阻率、掺杂水平和自由载流子吸收会影响长波端性能。

硅密度低于锗，热导率较高，机械性能较好，但折射率约为3.4，未镀膜表面反射明显。它不能被笼统描述为适合所有中远红外波段。

锗

锗Ge是中波和长波红外系统中常见的高折射率材料，可覆盖3—5 μm以及8—14 μm等重要红外成像波段。其折射率约为4，因此可用于透镜、窗口片、ATR棱镜和红外滤光片基底，但通常需要增透膜提高透过率。

锗的主要限制包括密度较高、表面反射大，以及折射率和吸收随温度变化较明显。高温环境下，锗的红外透射性能可能下降，系统设计应考虑工作温度和无热化要求。

硒化锌

硒化锌ZnSe通常采用化学气相沉积工艺制备，具有较宽的红外透射范围和较低的10.6 μm吸收，因此常用于CO₂激光透镜、窗口、输出耦合镜、分光元件和中长波红外系统。公开材料资料给出的典型透射范围可约为0.6—21 μm。

ZnSe不易吸湿，热冲击性能较好，但材料较软，表面容易划伤，不适合在没有保护措施的强磨蚀环境中直接使用。加工粉尘、破损元件和废料应按照材料供应商的安全数据表及当地安全规定处理。

硫化锌和多光谱级硫化锌

普通红外级硫化锌ZnS主要用于8—12 μm波段，具有较好的机械强度、耐雨蚀和耐颗粒磨损能力，可用于户外红外窗口、整流罩和热成像光学元件。

多光谱级ZnS通常在基础材料上经过热等静压处理，以减少孔隙和晶格缺陷。其散射更低，可将应用范围扩展到可见光、近红外和长波红外，适合可见光与红外共孔径系统。它不能与普通红外级ZnS的外观和透射性能混为一谈。

硫系玻璃

硫系玻璃主要由硫、硒、碲等硫族元素与锗、砷、锑等元素组成。不同牌号可覆盖短波、中波或长波红外区域，部分材料适用于3—5 μm和8—12 μm热成像波段。

硫系玻璃通常具有较高折射率，并可通过模压等方式制造复杂透镜。但不同配方的玻璃转变温度、热膨胀系数、dn/dT、硬度、耐候性和长波截止位置差异很大，选型时必须依据具体牌号，而不能只写“硫系玻璃”。

红外光学材料比较

表中数据为典型参考值。具体性能与材料牌号、厚度、温度、表面质量和镀膜有关，设计时应查阅正式材料数据表和实测光谱曲线。

不同应用如何选择红外材料

近红外传感和成像

约0.8—2.5 μm系统可考虑红外级熔融石英、蓝宝石、CaF₂、MgF₂以及部分硫系玻璃。最终选择还要结合探测器响应范围、羟基吸收、色差和镀膜带宽。

3—5 μm中波红外成像

硅、锗、ZnSe、CaF₂、蓝宝石和部分硫系玻璃均可能用于这一波段，但蓝宝石和CaF₂接近长波端时应核对实际厚度透射曲线。硅重量较低，锗折射率较高，ZnSe带宽较宽，硫系玻璃则有利于实现多材料消色差和无热化设计。

8—12 μm长波红外成像

锗、ZnSe、ZnS、多光谱ZnS和特定长波硫系玻璃更为常见。蓝宝石、熔融石英、CaF₂和MgF₂通常不能作为完整8—12 μm系统的通用基材。

红外测温和热释电传感

应先根据被测目标温度、探测器响应和所需光谱窗口确定中心波长，再选择能够覆盖该波段的硅、锗、硫系玻璃或其他红外基底，并结合带通或长波通膜系控制杂散辐射。

气体分析和红外光谱

气体具有特定吸收峰，材料必须避开自身吸收带。CaF₂、ZnSe、硅、锗和不同硫系玻璃可用于窗口、气室、ATR棱镜和滤光片基底，具体选择由检测波长决定。

CO₂激光系统

10.6 μm CO₂激光系统常使用低吸收ZnSe制造透镜和窗口。是否适合高功率应用，还取决于材料吸收系数、夹杂物、表面质量、镀膜吸收、光斑尺寸和冷却条件，不能只凭材料名称判断。

户外和恶劣环境窗口

应优先评估雨蚀、沙尘、盐雾、机械冲击和温度循环。蓝宝石、ZnS和多光谱ZnS具有不同程度的机械与环境优势，但仍需结合厚度、结构支撑和保护膜综合设计。

红外材料选型的常见误区

误区一：透射范围越宽，材料越好。
实际系统只需要在目标工作波段获得足够透过率。更宽的标称范围可能伴随更高成本、更大色散或较差的机械性能。

误区二：内部透过率就是成品透过率。
内部透过率通常不包含表面反射。高折射率材料即使内部吸收较低，未镀膜成品的透过率仍可能较低。

误区三：红外材料不需要增透膜。
是否需要镀膜取决于折射率、透过率指标、工作带宽、入射角和鬼像控制要求。

误区四：硬度高就一定抗热冲击。
抗热冲击还与热膨胀系数、热导率、弹性模量、厚度和温度变化速率有关。

误区五：所有红外材料都能用于高功率激光。
高功率应用必须评估本体吸收、杂质、涂层吸收、激光损伤阈值和热透镜效应。

误区六：知道材料名称就能确定性能。
硅的电阻率、ZnS的处理工艺、硫系玻璃的具体配方以及熔融石英的羟基含量都会影响最终表现。

误区七：不同供应商的数据应完全相同。
原料、制备工艺、材料等级、样品厚度和测试方法不同，公开数据出现合理差异并不罕见。

向厂家提交红外光学元件需求时需要提供什么

为了更准确地评估红外窗口、透镜或滤光片，应尽量提供：

• 工作波段、中心波长或截止波长；

• 透射率、反射率、截止深度或光密度要求；

• 窗口片、透镜、棱镜或滤光片等元件类型；

• 外形尺寸、厚度和有效口径；

• 入射角、偏振状态和光束发散角；

• 工作温度及温度变化范围；

• 湿度、雨蚀、沙尘、盐雾或真空等环境条件；

• 面形、平行度、楔角和表面质量要求；

• 增透膜、带通膜、长波通膜或保护膜要求；

• 激光波长、连续或脉冲模式、功率、能量密度和光斑尺寸；

• 试样数量、批量需求和具体应用。

常见问题

红外光学材料与普通光学玻璃有什么区别？

红外光学材料需要在目标红外波段保持足够低的吸收。普通光学玻璃通常主要为可见光设计，进入中红外后可能受到羟基和晶格振动吸收限制。

锗和硅哪一种更适合红外成像？

没有统一答案。硅较轻，常用于3—5 μm及部分近红外系统；锗可覆盖3—5 μm和8—14 μm，但折射率、密度和温度敏感性更高。应根据探测器、波段、重量和工作温度选择。

为什么红外透镜通常需要增透膜？

硅、锗、ZnSe和ZnS等材料折射率较高，未镀膜时表面反射损耗明显。增透膜可针对特定波段和入射角降低反射，但膜层带宽、环境可靠性和激光损伤要求需要单独设计。

ZnSe为什么常用于CO₂激光系统？

ZnSe在10.6 μm附近可实现较低本体吸收，并具有适合制造透镜和窗口的红外透射能力。但材料较软，仍需控制表面质量、镀膜吸收和使用环境。

蓝宝石能用于长波红外热成像吗？

蓝宝石可用于近红外和部分中波红外，但其长波截止位置通常约在5 μm附近，不能覆盖典型8—12 μm长波热成像波段。

为什么不同资料中的透射范围不完全相同？

因为材料牌号、纯度、晶体取向、掺杂、厚度、测试温度和透过率阈值不同。材料“有透射”与“适合工程使用”也是两个不同概念。

选择红外窗口材料应重点看哪些参数？

除工作波段外，还应评估实际外部透过率、反射、温度范围、机械强度、热冲击、环境耐受性、厚度、装夹方式和镀膜可靠性。

红外滤光片的基底会影响光谱性能吗？

会。基底的本征吸收、折射率、温度系数、厚度和表面状态都会影响滤光片的峰值透过率、截止区域、温度漂移和入射角表现。

红外光学材料定制与选型沟通

深圳市激埃特光电有限公司可根据客户提供的工作波段、材料类型、尺寸、表面质量、面形和镀膜要求，沟通红外窗口片、透镜、滤光片及相关光学元件的加工需求。

对于新项目，建议先明确探测器响应、目标波段、工作温度、入射角和使用环境，再确定基材及膜系，避免仅根据材料的标称透射范围进行选择。Giaitech官方网站公开的产品范围包括红外滤光片、窗口保护片、透镜、棱镜、分光镜及光学镀膜等相关光学元件。

参考资料

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