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。

【关键词】红外光学材料;特性;晶体;光学元件;加工

中图分类号： TJ765.331文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）15-0147-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.069

IR 0ptical Materials and Processing Techniques

SHEN Wei-jiang

（Yunnan Vocational College of National Defence Industry，Kunming Nanjing 650222，China）

【Abstract】The category of IR optical materials is indicated in this paper ，and the elementary optical characters and physical-chemic characters of some primary IR optical crystal materials are analyzed with emphasis.Finally，some primary processing techniques of making them into IR optical elements are described.

【Key words】IR optical material; Character; Crystal; Optical element; Process

0 引言

紅外技术的研究及其应用，已成为现代光学技术发展的一个重要方向，而其发展的水平主要取决于红外光学材料和红外探测器的水平。红外光学材料是指在红外热成像仪、红外导引头等红外光学仪器中用于制造透镜、棱镜、窗口、滤光片、整流罩等光学元件的一类材料，这些材料具备满足需要的光学性能和理化性质，即具有良好的红外透明性与较宽的透明波段，并具有良好的加工性能，可方便制作成形状各异、精度较高的光学元件。

红外光学材料不可能在整个红外波段0.76～750μm均具有良好的透过率，它只能在某一红外波段内，具有一定的透过能力。另外，由于红外光线在大气中传播时，在1～3μm、3～5μm和8～14μm波段的衰减最小，所以，这三个波段也被称为红外光线的“大气窗口”。目前国内外红外光学材料发展的重点也主要是适用于这三个“窗口”的光学材料。

针对不同红外光学材料的物理、化学性质，以及所要加工的光学元件的形状、要求等，选择适合的加工方法，具有非常重要的意义。目前红外光学材料的加工方法主要有古典法、单点金刚石切削法、数控研抛法等，这些加工方法各有其特点和适用范围。

本文将结合现行生产和技术状况，就目前常用红外光学材料的基本性质，及其相应的加工方法作一简要介绍，以达到抛砖引玉的作用。

1 红外光学材料的分类

红外光学材料主要分为玻璃、塑料和晶体三大类。

1.1 红外光学玻璃

传统的红外光学玻璃有光学石英玻璃、铝酸钙玻璃和高硅氧玻璃三种。他们具有较高的光学均匀性，能满足大尺寸高精度零件的要求，机械强度较高，化学稳定性好，熔炼和加工容易，成本低，在近红外和中红外波段得到一定程度的应用。但由于常用光学玻璃基本是氧化物玻璃，而元素氧化学键对大于6μm波长的红外光线有强烈的吸收，因而无法应用于远红外波段。近年来，用Ⅵ族元素中硫化物代替氧作为玻璃基本组分而研制的硫系玻璃应运而生，其透射波长限有了明显的提高，一般可达到10μm。浙江舜宇公司已开发出了商品化的硫系玻璃材料，其玻璃锭的直径达143mm，可在一定范围内替代现行常用的红外光学材料。但制备在10～14μm或更长波段以及温度大于500℃下使用的硫系玻璃材料，在理论上遇到了困难，致使硫系玻璃材料的应用仍然受到较大的限制。

1.2 塑料

塑料是一种无定形态高分子聚合物，一些塑料在红外波段具有良好的透过率，可用来制作红外窗口、透镜等红外光学元件，已广泛应用于红外报警、红外监控及传感等民用或警用领域。由于塑料分子结构复杂，导致非常多的晶格振动吸收带和旋转吸收带，因此透过率相对不是很高，尤其是在中红外波段。加之，塑料的耐高低温性能较差，表面硬度较低，吸水性较强，耐腐蚀性较差等因素，也极大限制了塑料的应用。

1.3 晶体材料

晶体材料是最早使用的一类红外光学材料，也是目前主要使用的光学材料。晶体材料的特点是其物理和化学性质及使用特性的多样性，其折射率及色散变化范围比其他类型的红外材料丰富得多，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，但溶于氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。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术并没有本质的差异，仍以研磨抛光加工为主。只不过由于常用红外光学材料多为晶体材料，其加工性能与玻璃材料有所不同，且普遍采用了非球面，使其加工技术具有了一些新的特点。

目前对常用红外光学材料进行加工，获得理想光学表面的技术主要有古典法精磨抛光、单点金刚石切削加工、数控研磨抛光等。

3.1 古典法精磨抛光

古典法是一种非常传统的加工玻璃光学元件的方法，虽然其加工效率不高，但由于其采用粘弹性较好的柏油抛光模，抛光转速、压力较小，且抛光液不循环使用（不会造成抛光液的污染），所以可获得较高的面形精度和较好的表面光洁度，比较适合于红外晶体材料光学元件的加工。目前在实际生产中，对球面红外光学元件的加工，基本采用这种方法。

由于常用红外光学晶体材料的表面硬度等理化性能与玻璃相比，有较大差异，所以在采用古典法精磨抛光红外光学元件时，加工工艺与精磨抛光玻璃时有所不同，最主要的区别是抛光粉不使用或较少使用氧化铈（CeO2）、氧化铁（Fe2O3）等常用抛光粉，而改用氧化铝（Al2O3）、氧化铬（Cr2O3）等材料作为抛光粉，而且抛光液酸碱度的控制也有所不同。另外，由于晶体材料的固有特性，容易由于应力作用而脆裂损坏，所以在加工过程中，一定要注意防止温度骤变，清洗零件和调制抛光液时，最好使用温水，并保持加工工房的恒温条件。

为提高古典法精磨抛光的生产效率，有些工厂采用了“组合式”加工的方法，即先采用单件高效抛光等高效率的加工方法进行粗加工，然后再采用古典法进行精密修正的工艺。这种尝试也是值得肯定的。

3.2 单点金刚石切削加工

红外光学元件的加工主要包括球面加工和非球面加工，其中球面加工可采用古典法实现，技术成熟、可靠，不存在大的技术难题。而非球面则由于只有一个对称轴，且各点曲率均不相同，给加工和检测带来了极大的困难。随着精密机械加工技术、数控加工技术及刀具技术的不断发展，80年代初，一种用天然单晶金刚石作刀具，在计算机控制下车削加工光学表面的新技术开始在国外得到发展，并在90年代推出了商品化的设备。主要的设备制造商有英国的Taylor-hobson公司、美国的Moor公司、Precitech公司等。

这种设备采用了空气轴承、静力液压悬浮导轨、实时反馈伺服等新技术，使设备加工精度得到极大提高。同时，由于采用硬度很高的天然单晶金刚石作刀具，车削过程中的刀具磨损、变形基本可忽略不计，保证了刀刃可在计算机的控制下精确地走出复杂的轮廓曲线（非球面等），从而可加工出高精度的各种复杂表面，并得到近似于抛光后的表面质量。目前，采用这种方法加工出的非球面光学元件，其面形精度可达0.1μm（pv），表面粗糙度达0.005μm（Ra），可满足红外光学系统的成像要求。同时，单点金刚石切削加工具有其它非球面加工方法所不能比拟的高效率和经济性，使它成为锗（Ge）、硒化锌（ZnSe）、硫化锌（ZnS）等材料非球面红外光学元件最重要的加工方法。

3.3 数控研磨抛光

单点金刚石车削加工非球面虽具有效率高、经济性好等优点，但它也有一些局限，如不能加工含碳的材料，加工后的表面有车刀痕（会影响3～5μm波段的使用），对硅、光學玻璃、石英玻璃等的加工效果不理想等。这种情况下就必须采用精密数控研磨抛光的办法加工非球面。

这种加工方法是用计算机控制的精密磨头先将零件表面磨削成所要求的非球面面形，再用一个尺寸比被加工零件小得多的抛光模，在计算机的控制下，以一定的路径、速度、压力（驻留函数）抛光工件表面，精确地去除多余材料，从而实现高精度非球面的抛光。其关键技术在于需要有高精度的数控机床、与加工匹配的实时检测反馈、可靠的驻留函数和去除函数建模及精密工具（磨轮、抛光模等）制造。

这种方法是目前加工硅单晶材料非球面光学元件最主要的方法，其面形精度可达0.2μm（pv）以上。但和单点金刚石切削加工相比，效率较低，加工成本较高，加工小零件的效果不太理想。

4 结束语

了解红外光学材料的种类、性质及其加工工艺性，并据此选择适合的加工方法，对于红外光学元件的加工技术研究是十分必要的。随着现代材料技术和加工技术的不断进步，新材料和新加工技术也一定会不断涌现，这将大力推动红外光学技术的发展，使其更好地为国民经济和社会生活服务。

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