紅外光學材料是能夠在特定紅外波段內傳輸、反射或調控紅外輻射，并可用于制造窗口片、透鏡、棱鏡、濾光片基底和激光光學元件的材料。

選擇紅外光學材料不能只看標稱透射范圍，還要綜合考慮實際透射曲線、折射率、吸收、色散、溫度特性、機械強度、環境耐受性、加工能力和鍍膜要求。

什么是紅外光學材料

紅外輻射通常指波長大于可見紅光、延伸至約1 mm的電磁輻射，但近紅外、中紅外和遠紅外的具體邊界在輻射安全、遙感、熱成像和光譜行業中并不完全相同。

為便于工程選材，本文主要采用紅外成像和探測系統中的常見應用波段：

• 近紅外及短波紅外：約0.78—3 μm；

• 中波紅外：常重點關注3—5 μm大氣窗口；

• 長波紅外：常重點關注8—12 μm或8—14 μm熱成像波段。

這是一種應用導向的劃分，不代表唯一的國際波段定義。

普通可見光玻璃通常主要針對約400—700 nm設計。多數常規光學玻璃進入2—3 μm后，透射性能會受到羥基、水分、晶格振動和材料本征吸收的影響。紅外級熔融石英、氟化物晶體、半導體晶體和硫系玻璃則可將有效工作范圍擴展到特定近紅外、中波或長波紅外區域。

選擇紅外光學材料要看哪些指標

工作波長和實際透射曲線

“材料可以透過到某個波長”不等于在整個標稱區間內都具有高透過率。選材時應查看與實際厚度、材料等級和溫度相對應的光譜曲線，并確認工作波段內是否存在雜質吸收峰、聲子吸收帶或自由載流子吸收。

內部透過率和外部透過率

內部透過率主要反映光在材料內部傳播時的吸收損耗，一般不包含表面反射。成品元件的外部透過率還會受到兩個表面的菲涅耳反射、表面粗糙度、污染、鍍膜和入射角影響。

例如，鍺在約11 μm處的折射率接近4，未鍍膜元件的雙面反射損耗可超過50%；硅在約5 μm處的折射率約為3.42，雙面反射損耗也十分明顯。

折射率、色散和溫度系數

較高的折射率有利于獲得更強的光焦度，有時可以減少鏡片數量，但也會增加表面反射。色散決定不同波長的焦點偏差，而折射率溫度系數dn/dT會影響系統在不同溫度下的焦距和像質。

鍺的dn/dT明顯高于許多普通可見光玻璃，因此用于溫度變化較大的紅外成像系統時，通常需要進行光機熱分析和無熱化設計。

機械和環境性能

硬度高并不意味著抗熱沖擊能力一定強。窗口材料還需要評估：

• 抗彎強度和斷裂韌性；

• 熱膨脹與熱導率；

• 溫度快速變化時的熱應力；

• 耐潮濕、酸堿和鹽霧能力；

• 雨蝕、沙塵和顆粒沖擊；

• 加工、裝夾和密封產生的應力。

用于戶外或高速氣流環境的窗口，可能還需要保護膜、耐磨膜或類金剛石膜。具體膜系應根據基材、波段和環境規范設計。

常見紅外光學材料有哪些

熔融石英和紅外級石英

熔融石英是以二氧化硅為主要成分的非晶材料，具有較低的熱膨脹系數、較好的熱穩定性和較成熟的加工工藝。

普通紫外級熔融石英更適合紫外、可見光和部分近紅外應用。紅外級熔融石英通過降低羥基含量，可減弱約1.4 μm、2.2 μm和2.7 μm附近的部分吸收，并改善近紅外及約2 μm附近的透射表現。

它常用于近紅外窗口、光譜元件、激光元件和濾光片基底，但通常不是8—12 μm熱成像系統的透射材料。

藍寶石

光學藍寶石是單晶氧化鋁Al?O?，典型透射范圍可從紫外延伸至約5 μm左右。它具有較高硬度、較好的耐磨性、機械強度和環境穩定性，適合制作保護窗口、傳感器窗口及部分近紅外和中波紅外元件。

藍寶石屬于雙折射晶體。對于偏振敏感系統，需要明確晶體取向。其長波端通常不能覆蓋完整的8—12 μm熱成像波段，因此不能僅憑機械性能優良就將其用于所有長波紅外系統。

氟化鈣

氟化鈣CaF?是一種低折射率氟化物晶體，具有從紫外到中紅外的寬透射能力和較低色散。根據材料等級、厚度和判定標準，其典型透射范圍可寫為約0.2—7 μm，部分紅外級資料可延伸到更長波長。

氟化鈣可用于光譜窗口、氣體探測窗口、低溫紅外系統、透鏡和寬帶鍍膜基底。其主要限制是材料相對較軟、容易劃傷，并對熱沖擊和裝夾應力較敏感。

氟化鎂

氟化鎂MgF?具有較低折射率，典型透射范圍約為0.12—7 μm，常用于紫外、可見、近紅外和部分中紅外窗口。其硬度和耐環境性能通常優于氟化鈣，但同樣具有晶體取向和雙折射問題。

由于折射率較低，未鍍膜表面反射相對較小，但在高透過率、低雜散光或特定角度系統中，仍應評估增透膜的必要性。

硅

光學硅Si屬于高折射率半導體材料。公開材料數據可給出約1.2—15 μm的標稱透射區間，但實際工程應用通常集中在近紅外、3—5 μm中波紅外、部分激光系統以及紅外濾光片基底。材料電阻率、摻雜水平和自由載流子吸收會影響長波端性能。

硅密度低于鍺，熱導率較高，機械性能較好，但折射率約為3.4，未鍍膜表面反射明顯。它不能被籠統描述為適合所有中遠紅外波段。

鍺

鍺Ge是中波和長波紅外系統中常見的高折射率材料，可覆蓋3—5 μm以及8—14 μm等重要紅外成像波段。其折射率約為4，因此可用于透鏡、窗口片、ATR棱鏡和紅外濾光片基底，但通常需要增透膜提高透過率。

鍺的主要限制包括密度較高、表面反射大，以及折射率和吸收隨溫度變化較明顯。高溫環境下，鍺的紅外透射性能可能下降，系統設計應考慮工作溫度和無熱化要求。

硒化鋅

硒化鋅ZnSe通常采用化學氣相沉積工藝制備，具有較寬的紅外透射范圍和較低的10.6 μm吸收，因此常用于CO?激光透鏡、窗口、輸出耦合鏡、分光元件和中長波紅外系統。公開材料資料給出的典型透射范圍可約為0.6—21 μm。

ZnSe不易吸濕，熱沖擊性能較好，但材料較軟，表面容易劃傷，不適合在沒有保護措施的強磨蝕環境中直接使用。加工粉塵、破損元件和廢料應按照材料供應商的安全數據表及當地安全規定處理。

硫化鋅和多光譜級硫化鋅

普通紅外級硫化鋅ZnS主要用于8—12 μm波段，具有較好的機械強度、耐雨蝕和耐顆粒磨損能力，可用于戶外紅外窗口、整流罩和熱成像光學元件。

多光譜級ZnS通常在基礎材料上經過熱等靜壓處理，以減少孔隙和晶格缺陷。其散射更低，可將應用范圍擴展到可見光、近紅外和長波紅外，適合可見光與紅外共孔徑系統。它不能與普通紅外級ZnS的外觀和透射性能混為一談。

硫系玻璃

硫系玻璃主要由硫、硒、碲等硫族元素與鍺、砷、銻等元素組成。不同牌號可覆蓋短波、中波或長波紅外區域，部分材料適用于3—5 μm和8—12 μm熱成像波段。

硫系玻璃通常具有較高折射率，并可通過模壓等方式制造復雜透鏡。但不同配方的玻璃轉變溫度、熱膨脹系數、dn/dT、硬度、耐候性和長波截止位置差異很大，選型時必須依據具體牌號，而不能只寫“硫系玻璃”。

紅外光學材料比較

表中數據為典型參考值。具體性能與材料牌號、厚度、溫度、表面質量和鍍膜有關，設計時應查閱正式材料數據表和實測光譜曲線。

不同應用如何選擇紅外材料

近紅外傳感和成像

約0.8—2.5 μm系統可考慮紅外級熔融石英、藍寶石、CaF?、MgF?以及部分硫系玻璃。最終選擇還要結合探測器響應范圍、羥基吸收、色差和鍍膜帶寬。

3—5 μm中波紅外成像

硅、鍺、ZnSe、CaF?、藍寶石和部分硫系玻璃均可能用于這一波段，但藍寶石和CaF?接近長波端時應核對實際厚度透射曲線。硅重量較低，鍺折射率較高，ZnSe帶寬較寬，硫系玻璃則有利于實現多材料消色差和無熱化設計。

8—12 μm長波紅外成像

鍺、ZnSe、ZnS、多光譜ZnS和特定長波硫系玻璃更為常見。藍寶石、熔融石英、CaF?和MgF?通常不能作為完整8—12 μm系統的通用基材。

紅外測溫和熱釋電傳感

應先根據被測目標溫度、探測器響應和所需光譜窗口確定中心波長，再選擇能夠覆蓋該波段的硅、鍺、硫系玻璃或其他紅外基底，并結合帶通或長波通膜系控制雜散輻射。

氣體分析和紅外光譜

氣體具有特定吸收峰，材料必須避開自身吸收帶。CaF?、ZnSe、硅、鍺和不同硫系玻璃可用于窗口、氣室、ATR棱鏡和濾光片基底，具體選擇由檢測波長決定。

CO?激光系統

10.6 μm CO?激光系統常使用低吸收ZnSe制造透鏡和窗口。是否適合高功率應用，還取決于材料吸收系數、夾雜物、表面質量、鍍膜吸收、光斑尺寸和冷卻條件，不能只憑材料名稱判斷。

戶外和惡劣環境窗口

應優先評估雨蝕、沙塵、鹽霧、機械沖擊和溫度循環。藍寶石、ZnS和多光譜ZnS具有不同程度的機械與環境優勢，但仍需結合厚度、結構支撐和保護膜綜合設計。

紅外材料選型的常見誤區

誤區一：透射范圍越寬，材料越好。
實際系統只需要在目標工作波段獲得足夠透過率。更寬的標稱范圍可能伴隨更高成本、更大色散或較差的機械性能。

誤區二：內部透過率就是成品透過率。
內部透過率通常不包含表面反射。高折射率材料即使內部吸收較低，未鍍膜成品的透過率仍可能較低。

誤區三：紅外材料不需要增透膜。
是否需要鍍膜取決于折射率、透過率指標、工作帶寬、入射角和鬼像控制要求。

誤區四：硬度高就一定抗熱沖擊。
抗熱沖擊還與熱膨脹系數、熱導率、彈性模量、厚度和溫度變化速率有關。

誤區五：所有紅外材料都能用于高功率激光。
高功率應用必須評估本體吸收、雜質、涂層吸收、激光損傷閾值和熱透鏡效應。

誤區六：知道材料名稱就能確定性能。
硅的電阻率、ZnS的處理工藝、硫系玻璃的具體配方以及熔融石英的羥基含量都會影響最終表現。

誤區七：不同供應商的數據應完全相同。
原料、制備工藝、材料等級、樣品厚度和測試方法不同，公開數據出現合理差異并不罕見。

向廠家提交紅外光學元件需求時需要提供什么

為了更準確地評估紅外窗口、透鏡或濾光片，應盡量提供：

• 工作波段、中心波長或截止波長；

• 透射率、反射率、截止深度或光密度要求；

• 窗口片、透鏡、棱鏡或濾光片等元件類型；

• 外形尺寸、厚度和有效口徑；

• 入射角、偏振狀態和光束發散角；

• 工作溫度及溫度變化范圍；

• 濕度、雨蝕、沙塵、鹽霧或真空等環境條件；

• 面形、平行度、楔角和表面質量要求；

• 增透膜、帶通膜、長波通膜或保護膜要求；

• 激光波長、連續或脈沖模式、功率、能量密度和光斑尺寸；

• 試樣數量、批量需求和具體應用。

常見問題

紅外光學材料與普通光學玻璃有什么區別？

紅外光學材料需要在目標紅外波段保持足夠低的吸收。普通光學玻璃通常主要為可見光設計，進入中紅外后可能受到羥基和晶格振動吸收限制。

鍺和硅哪一種更適合紅外成像？

沒有統一答案。硅較輕，常用于3—5 μm及部分近紅外系統；鍺可覆蓋3—5 μm和8—14 μm，但折射率、密度和溫度敏感性更高。應根據探測器、波段、重量和工作溫度選擇。

為什么紅外透鏡通常需要增透膜？

硅、鍺、ZnSe和ZnS等材料折射率較高，未鍍膜時表面反射損耗明顯。增透膜可針對特定波段和入射角降低反射，但膜層帶寬、環境可靠性和激光損傷要求需要單獨設計。

ZnSe為什么常用于CO?激光系統？

ZnSe在10.6 μm附近可實現較低本體吸收，并具有適合制造透鏡和窗口的紅外透射能力。但材料較軟，仍需控制表面質量、鍍膜吸收和使用環境。

藍寶石能用于長波紅外熱成像嗎？

藍寶石可用于近紅外和部分中波紅外，但其長波截止位置通常約在5 μm附近，不能覆蓋典型8—12 μm長波熱成像波段。

為什么不同資料中的透射范圍不完全相同？

因為材料牌號、純度、晶體取向、摻雜、厚度、測試溫度和透過率閾值不同。材料“有透射”與“適合工程使用”也是兩個不同概念。

選擇紅外窗口材料應重點看哪些參數？

除工作波段外，還應評估實際外部透過率、反射、溫度范圍、機械強度、熱沖擊、環境耐受性、厚度、裝夾方式和鍍膜可靠性。

紅外濾光片的基底會影響光譜性能嗎？

會。基底的本征吸收、折射率、溫度系數、厚度和表面狀態都會影響濾光片的峰值透過率、截止區域、溫度漂移和入射角表現。

紅外光學材料定制與選型溝通

深圳市激埃特光電有限公司可根據客戶提供的工作波段、材料類型、尺寸、表面質量、面形和鍍膜要求，溝通紅外窗口片、透鏡、濾光片及相關光學元件的加工需求。

對于新項目，建議先明確探測器響應、目標波段、工作溫度、入射角和使用環境，再確定基材及膜系，避免僅根據材料的標稱透射范圍進行選擇。Giaitech官方網站公開的產品范圍包括紅外濾光片、窗口保護片、透鏡、棱鏡、分光鏡及光學鍍膜等相關光學元件。

參考資料

1. M. Hass，Residual Absorption in Infrared Materials，Applied Optics。

2. Edmund Optics，The Correct Material for Infrared Applications。

3. Edmund Optics，UV vs. IR Grade Fused Silica。

4. Edmund Optics，An Introduction to Optical Coatings。

5. SCHOTT，Infrared Glasses and Materials—Technical Details。

6. SCHOTT，Sapphire for Advanced Imaging, Sensing & Security。

7. Coherent，Zinc Selenide、Zinc Sulfide與Zinc Sulfide Multispectral材料說明。

8. Crystran，Germanium、Silicon、Calcium Fluoride、Magnesium Fluoride及Zinc Selenide材料數據。