导语

你是否在为红外（IR）系统的透镜、窗口或滤光片挑选材料而头疼？同样是“光学玻璃”，在红外波段的表现却大相径庭——透射率、折射率、热膨胀系数（CTE）等关键指标直接决定系统的成像质量、可靠性和成本。今天我们把业内常用的红外材料要点浓缩为实用指南，让你在几分钟内选出最匹配的材质，避免在后期调试、维修甚至更换元件上浪费时间和资金。

图1: 电磁波谱

一、红外光学为何“选材”如此重要？

• 波长大、能量高：红外波长 0.75–1000 µm 是可见光的 10–1 000 倍，同一材料在这一区间的光学特性往往与可见光截然不同。

• 透射率决定光通量：若材料在工作波段的透射率低于 80%，系统整体光强会被大幅削弱，导致噪声提升、灵敏度下降。

图2: 无镀膜硅的透射率曲线

• 折射率与系统体积：高折射率材料可以用更少的透镜或更薄的窗口实现相同光学功率，从而减轻重量、降低成本。

图3:从低折射率介质到高折射率介质的光线折射

•热属性影响稳定性：红外系统常伴随高功率激光或热成像探测器，温度波动会导致折射率漂移（dn/dT），进而引起聚焦偏移或波前畸变。

实战提醒：一次选错材料，往往要在后期通过加装补偿透镜、温度控制或更换元件来纠正，成本和工期都可能翻倍。

二、四大评估维度——从数据到决策

【强调】在实际选型时，这四个指标往往互相制约，需要根据具体应用场景进行权衡。

三、材料选型“三步走”

第一步：明确热环境

• 高温/温度波动：如果系统位于工业炉、户外或激光功率大，优先考虑低CTE、低dn/dT的材料，如氟化钙(CaF₂)、熔融石英(Fused Silica)。

• 低温/极寒：在空间或低温实验平台，材料的热收缩系数仍需匹配支撑结构，避免因收缩不均导致应力破裂。

第二步：锁定工作波段

案例：在 4–5 µm 的气体吸收光谱仪中，Germanium的透射率超 90%，而Sapphire在此波段的透射率仅 ~30%，因此前者是首选。

第三步：考虑折射率与系统结构

• 高n材料（如 Germanium n≈4）可以大幅度压缩透镜曲率半径，使系统更紧凑。

• 低n材料（如 MgF₂ n≈1.41）适合做薄窗或前置滤光片，避免强折射导致光路偏移。

技巧：若系统对体积要求极高，可采用组合材料（如在前端使用低 n 的 MgF₂ 玻璃作防护窗，后端用高 n 的 Germanium 聚焦），既保障机械强度，又利用高 n 实现紧凑光路。

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)

四、常用红外材料速览（属性+典型应用）

温馨提示：表格中的数值均为典型参考值，实际采购时请结合供应商提供的最新技术规格书。

五、应用场景拆解

1.红外成像系统

• 需求：高透射、低噪声、耐高温。

• 最佳材料：Germanium（MWIR–LWIR）配合Sapphire作为前端防护窗，兼顾硬度与热稳定。

2.光谱分析仪（FTIR）

• 需求：宽波段覆盖（2–20 µm）、低色散、易加工。

• 最佳材料：氟化钙（CaF₂）与氟化镁（MgF₂）组合，前者提供低吸收，后者提供高耐磨。

3.激光窗口与防护

• 需求：高功率耐受、低反射、耐腐蚀。

• 最佳材料：Sapphire（高硬度、耐划伤）+ZnSe（对 CO₂ laser 具极低损耗）。

4.医疗/生物红外检测

• 需求：生物相容、轻质、成本可控。

• 最佳材料：硅（Si）或MgF₂，兼顾成本与光学性能，且易于与微加工技术结合。

六、选材实战技巧

1.先画光路图：把系统所有光学元件（透镜、窗口、滤光片）列出，标明每段波长范围。

2.做属性矩阵：把“透射率、折射率、CTE、硬度”等关键指标填入矩阵，对比每种候选材料的优势与劣势。

3.考虑加工工艺：有些高折射率材料（如 Germanium）加工成本高，若系统对精度要求不高，可用成本更低的Silicon替代。

4.预留余量：在选型时给出 5–10% 的透射余量，以应对涂层老化或表面污染导致的衰减。

5.温度补偿设计：对 dn/dT 较大的材料（如 Germanium），可在光路中加入负dn/dT的材料作温度补偿，保持焦点稳定。

结语&行动号召

选对材料，是红外光学系统“高性能+低成本”的关键第一步。无论是科研实验、工业检测，还是安防、航空航天产品，掌握这套评估体系，都能让你的方案在竞争中脱颖而出。