常用紅外光學材料及其加工技術

申衛江

【摘 要】本文介紹了紅外光學材料的分類，重點分析了幾種常用紅外光學晶體材料的基本光學特性和理化性質，并敘述了將其制作成紅外光學元件的幾種主要加工技術。

【關鍵詞】紅外光學材料;特性;晶體;光學元件;加工

中圖分類號： TJ765.331文獻標識碼： A文章編號： 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

紅外技術的研究及其應用，已成為現代光學技術發展的一個重要方向，而其發展的水平主要取決于紅外光學材料和紅外探測器的水平。紅外光學材料是指在紅外熱成像儀、紅外導引頭等紅外光學儀器中用于制造透鏡、棱鏡、窗口、濾光片、整流罩等光學元件的一類材料，這些材料具備滿足需要的光學性能和理化性質，即具有良好的紅外透明性與較寬的透明波段，并具有良好的加工性能，可方便制作成形狀各異、精度較高的光學元件。

紅外光學材料不可能在整個紅外波段0.76～750μm均具有良好的透過率，它只能在某一紅外波段內，具有一定的透過能力。另外，由于紅外光線在大氣中傳播時，在1～3μm、3～5μm和8～14μm波段的衰減最小，所以，這三個波段也被稱為紅外光線的“大氣窗口”。目前國內外紅外光學材料發展的重點也主要是適用于這三個“窗口”的光學材料。

針對不同紅外光學材料的物理、化學性質，以及所要加工的光學元件的形狀、要求等，選擇適合的加工方法，具有非常重要的意義。目前紅外光學材料的加工方法主要有古典法、單點金剛石切削法、數控研拋法等，這些加工方法各有其特點和適用范圍。

本文將結合現行生產和技術狀況，就目前常用紅外光學材料的基本性質，及其相應的加工方法作一簡要介紹，以達到拋磚引玉的作用。

1 紅外光學材料的分類

紅外光學材料主要分為玻璃、塑料和晶體三大類。

1.1 紅外光學玻璃

傳統的紅外光學玻璃有光學石英玻璃、鋁酸鈣玻璃和高硅氧玻璃三種。他們具有較高的光學均勻性，能滿足大尺寸高精度零件的要求，機械強度較高，化學穩定性好，熔煉和加工容易，成本低，在近紅外和中紅外波段得到一定程度的應用。但由于常用光學玻璃基本是氧化物玻璃，而元素氧化學鍵對大于6μm波長的紅外光線有強烈的吸收，因而無法應用于遠紅外波段。近年來，用Ⅵ族元素中硫化物代替氧作為玻璃基本組分而研制的硫系玻璃應運而生，其透射波長限有了明顯的提高，一般可達到10μm。浙江舜宇公司已開發出了商品化的硫系玻璃材料，其玻璃錠的直徑達143mm，可在一定范圍內替代現行常用的紅外光學材料。但制備在10～14μm或更長波段以及溫度大于500℃下使用的硫系玻璃材料，在理論上遇到了困難，致使硫系玻璃材料的應用仍然受到較大的限制。

1.2 塑料

塑料是一種無定形態高分子聚合物，一些塑料在紅外波段具有良好的透過率，可用來制作紅外窗口、透鏡等紅外光學元件，已廣泛應用于紅外報警、紅外監控及傳感等民用或警用領域。由于塑料分子結構復雜，導致非常多的晶格振動吸收帶和旋轉吸收帶，因此透過率相對不是很高，尤其是在中紅外波段。加之，塑料的耐高低溫性能較差，表面硬度較低，吸水性較強，耐腐蝕性較差等因素，也極大限制了塑料的應用。

1.3 晶體材料

晶體材料是最早使用的一類紅外光學材料，也是目前主要使用的光學材料。晶體材料的特點是其物理和化學性質及使用特性的多樣性，其折射率及色散變化范圍比其他類型的紅外材料豐富得多，可以滿足不同應用的需要，并具有優良的紅外光學特性。晶體材料分為離子晶體與半導體晶體，根據晶相結構又可分為單晶材料和多晶材料。

作為紅外光學材料使用的單晶材料有幾十種，較為常用的大約有十幾種。單晶材料的主要優點是制備技術相對成熟，光學均勻性較好，材料結構完整，可避免內部結構缺陷等對紅外光學性能的影響。多晶材料則具有價格相對較低，制備材料尺寸幾乎不受限制，可制備大尺寸及復雜形狀等特點。由于單晶材料的紅外光學性能相對較好，其使用量最大，多晶材料則主要用于制備大尺寸零件所需毛坯。

2 常用紅外光學材料

由于光學玻璃和塑料作為紅外光學材料使用仍存在一些致命的缺陷，而晶體材料則具有較為優良的紅外光學特性，因此，現階段各類紅外光學儀器上所使用的光學元件，特別是透射光學元件，大部分采用的材料均為晶體材料，其中又以鍺、硅、硒化鋅、硫化鋅等晶體材料的使用最為常見，其在熱像儀等紅外光學儀器中的使用量達到了總使用量的80%以上。本文亦將主要介紹這幾種紅外光學晶體材料的基本情況。

2.1 鍺單晶材料（Ge）

鍺是一種半導體晶體材料，在紅外光學儀器中使用的鍺單晶為N型，晶相為（111），其結構為金剛石結構，在紅外波段有良好的透明性，不溶于水，化學性質穩定，透射波長范圍為1.8～25μm，在透射波長范圍內的折射率約為4，色散較小，是一種優良的紅外光學材料，在8～14μm波段工作的紅外光學儀器中使用量最大，廣泛用于制作紅外透鏡、窗口、棱鏡等光學元件。

鍺具有吸收系數和折射率隨溫度的改變而急劇變化的特性，致使其透射率也會隨著溫度的變化而變化，如圖1所示。

由圖1可見，隨著溫度上升，鍺材料的透射率下降，在300℃條件下，在8～12μm波段幾乎完全失透，在3～5μm波段透射率僅為25℃時的20%左右，故鍺不宜在高溫下使用。

目前，國內制備紅外鍺單晶材料的主要方法為直拉法（Czochrolski法），相應的生產設備（單晶爐）和生產工藝已臻成熟、完善。為適應紅外光學儀器高分辨率和遙感技術的要求，紅外鍺單晶正向大尺寸化發展，直徑Ф250mm的鍺單晶已有商品化銷售，最大制備鍺單晶尺寸達到了Ф350mm。

2.2 硅單晶材料（Si）

與鍺類似，硅也是一種金剛石結構的半導體晶體材料，化學性質穩定，不溶于水，而且不溶于大多數酸類溶液，但溶于氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。透射波長范圍為1.1～15μm，在15μm波長處有一吸收峰存在。硅的折射率也比較穩定，約為3.4，色散系數較小，在3～5μm波段被普遍用于制作透鏡、窗口等。

硅的紅外光學性能良好，且其機械強度較好，光學性能受溫度影響的性能優于鍺，因此除用于透鏡材料外，還被普遍用于紅外導引頭的整流罩。

2.3 硒化鋅（ZnSe）

硒化鋅（ZnSe）是一種多晶材料，一般采用熱壓法（HP）、物理及化學氣相沉積法（PVD、CVD）等技術制備。其透射波長范圍為0.48～21μm，在透射波長范圍內的折射率約為2.44，色散較小，吸收系數較小，是一種性能十分優異的紅外光學材料，廣泛應用于透鏡及窗口光學元件的制作，是3～5μm波段不可替代的光學材料。

隨著多晶材料制備技術的發展，已可制造出紅外光學性能接近單晶的多晶ZnSe、ZnS材料，在機械性能、熱性能和加工性能方面還優于單晶。但國內目前的多晶ZnSe、ZnS材料制備工藝尚不成熟，產品質量有待提高，特別是大尺寸多晶材料的制備技術與國外先進技術相比，仍有較大差距。而由于這些材料在國防技術上的敏感性，國外對中國的采購仍有限制，阻礙了其在更大范圍的應用。

2.4 硫化鋅（ZnS）

與硒化鋅（ZnSe）相似，硫化鋅（ZnS）也是一種采用熱壓法（HP）、物理及化學氣相沉積法（PVD、CVD）制備的多晶材料。材料呈淺紅色，透射波段為2～10μm，經熱處理后還能透射可見光，是多光譜光學系統（白光、紅外光）的理想光學材料。在紅外波段的折射率約為2.25，色散較小，紅外光學性能良好，制作光學元件時易加工，光學系統易裝校。特別值得一提的是，硫化鋅材料在透射波段的透射率非常高，已接近理論上可能達到的最大值。

硒化鋅和硫化鋅均有一定的毒性，在加工過程中應特別注意安全防護。

3 常用紅外光學材料的加工技術

光學材料是光學機械的加工對象。材料制備出來后，需采用特定的加工方法，將其制作成所需要的紅外光學元件，達到光學設計要求的面形精度、尺寸精度、表面光潔度等。將常用紅外光學材料加工成光學元件的技術，與可見光波段普通光學玻璃元件的加工技術并沒有本質的差異，仍以研磨拋光加工為主。只不過由于常用紅外光學材料多為晶體材料，其加工性能與玻璃材料有所不同，且普遍采用了非球面，使其加工技術具有了一些新的特點。

目前對常用紅外光學材料進行加工，獲得理想光學表面的技術主要有古典法精磨拋光、單點金剛石切削加工、數控研磨拋光等。

3.1 古典法精磨拋光

古典法是一種非常傳統的加工玻璃光學元件的方法，雖然其加工效率不高，但由于其采用粘彈性較好的柏油拋光模，拋光轉速、壓力較小，且拋光液不循環使用（不會造成拋光液的污染），所以可獲得較高的面形精度和較好的表面光潔度，比較適合于紅外晶體材料光學元件的加工。目前在實際生產中，對球面紅外光學元件的加工，基本采用這種方法。

由于常用紅外光學晶體材料的表面硬度等理化性能與玻璃相比，有較大差異，所以在采用古典法精磨拋光紅外光學元件時，加工工藝與精磨拋光玻璃時有所不同，最主要的區別是拋光粉不使用或較少使用氧化鈰（CeO2）、氧化鐵（Fe2O3）等常用拋光粉，而改用氧化鋁（Al2O3）、氧化鉻（Cr2O3）等材料作為拋光粉，而且拋光液酸堿度的控制也有所不同。另外，由于晶體材料的固有特性，容易由于應力作用而脆裂損壞，所以在加工過程中，一定要注意防止溫度驟變，清洗零件和調制拋光液時，最好使用溫水，并保持加工工房的恒溫條件。

為提高古典法精磨拋光的生產效率，有些工廠采用了“組合式”加工的方法，即先采用單件高效拋光等高效率的加工方法進行粗加工，然后再采用古典法進行精密修正的工藝。這種嘗試也是值得肯定的。

3.2 單點金剛石切削加工

紅外光學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實現，技術成熟、可靠，不存在大的技術難題。而非球面則由于只有一個對稱軸，且各點曲率均不相同，給加工和檢測帶來了極大的困難。隨著精密機械加工技術、數控加工技術及刀具技術的不斷發展，80年代初，一種用天然單晶金剛石作刀具，在計算機控制下車削加工光學表面的新技術開始在國外得到發展，并在90年代推出了商品化的設備。主要的設備制造商有英國的Taylor-hobson公司、美國的Moor公司、Precitech公司等。

這種設備采用了空氣軸承、靜力液壓懸浮導軌、實時反饋伺服等新技術，使設備加工精度得到極大提高。同時，由于采用硬度很高的天然單晶金剛石作刀具，車削過程中的刀具磨損、變形基本可忽略不計，保證了刀刃可在計算機的控制下精確地走出復雜的輪廓曲線（非球面等），從而可加工出高精度的各種復雜表面，并得到近似于拋光后的表面質量。目前，采用這種方法加工出的非球面光學元件，其面形精度可達0.1μm（pv），表面粗糙度達0.005μm（Ra），可滿足紅外光學系統的成像要求。同時，單點金剛石切削加工具有其它非球面加工方法所不能比擬的高效率和經濟性，使它成為鍺（Ge）、硒化鋅（ZnSe）、硫化鋅（ZnS）等材料非球面紅外光學元件最重要的加工方法。

3.3 數控研磨拋光

單點金剛石車削加工非球面雖具有效率高、經濟性好等優點，但它也有一些局限，如不能加工含碳的材料，加工后的表面有車刀痕（會影響3～5μm波段的使用），對硅、光學玻璃、石英玻璃等的加工效果不理想等。這種情況下就必須采用精密數控研磨拋光的辦法加工非球面。

這種加工方法是用計算機控制的精密磨頭先將零件表面磨削成所要求的非球面面形，再用一個尺寸比被加工零件小得多的拋光模，在計算機的控制下，以一定的路徑、速度、壓力（駐留函數）拋光工件表面，精確地去除多余材料，從而實現高精度非球面的拋光。其關鍵技術在于需要有高精度的數控機床、與加工匹配的實時檢測反饋、可靠的駐留函數和去除函數建模及精密工具（磨輪、拋光模等）制造。

這種方法是目前加工硅單晶材料非球面光學元件最主要的方法，其面形精度可達0.2μm（pv）以上。但和單點金剛石切削加工相比，效率較低，加工成本較高，加工小零件的效果不太理想。

4 結束語

了解紅外光學材料的種類、性質及其加工工藝性，并據此選擇適合的加工方法，對于紅外光學元件的加工技術研究是十分必要的。隨著現代材料技術和加工技術的不斷進步，新材料和新加工技術也一定會不斷涌現，這將大力推動紅外光學技術的發展，使其更好地為國民經濟和社會生活服務。

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