材料的紅外光學性能
一、紅外線的基本知識
紅外線同可見光一樣在本質上都是電磁波，它的波長范圍很寬(0.7-1000mm)，按波長又可分為三個光譜區:近紅外(0.7-15mm)，中紅外(15-50mm)，遠紅外(50-1000mm)。紅外線同樣具有波粒二象性，遵守波的反射定律和折射定律，在一定的條件下也會發生干涉和衍射效應。
紅外線與可見光不同之處是人的肉眼看不見紅外線，且在大氣層中對紅外波段存在一系列吸收很低的透明波段，如1-1.1mm，1.6-1.75mm，2.1-2.4mm，3.4-4.2mm等波段，大氣層的透過率在80%以上；8-12mm，大氣層的透過率為60%-70%。這些特點使得紅外線在軍事、工程技術和生物醫學上得到許多應用。
二、紅外材料的性能
紅外材料應具有對不同波長紅外線的透過率、折射率和色散，當然，材料的強度和硬度、抗腐蝕和防潮解能力、密度、到熱率、熱膨脹系數、比熱容等在紅外光學器件(如透鏡、棱鏡、濾光片和整流置等)的制備和實用中也是需要考慮的。
材料的光譜透過率與材料的結構，特別是化學鍵和原子量有關。任何材料只能在某一波段具有較高的透過率。對于純的晶體材料，若不考慮雜質吸收的話，其透射短波限Is取決于電子吸收，即引起電子從價帶激發到導帶的光吸收。因而，一般說來，短波截至波長大致相當于該品體禁帶寬度能量對應的光頻率。其長波透射限l1主要取決于聲子吸收，即晶格震動吸收，它可以是一次諧波震動吸收，也可以是高次諧波震動吸收。聲子吸收和品體結構、構成品體元素的平均分子量及化學鍵有關。在晶體結構相同的情況下，平均分子量越大，則聲子吸收出現的波長越長，材料的紅外透射長波截至波長l1也越長。
對于金剛石、鍺，硅等具有金剛石結構的晶體，由干在紅外區域沒有活躍的一次諧波晶格震動，高次諧波也較弱，因而是一類透過率較高、透射波段也較寬的優秀的紅外光學材料，使用也較為普遍。
折射率和色散是紅外光學材料的另一重要特性。首先，折射率和反射率損失密切相關，折射率越大，反射損失也越高。其次，對于不同用途，對折射率有不同的要求。例如，對于制造窗口和整流置的光學材料，為了減少反射損失，要求折射率低一些:而用于制造高放大率，寬視場角光學系統中的棱鏡、透鏡及其他光學部件的材料則要求折射率要高一些。例如，有時為了消色差或其他像差，不但需要使用不同折射率的材料作為復合透鏡，而且對色散也有一定要求。作為分光光度計中色散元件的棱鏡，它的性能直接與材料的折射率和色散有關。
除了透討率，折射率和色散外，材料的力學性能、抗腐蝕、防潮解等性能對于一個好的光學器件也是非常重要的。比如，氯化鈉晶體雖然是很好的紅外光學材料，但卻容易潮解，不宜在野外使用:鍺也是很好的紅外光學材料，但當溫度升高時，透過率顯著下降，而目它比較脆，軟化溫度也太低，因此用作整流罩是不合適的。同樣，雖然金剛石的各種性能很優異，可是它不能做成大尺寸的器件，而且價格過于昂貴，所以很少有人用它來作實際的光學材料。此外，要格外注意的是材料受熱時的子輻射特性，為了避免探測器中出現假信號，受熱材料在工作波段內的子輻射應當很小，這在搜索跟蹤系統中尤其要引起重視。
在紅外光學系統中，一些常用的部件對材料性能有不同的要求。對于探測器窗口材料，要求在探測器的響應波段內窗口必須有很高的透過率(因此要求吸收率和反射率要很低)，這樣能很好的透過從目標來的輻射，而自身輻射卻很小，對干制冷探測器，窗口必須要能很好的與玻璃或其他控測器外殼材料相封接，因此熱膨脹系數要匹配，并目窗口的透過率不應隨溫度變化顯著變化。一般窗口要露在空氣中，因此，它應該不怕潮，化學穩定性好，較長時間內不發霉、發毛，負責散射等影響將使透過率降低。
另外，窗口材料應當易于加工和切割成各種形狀。為了減小反射損失，可選擇折射率低的材料作窗口材料，若必須折射率高的材料，則要易于鍍增透膜。同時，窗口一般較薄，材料應有足夠的強度。
對整流材料的要求是在探測器相應波段內，整流罩必須有很高的透過率，自輻射應很小，以免產生假信號。有些材料在室溫有很高的透過率，但高溫時，由于只有載流子吸收增加，透過特性顯著惡化(例如鍺)，這種材料就不能作為整流罩。整流是安裝在飛機、導彈、飛船等高速飛行體的光學系統的前部，由于空氣動力加熱，整流罩的溫度是很高的，因此，要求整流罩的溶點、軟化溫度要高，并且材料的熱穩定性要好，要能經受得住熱沖擊。整流罩的硬度要大，這樣，一方面有利于加工、研磨和拋光，另一方面不至于被飛揚的塵土和沙石所擦傷。由于整流罩暴露在空氣中，因此化學穩定性要好，要能防止大氣中的鹽溶液或腐蝕性氣體的腐蝕，并且不怕潮解。應當特別指出的一點是：一般的窗口尺寸較小，而整流罩的尺寸往往較大(直徑幾十毫米到幾百毫米)，并且折射率要連續，以免發生散射，因此，常常要求整流罩用單晶或折射率在晶粒間界沒有突變的均勻的多晶制成，整流罩的曲線率往往很大，因此要有足夠的強度，以便于加工、裝配，并且經受住震動和氣浪。
對透鏡和棱鏡的要求是透鏡和棱鏡材料要純凈均勻，對折射率的要求較嚴，其他要求與窗口材料差不多，不過，對熱膨脹系數的要求，只有在浸沒透鏡中才是很重要的，以為假使探測器制冷，若膨脹系數匹配不好，浸沒透鏡和探測器可能脫開，使反射損失增加。對棱鏡材料的一個突出要求是它的投射波段要寬，色散要大。
高分子材料價格便宜、耐酸堿和耐腐蝕件良好，不溶干水，在近紅外和遠紅外有良好的透過率，這是它的優點。但是高分子材料結構復雜，分子的振動和轉動吸收帶以及晶格震動吸收帶正好在中紅外波段，因此在中紅外波段塑料的透過率很低，并且塑料的軟化溫度較低，強度不高，只能在較低溫下做窗口和保護膜等，少數塑料可做透鏡，但不能做整流罩。塑料的用途主要在遠紅外區域，中近紅外使用較少。做常用的塑料是有機玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，它透可見光和近紅外，常用作保護膜、增透膜和窗口材料。
聚乙烯不透可見光，但遠紅外的透過率很高，是一種常溫下使用的遠紅外光學材料，高密度聚丙烯比聚乙烯堅硬，在中紅外某些波段有一定的透過率。圖3-14為聚丙烯在15-21m波段的透過率，并與未鍍增透膜的熱壓ZnSe做了比較。在17-21m波段內，聚丙烯的透過率是不錯的，因此它常常用來做為這一波段的真空紅外裝置(或充氣裝置)的窗口，能經受6atm(1atm=101325Pa)而不變形。
聚四氟乙烯是另一種常用的塑料，它有很高的遠紅外透過率，在很薄時，也有相當好的近紅外和中紅外透過率。它不溶于水耐腐蝕，使用溫度從-269-260℃ 廣泛用作保護膜材料和遠紅外光學材料。
