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红外领域

December 16 2019 296 views

红外 (IR) 照射的特征是波长介于 0.750 -1000μm (750 – 1000000nm) 之间。由于对检测器范围的限制,IR照射通常分为以下三个较小的区域:0.750 – 3μm、3 – 30μm 和 30 – 1000μm 分别定义为近红外 (NIR)、中波红外 (MWIR) 与远红外 (FIR)(图 1). 红外产品 广泛用于从热成像中的 IR 信号检测到 IR 光谱学中的元素识别等多种应用。随着 IR 应用需求的发展和技术进步,制造商已开始使用 IR 材料设计平面光学元件(例如 (i.e. 窗口片反射镜偏振片分光镜棱镜), 球面透镜 (例如平凹/平凸透镜、双凹/双凸透镜、弯月透镜), 非球面透镜 (抛物面、双曲面、混合透镜), 消色差透镜, 以及 装配组件 (例如成像镜头、扩束器、目镜、物镜). 这些 IR 材料或基底的物理特性各不相同。因此,了解每种材料的优点可为任何 IR 应用选择正确的材料.

Electromagnetic Spectrum

图 1: 电磁波谱

使用正确材料的重要性

由于构成红外光的波长长于可见光,因此在通过相同的光学介质传播时,这两个区域的行为不同。有些材料可用于 IR 应用或可见光应用(最引人注目的是熔融石英, BK7 和 蓝宝石; 但是,使用更适合所执行任务的材料可以优化光学系统的性能。如需了解这一概念,请考虑透射率、折射率、色散与梯度折射率。如需了解更多有关规格与性质的详细信息,请查看光学玻璃.

透射率

定义任何材料时,最重要的属性就是透射率。透射率是光通量的衡量指标,由入射光的百分比指定。IR 材料在可见光区域通常是不透明的,而可见光材料在 IR 通常也是不透明的;换言之,这些材料在这些波长区域展示出的透射率接近 0%。举例而言,请考虑 , 它能透射 IR,但不能透射可见光(图 2).

Uncoated Silicon Transmission Curve

图 2: 无镀膜硅的透射率曲线

折射率

虽然主要根据透射率将材料归类为 IR 材料或可见光材料,但是折射率 (nd) 也是重要属性。折射率是指光在真空中的速度与光在指定介质中的速度之比。使用折射率可以量化光线从低折射率介质进入高折射率介质时“减缓速度”的效果。它也可以指出以倾斜方向射向表面时折射的光线量,nd 越高,折射的光线越多(图 3).

Light Refraction from a Low Index to a High Index Medium

图 3:从低折射率介质到高折射率介质的光线折射

可见光材料的折射率大约介于 1.45 – 2 之间,IR 材料的折射率大约介于 1.38 – 4 之间。在许多情况下,折射率与密度存在正相关关系,这意味着 IR 材料较可见光材料更重;但是,更高的折射率也意味着可以使用更少的透镜元件(从而降低整体系统重量与成本)实现衍射极限性能.

色散

色散用于衡量材料的折射率随波长变化的幅度有多大。它还能确定对产生色像差的波长进行的分离。定量而言,色散与色散系数 (vd) 成反比,是材料在 f (486.1nm)、d (587.6nm) 和 c (656.3nm) 波长时折射率的函数(等式 1).

(1)vd=nd−1nf−nc

色散系数大于 55(色散较少)的材料视为冕材料,色散系数小于 50(较多色散)的材料视为火石材料。可见光材料的色散系数大约介于 20 – 80 之间,IR 材料的色散系数大约介于 20 – 1000 之间.

折射率梯度

介质的折射率会随着温度的变化而不同。系统在不稳定的环境中工作时,此折射率梯度 (dn/dT) 可能会产生问题,尤其是在系统针对单一 n 值进行设计的情况下,更是如此。遗憾的是,IR 材料的 dn/dT 值通常大于可见光材料, 红外比较表)内的“重要材料属性”表中对能用于可见光的 N-BK7 与只能透射 IR 的(锗材料进行了比较.

如何选择正确的材料

选择正确的 IR 材料时,有三个简单的要点需要考虑。虽然选择流程更简单,因为与可见光相比,对用于红外光的材料进行实际选择的范围会小得多,但是这些材料通常会基于制造和材料成本等原因而更为昂贵.

  1. 1.热性质 – 光学材料经常放置在温度发生变化的环境中。此外,人们普遍担心的一点是 IR 应用常常会产生大量的热。应该对材料的折射率梯度和热膨胀系数 (CTE) 进行评估,以确保提供所需的性能来满足用户。CTE 是材料在温度变化时发生膨胀或收缩的比率。例如,锗材料的折射率梯度非常高,如果在热不稳定的环境中使用,可能会导致光学性能降级.
  2. 透射率 – 不同的应用可在不同的 IR 光谱区域中进行作业。视所用的波长而定,某些 IR 基底的性能更好(图 4)。例如,如果系统将在 MWIR 区域进行作业,则使用 材料比使用蓝宝石更理想,后者更加适用于 NIR 区域.
  3. 折射率 – IR 材料在折射率方面的变化远大于可见光材料,因此在系统设计方面更有弹性,可进行更多变化。可见光材料(例如 N-BK7)适用于整个可见光光谱,但 IR 材料与此不同,通常仅适用于 IR 光谱内的窄小频带,尤其是在应用增透膜时,更是如此.
Infrared Substrate Comparison

图 4: 红外基底比较(适用于 N-BK7 的波长范围也适用于可见光波长所用的诸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等绝大部分基底)

红外比较

虽然存在很多 IR 材料,但是其中只有一小部分主要供光学元件、成像和光电行业用于制造现成可用型元件。氟化钙熔融石英材料, 氟化镁, N-BK7, 溴化钾, 蓝宝石, 氯化钠, 硒化锌 和硫化锌都有自己独特的属性,这些属性不仅能使这些材料彼此区分,还能使其适用于特定应用。以下表格提供了一些常用基底的比较.

重要 IR 材料属性
名称 折射率 (nd) 色散
系数 (vd)
密度 
(g/cm3)
CTE
(x 10-6/°C)
dn/dT
(x 10-6/°C)
努氏硬
氟化钙 (CaF2) 1.434 95.1 3.18 18.85 -10.6 158.3
熔融石英 (FS) 1.458 67.7 2.2 0.55 11.9 500
锗 (Ge) 4.003 N/A 5.33 6.1 396 780
氟化镁 (MgF2) 1.413 106.2 3.18 13.7 1.7 415
N-BK7 1.517 64.2 2.46 7.1 2.4 610
溴化钾 (KBr) 1.527 33.6 2.75 43 -40.8 7
蓝宝石 1.768 72.2 3.97 5.3 13.1 2200
硅 (Si) 3.422 N/A 2.33 2.55 1.60 1150
氯化钠 (NaCl) 1.491 42.9 2.17 44 -40.8 18.2
硒化锌 (ZnSe) 2.403 N/A 5.27 7.1 61 120
硫化锌 (ZnS) 2.631 N/A 5.27 7.6 38.7 120

 

IR 材料比较
名称 属性 / 典型应用
氟化钙 (CaF2) 低吸收; 高折射率均匀度
用于光谱学、半导体处理和冷却热成像
熔融石英 (FS) CTE 低,在 IR 中具有出众的透射率
用于干涉测量、激光仪器、光谱学
锗 (Ge) 高折射率;高努氏硬度;中波到长波红外波段有优秀的透射率
用于热成像、恶劣环境的IR成像
氟化镁 (MgF2) 宽泛的透射范围; 耐高能辐射
用于不需要增透膜的窗口片、透镜和偏振片
N-BK7 低成本材料,适用于可见光和 NIR 应用
用于机器视觉、显微镜、工业应用
溴化钾 (KBr) 抗机械震动; 水溶性;宽泛的透射范围
用于 FTIR 光谱学
蓝宝石 非常耐用,在 IR 中具有良好的透射率
用于 IR 激光系统、光谱学和恶劣环境设备
硅 (Si) 低成本; 质量轻
用于光谱学、MWIR 激光系统、THz 成像
氯化钠 (NaCl) 具有水溶性,成本低,在 250nm 至 16μm 的范围内具有出众的透射率,对热冲击很敏感
用于 FTIR 光谱学
硒化锌 (ZnSe) 低吸收; 抗热冲击
CO2 激光系统和热成像
硫化锌 (ZnS) 在可见光与 IR 范围具有出众的透射率,与 ZnSe 相比更坚硬并具有更强的化学抵抗力
用于热成像
 
 

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