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常用红外光学材料及其加工技术.docx

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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。
2.1 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,透射波长范围为1.8~25μm,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。
2.2 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。透射波长范围为1.1~15μm,在15μm波长处有一吸收峰存在。硅的折射率也比较稳定,约为3.4,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。
2.3 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。其透射波长范围为0.48~21μm,在透射波长范围内的折射率约为2.44,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。
2.4 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。在红外波段的折射率约为2.25,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

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上传人:科技星球 8/8/2022 文件大小:25 KB

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