文档介绍：常用红外光学材料及其加工技术
 
 
申卫江
【摘要】本文介绍了红外光学材料的分类，重点分析了几种常用红外光学晶体材料的基本光学特性和理化性质，并叙述了将其制作成红外光学元件的几种主要加工技术。
【Key】红外光学材料;丰富得多，可以满足不同应用的需要，并具有优良的红外光学特性。晶体材料分为离子晶体与半导体晶体，根据晶相结构又可分为单晶材料和多晶材料。
作为红外光学材料使用的单晶材料有几十种，较为常用的大约有十几种。单晶材料的主要优点是制备技术相对成熟，光学均匀性较好，材料结构完整，可避免内部结构缺陷等对红外光学性能的影响。多晶材料则具有价格相对较低，制备材料尺寸几乎不受限制，可制备大尺寸及复杂形状等特点。由于单晶材料的红外光学性能相对较好，其使用量最大，多晶材料则主要用于制备大尺寸零件所需毛坯。
2 常用红外光学材料
由于光学玻璃和塑料作为红外光学材料使用仍存在一些致命的缺陷，而晶体材料则具有较为优良的红外光学特性，因此，现阶段各类红外光学仪器上所使用的光学元件，特别是透射光学元件，大部分采用的材料均为晶体材料，其中又以锗、硅、硒化锌、硫化锌等晶体材料的使用最为常见，其在热像仪等红外光学仪器中的使用量达到了总使用量的80%以上。本文亦将主要介绍这几种红外光学晶体材料的基本情况。
锗单晶材料（Ge）
锗是一种半导体晶体材料，在红外光学仪器中使用的锗单晶为N型，晶相为（111），其结构为金刚石结构，在红外波段有良好的透明性，不溶于水，化学性质稳定，～25μm，在透射波长范围内的折射率约为4，色散较小，是一种优良的红外光学材料，在8～14μm波段工作的红外光学仪器中使用量最大，广泛用于制作红外透镜、窗口、棱镜等光学元件。
锗具有吸收系数和折射率随温度的改变而急剧变化的特性，致使其透射率也会随着温度的变化而变化，如图1所示。
由图1可见，随着温度上升，锗材料的透射率下降，在300℃条件下，在8～12μm波段几乎完全失透，在3～5μm波段透射率仅为25℃时的20%左右，故锗不宜在高温下使用。
目前，国内制备红外锗单晶材料的主要方法为直拉法（Czochrolski法），相应的生产设备（单晶炉）和生产工艺已臻成熟、完善。为适应红外光学仪器高
分辨率和遥感技术的要求，红外锗单晶正向大尺寸化发展，直径Ф250mm的锗单晶已有商品化销售，最大制备锗单晶尺寸达到了Ф350mm。
硅单晶材料（Si）
与锗类似，硅也是一种金刚石结构的半导体晶体材料，化学性质稳定，不溶于水，而且不溶于大多数酸类溶液，但溶于氢***酸、***和醋酸的混合液。～15μm，在15μm波长处有一吸收峰存在。硅的折射率也比较稳定，，色散系数较小，在3～5μm波段被普遍用于制作透镜、窗口等。
硅的红外光学性能良好，且其机械强度较好，光学性能受温度影响的性能优于锗，因此除用于透镜材料外，还被普遍用于红外导引头的整流罩。
硒化锌（ZnSe）
硒化锌（ZnSe）是一种多晶材料，一般采用热压法（HP）、物理及化学气相沉积法（PVD、CVD）等技术制备。～21μm，，色散较小，吸收系数较小，是一种性能十分优异的红外光学材料，广泛应用于透镜及窗口光学元件的制作，是3～5μm波段不可替代的光学材料。
随着多晶材料制备技术的发展，已可制造出红外光学性能接近单晶的多晶ZnSe、ZnS材料，在机械性能、热性能和加工性能方面还优于单晶。但国内目前的多晶ZnSe、ZnS材料制备工艺尚不成熟，产品质量有待提高，特别是大尺寸多晶材料的制备技术与国外先进技术相比，仍有较大差距。而由于这些材料
在国防技术上的敏感性，国外对中国的采购仍有限制，阻碍了其在更大范围的应用。
硫化锌（ZnS）
与硒化锌（ZnSe）相似，硫化锌（ZnS）也是一种采用热压法（HP）、物理及化学气相沉积法（PVD、CVD）制备的多晶材料。材料呈浅红色，透射波段为2～10μm，经热处理后还能透射可见光，是多光谱光学系统（白光、红外光）的理想光学材料。，色散较小，红外光学性能良好，制作光学元件时易加工，光学系统易装校。特别值得一提的是，硫化锌材料在透射波段的透射率非常高，已接近理论上可能达到的最大值。
硒化锌和硫化锌均有一定的毒性，在加工過程中应特别注意安全防护。
3 常用红外光学材料的加工技术
光学材料是光学机械的加工对象。材料制备出来后，需采用特定的加工方法，将其制作成所需要的红外光学元件，达到光学设计要求的面形精度、尺寸精度、表面光洁度等。将常用红外光学材料加工成光学元件的技术，与可见光波段普通光学玻璃元件的加工技