導(dǎo)語

你是否在為紅外（IR）系統(tǒng)的透鏡、窗口或?yàn)V光片挑選材料而頭疼？同樣是“光學(xué)玻璃"，在紅外波段的表現(xiàn)卻大相徑庭——透射率、折射率、熱膨脹系數(shù)（CTE）等關(guān)鍵指標(biāo)直接決定系統(tǒng)的成像質(zhì)量、可靠性和成本。今天我們把業(yè)內(nèi)常用的紅外材料要點(diǎn)濃縮為實(shí)用指南，讓你在幾分鐘內(nèi)選出最匹配的材質(zhì)，避免在后期調(diào)試、維修甚至更換元件上浪費(fèi)時(shí)間和資金。

圖 1: 電磁波譜

一、紅外光學(xué)為何“選材"如此重要？

• 波長大、能量高：紅外波長 0.75–1000 µm 是可見光的 10–1 000 倍，同一材料在這一區(qū)間的光學(xué)特性往往與可見光截然不同。

• 透射率決定光通量：若材料在工作波段的透射率低于 80%，系統(tǒng)整體光強(qiáng)會(huì)被大幅削弱，導(dǎo)致噪聲提升、靈敏度下降。

圖 2: 無鍍膜硅的透射率曲線

• 折射率與系統(tǒng)體積：高折射率材料可以用更少的透鏡或更薄的窗口實(shí)現(xiàn)相同光學(xué)功率，從而減輕重量、降低成本。

圖 3:從低折射率介質(zhì)到高折射率介質(zhì)的光線折射

• 熱屬性影響穩(wěn)定性：紅外系統(tǒng)常伴隨高功率激光或熱成像探測器，溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致折射率漂移（dn/dT），進(jìn)而引起聚焦偏移或波前畸變。

實(shí)戰(zhàn)提醒：一次選錯(cuò)材料，往往要在后期通過加裝補(bǔ)償透鏡、溫度控制或更換元件來糾正，成本和工期都可能翻倍。

二、四大評(píng)估維度——從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策

【強(qiáng)調(diào)】在實(shí)際選型時(shí)，這四個(gè)指標(biāo)往往互相制約，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行權(quán)衡。

三、材料選型“三步走"

第壹步：明確熱環(huán)境

• 高溫/溫度波動(dòng)：如果系統(tǒng)位于工業(yè)爐、戶外或激光功率大，優(yōu)先考慮 低 CTE、低 dn/dT 的材料，如 氟化鈣 (CaF?)、熔融石英 (Fused Silica)。

• 低溫/極寒：在空間或低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，材料的熱收縮系數(shù)仍需匹配支撐結(jié)構(gòu)，避免因收縮不均導(dǎo)致應(yīng)力破裂。

第二步：鎖定工作波段

案例：在 4–5 µm 的氣體吸收光譜儀中，Germanium的透射率超 90%，而Sapphire在此波段的透射率僅 ~30%，因此前者是第壹選擇。

第三步：考慮折射率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

• 高 n 材料（如 Germanium n≈4）可以大幅度壓縮透鏡曲率半徑，使系統(tǒng)更緊湊。

• 低 n 材料（如 MgF? n≈1.41）適合做薄窗或前置濾光片，避免強(qiáng)折射導(dǎo)致光路偏移。

技巧：若系統(tǒng)對(duì)體積要求較高，可采用組合材料（如在前端使用低 n 的 MgF? 玻璃作防護(hù)窗，后端用高 n 的 Germanium 聚焦），既保障機(jī)械強(qiáng)度，又利用高 n 實(shí)現(xiàn)緊湊光路。

圖 4: 紅外基底比較（適用于 N-BK7 的波長范圍也適用于可見光波長所用的諸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等絕大部分基底)

四、常用紅外材料速覽（屬性+典型應(yīng)用）

溫馨提示：表格中的數(shù)值均為典型參考值，實(shí)際采購時(shí)請(qǐng)結(jié)合供應(yīng)商提供的技術(shù)規(guī)格書。

五、應(yīng)用場景拆解

1.紅外成像系統(tǒng)

• 需求：高透射、低噪聲、耐高溫。

• 較佳材料：Germanium（MWIR–LWIR）配合 Sapphire 作為前端防護(hù)窗，兼顧硬度與熱穩(wěn)定。

2.光譜分析儀（FTIR）

• 需求：寬波段覆蓋（2–20 µm）、低色散、易加工。

• 較佳材料：氟化鈣（CaF?）與氟化鎂（MgF?）組合，前者提供低吸收，后者提供高耐磨。

3.激光窗口與防護(hù)

• 需求：高功率耐受、低反射、耐腐蝕。

• 較佳材料：Sapphire（高硬度、耐劃傷）+ ZnSe（對(duì) CO? laser 具極低損耗）。

4.醫(yī)療/生物紅外檢測

• 需求：生物相容、輕質(zhì)、成本可控。

• 較佳材料：硅（Si）或 MgF?，兼顧成本與光學(xué)性能，且易于與微加工技術(shù)結(jié)合。

六、選材實(shí)戰(zhàn)技巧

1.先畫光路圖：把系統(tǒng)所有光學(xué)元件（透鏡、窗口、濾光片）列出，標(biāo)明每段波長范圍。

2.做屬性矩陣：把“透射率、折射率、CTE、硬度"等關(guān)鍵指標(biāo)填入矩陣，對(duì)比每種候選材料的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。

3.考慮加工工藝：有些高折射率材料（如 Germanium）加工成本高，若系統(tǒng)對(duì)精度要求不高，可用成本更低的 Silicon 替代。

4.預(yù)留余量：在選型時(shí)給出 5–10% 的透射余量，以應(yīng)對(duì)涂層老化或表面污染導(dǎo)致的衰減。

5.溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)：對(duì) dn/dT 較大的材料（如 Germanium），可在光路中加入 負(fù) dn/dT 的材料作溫度補(bǔ)償，保持焦點(diǎn)穩(wěn)定。

結(jié)語 & 行動(dòng)號(hào)召

選對(duì)材料，是紅外光學(xué)系統(tǒng)“高性能 + 低成本"的關(guān)鍵第壹步。無論是科研實(shí)驗(yàn)、工業(yè)檢測，還是安防、航空航天產(chǎn)品，掌握這套評(píng)估體系，都能讓你的方案在競爭中脫穎而出。

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