4.2 红外与太赫兹常用材料¶
工作在中波红外（3–5 μm）、长波红外（8–14 μm）和太赫兹（0.1–3 THz）波段的光学系统，普通光学玻璃完全不适用。这些波段需要专用材料，其选型核心是在工作波段内具备低吸收、合适的折射率和足够的机械强度，同时兼顾加工难度和成本。
一、中波红外（3–5 μm）常用材料¶
1.1 硅（Si）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 透过波段 | 1.2–8 μm |
| 折射率（4 μm） | 3.43 |
| 密度 | 2.33 g/cm³ |
| 努氏硬度 | 1150 |
| 热膨胀系数 | 2.6×10⁻⁶/K |
硅是中波红外最常用的透镜材料，折射率高（单面反射损失约 30%，必须镀增透膜）。加工成熟，成本低。在 8 μm 以上强烈吸收，不适用于长波红外。
1.2 锗（Ge）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 透过波段 | 2–14 μm |
| 折射率（10 μm） | 4.00 |
| 密度 | 5.33 g/cm³ |
| 努氏硬度 | 780 |
| 热膨胀系数 | 6.1×10⁻⁶/K |
| dn/dT | +396×10⁻⁶/K（极高） |
锗是长波红外系统首选透镜材料，中波到长波均透明。缺点是折射率温度系数极大（热离焦问题显著），在宽温度范围工作的系统需要无热化设计。密度大（5.33 g/cm³），重量是轻量化设计的制约。
1.3 硒化锌（ZnSe）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 透过波段 | 0.6–20 μm |
| 折射率（10 μm） | 2.40 |
| 透过率（无镀膜，10 μm） | ~71%/面（折射率决定） |
ZnSe 透过范围最宽（可见光至远红外），是 CO₂ 激光（10.6 μm）系统的标配窗口和聚焦镜材料，折射率适中，镀膜后损耗低。但硬度较低（Knoop ~120），易划伤。
1.4 硫化锌（ZnS）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 透过波段 | 0.4–12 μm（多晶 CVD 型） |
| 透过波段 | 8–12 μm（Cleartran 型，多晶改进） |
ZnS 兼顾可见光和红外，常用于需要双波段（可见+红外）透过的导弹窗口和飞机光电吊舱整流罩。耐雨蚀和沙蚀性能好于 ZnSe。
二、长波红外（8–14 μm）专用材料¶
2.1 硫化铅（PbS）和碲化铅（PbTe）¶
主要用于探测器材料（见 3.4），光学元件应用较少。
2.2 溴化钾（KBr）和氯化钠（NaCl）¶
| 材料 | 透过波段 | 局限 |
|---|---|---|
| KBr | 0.25–25 μm | 极易潮解，仅用于实验室 |
| NaCl | 0.25–16 μm | 潮解，用于 FTIR 光谱仪样品池 |
这类卤化物晶体透过范围极宽，但对湿度极敏感，只适用于干燥受控实验室环境。
2.3 氟化镁（MgF₂）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 透过波段 | 120 nm – 7 μm |
| 双折射 | 是（单轴晶体） |
| 硬度 | 415 Knoop |
用于紫外至中红外宽谱系统，及增透膜材料（详见 4.8 光学薄膜）。
三、太赫兹（0.1–3 THz）常用材料¶
太赫兹波段对材料的要求与红外不同：光子能量极低，大多数材料对太赫兹都是半透明的，关键是找到低吸收系数且折射率均匀的材料。
3.1 高阻硅（HR-Si）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 折射率（THz） | 3.42（频率无关） |
| 吸收系数 | <0.03 cm⁻¹（纯净高阻型） |
| 特点 | 折射率平坦，色散极小 |
高电阻率硅（>10 kΩ·cm）是太赫兹系统最常用的透镜和窗口材料。折射率在太赫兹频段几乎恒定，无色散，是非常理想的材料。普通掺杂硅自由载流子吸收大，不可用。
3.2 聚乙烯（HDPE / UHMWPE）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 折射率（THz） | ~1.52 |
| 吸收系数 | <0.5 cm⁻¹ |
| 特点 | 价廉，易加工，可制作太赫兹透镜 |
高密度聚乙烯是太赫兹系统中最常见的聚合物材料，用于制作准直透镜、窗口片，成本极低。
3.3 聚四氟乙烯（PTFE / Teflon）¶
太赫兹漫射体标准材料，强漫散射特性使其常用作太赫兹参考板。
3.4 石英晶体（c 轴取向）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 折射率（THz，o 光） | ~2.11（伴随色散） |
| 特点 | 双折射，可用于太赫兹波片 |
3.5 GaAs 和 ZnTe¶
太赫兹产生与探测的电光晶体（光整流产生太赫兹，电光采样探测太赫兹），见 7.7 太赫兹产生与探测。
四、各波段材料速查¶
| 波段 | 首选透镜/窗口材料 | 备选 |
|---|---|---|
| 3–5 μm（MWIR） | Si、蓝宝石 | ZnS、ZnSe |
| 8–14 μm（LWIR） | Ge | ZnSe、ZnS |
| 3–14 μm（双波段） | ZnSe | ZnS |
| 太赫兹（0.1–3 THz） | 高阻 Si | HDPE |
| 高功率 CO₂ 激光（10.6 μm） | ZnSe | GaAs |
参考资料¶
- Palik, Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press
- Davies, Infrared Techniques and Electro-Optic Systems, SPIE
- Siegel, "Terahertz Technology", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002
更新时间¶
2026-03-03