MgF2光学材料有什么特点？紫外到红外应用怎么选

MgF2（氟化镁）光学材料是一种四方晶系的氟化物单晶，透过范围大约从 0.12 µm 的真空紫外延伸到 7 µm 左右的中红外。它的折射率低，可见光约 1.38；硬度和环境稳定性明显好于 CaF2；但它是单轴双折射晶体。选型可以先按波长判断：工作波长低于约 160 nm 时，MgF2 是少数能用的窗口和透镜材料之一；在 200–400 nm 的常规紫外，紫外级熔融石英通常更经济，也没有双折射问题；在 3–5 µm 中波红外，MgF2 可以做窗口和整流罩；进入 8–12 µm 长波红外就不再适用。实际项目中，晶轴方向、厚度和表面状态往往比“透过范围”那一行数据更能决定结果。

MgF2 光学材料有什么特点

MgF2 晶体属于金红石型结构，光轴即 c 轴。光沿不同方向传播时，寻常光和非寻常光的折射率略有差别。这一点决定了它和熔融石英、CaF2 这类各向同性材料在使用方式上的区别。下表是公开材料资料中的典型值，以及每项性质对选型的实际影响。

注：数据为公开材料资料中的典型值。不同晶体等级、生长方式和测试条件下会有差异，不能直接作为某个零件的验收指标。

概括起来，MgF2 的长处是“短波透得过、表面比较耐用、反射损失小”，短处是“有双折射、红外截止比 CaF2 早、单晶成本和尺寸受限”。选不选 MgF2，就是看项目更需要前者，还是更在意后者。

从紫外到红外，MgF2 在各波段的定位

真空紫外（约 120–200 nm）：MgF2 最有优势的波段

波长低于约 160 nm 后，熔融石英的吸收迅速增加，能用的透射材料只剩 LiF、CaF2、MgF2、BaF2 等少数氟化物晶体。LiF 的截止波长最短，但质地软，对潮湿环境敏感。CaF2 的透过同样很好，但偏软，也比较怕热冲击。MgF2 的短波透过可以到 121.6 nm 的氢 Lyman-α 线附近，机械和化学稳定性又较好，因此常用于真空紫外探测器窗口、真空紫外光源窗口、光谱仪器以及准分子激光相关的窗口。部分氘灯也采用 MgF2 窗口，把输出延伸到更短的真空紫外。

这个波段需要注意两点。一是靠近截止端时透过率对厚度很敏感，规格应写成“某波长、某厚度下透过率不低于多少”，而不是只写“透过 120 nm”。二是真空紫外对表面污染非常敏感，吸附的碳氢化合物或水汽都会造成明显的透过损失，装配、存放和使用环境（真空或氮气吹扫）要一起考虑。

深紫外与近紫外（约 200–400 nm）：先和熔融石英比

在这个范围内，MgF2 透得很好，但紫外级熔融石英从约 180 nm 起透过也比较好，而且各向同性、尺寸大、成本低。只做 200 nm 以上的窗口或透镜时，熔融石英通常是更合理的首选，可参考熔融石英为什么适合紫外光学。MgF2 在这一段更适合以下情况：系统同时覆盖 200 nm 以下；希望不镀膜也保持较低的反射损失；或者本来就要利用双折射，做紫外波片、偏振元件。

可见与近红外（约 0.4–2.5 µm）：通常不是首选

MgF2 在可见和近红外透过良好，但普通窗口、透镜用 BK7、熔融石英更便宜，也没有双折射。MgF2 在这一段的典型用途是波片和偏振器件（例如与石英组合的消色差波片），以及需要同一块窗口从紫外一直用到中红外的宽谱系统。

中波红外（约 3–5 µm）：可做窗口和整流罩

MgF2 在 3–5 µm 仍有良好透过，耐磨和抗热冲击性能也比较好，因此可用于中波红外窗口。热压多晶 MgF2 还常用于红外整流罩。要注意的是，热压多晶材料在可见和紫外波段散射明显，不能拿来做紫外或可见成像；紫外用途要用单晶材料。和蓝宝石相比，MgF2 的红外透过边界稍远，但硬度低得多，抗砂蚀、抗刮擦的要求高时需要权衡。

长波红外（8–12 µm）：不适用

超过约 6 µm 后，MgF2 的吸收逐渐上升，厚件尤其明显，在 8–12 µm 热成像波段基本不能用，应改用 ZnSe、锗、硫系玻璃等材料。各材料的透射波段可参考红外光学材料介绍。

MgF2、熔融石英、CaF2、蓝宝石怎么比

需要 MgF2 的项目，替代方案通常就是这三种材料。下表只用于材料初选，最终仍要按工作波长、厚度和使用环境核算。

注：表中数值为常见公开资料的典型范围，具体以材料等级、厚度和测试条件为准。更多窗口材料对比可参考各光学窗口材料优缺点分析。

双折射：MgF2 选型最容易忽略的参数

MgF2 的双折射量不大（可见光约 0.011），但在偏振敏感的系统里，这个量足以改变光的偏振态。晶轴方向要根据用途选择：

• 窗口、透镜：通常采用 c 切。c 轴垂直于通光面，正入射的光沿光轴传播，基本感受不到双折射。还有一个附带好处：c 切窗口面内两个方向都垂直于 c 轴，热膨胀在面内是各向同性的，装夹应力更容易控制。

• c 切也不是完全没有双折射。会聚光、发散光或倾斜安装时，偏离光轴的光线仍会产生相位差。偏振测量、激光偏振控制等系统应按实际入射角评估。

• 波片、偏振器件：采用光轴在面内的切向（a 切）。这时要利用的正是双折射，相位延迟由厚度和双折射量决定，厚度公差直接影响延迟量。

无论哪种用途，图纸上都应写明晶轴方向及允许偏差，不要默认供应商“按常规做”。同为单轴晶体的蓝宝石也有同样的问题，可参考蓝宝石窗口为什么要关注晶向和双折射；装夹不当引入的附加双折射，可参考什么是光学镜片的应力双折射。

MgF2 选型时需要确认的参数

1. 工作波长与材料等级。真空紫外、紫外和红外用途对材料纯度、吸收和散射的要求不同。透过率要求应写清波长、厚度和入射角。

2. 晶轴方向。窗口一般用 c 切，波片用面内光轴切向，并规定定向偏差。

3. 厚度。这是一个取舍：靠近截止波长时，越厚透过越低；做真空窗口或承受压差时，厚度又必须满足强度要求，需要按口径、压差和安全系数计算。

4. 面形与表面质量。表面散射大致随 (σ/λ)² 增长（σ 为表面粗糙度），波长越短，同样的粗糙度造成的散射越大，因此紫外用途对抛光质量更敏感。

5. 镀膜。MgF2 折射率低，不镀膜时反射损失已经比较小。真空紫外波段可用的膜料有限，很多窗口直接不镀膜；中波红外窗口可按波段设计增透膜。

6. 使用环境。真空或吹扫环境、温度循环、激光功率、装夹方式，都会影响透过稳定性和附加应力。

几个常见的选型误区

• 只看“0.12–7 µm”就认为全波段都能用。两端的实际透过率取决于厚度、材料等级和表面污染，边缘波段应单独核算。

• 把 MgF2 当成熔融石英的“升级版”。在 200 nm 以上，熔融石英多数情况下更合适，成本也更低。

• 不规定晶轴。偏振敏感系统可能出现偏振态异常，问题往往到整机测试时才暴露。

• 用热压多晶 MgF2 做紫外或可见成像。多晶晶界会造成明显散射，这类材料主要用于中波红外。

• 把材料手册数据当验收标准。验收应以图纸和双方确认的测试条件为准。

询价时建议提供哪些信息

为了让供应商判断材料等级、加工路线和检测方法，建议一次性提供以下信息：

• 工作波长或波段，以及透过率要求（注明波长、厚度、入射角）；

• 零件图纸：外形、厚度、尺寸公差、平行度、倒角；

• 晶轴方向及允许偏差；

• 面形、表面质量要求；

• 是否镀膜及膜层指标；

• 使用环境：真空或压差、温度范围、光源或激光参数、装夹方式；

• 数量、交付节点和检测报告要求。

激埃特光电官网公开的加工材料包括 MgF2，以及熔融石英、蓝宝石、硅、锗、ZnSe 等。不同材料可实现的尺寸、公差和表面等级并不相同，MgF2 零件需要结合图纸、晶向和镀膜要求逐项评估。如果项目已有波段、透过率、尺寸、晶向或检测要求，可将资料发送给激埃特进行项目级评估，相关产品可查看窗口镜分类，或通过联系我们提交需求。

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