選擇正確的紅外線(IR)正確材料

紅外（IR）簡介

紅外（IR）波段是波長介於 0.750 -1000μm (750 - 1000000nm) 之間。由於檢測器波段範圍的限制，IR照射通常分為以下三個較小的區域：0.750 - 3μm、3 - 30μm 和 30 - 1000μm 分別定義為近紅外（NIR）、中波紅外（MWIR）與遠紅外（FIR）（圖 1）。紅外產品廣泛用於從熱像的 IR 信號檢測到 IR 光譜學的元素識別等多種應用。隨著 IR 應用需求的發展和技術進步，製造商已開始使用 IR 材料設計平面光學元件，例如窗鏡、反射鏡、偏振片、分光鏡、稜鏡）、球面透鏡（平凹/平凸透鏡、雙凹/雙凸透鏡、彎月透鏡等）、非球面透鏡（拋物面、雙曲面、混合透鏡）、消色差透鏡以及裝配組件（成像鏡頭、擴束鏡、目鏡、物鏡等）。這些 IR 材料或基材的物理特性各不相同。因此，瞭解每種材料的特性可為任何 IR 應用選擇正確的材料。

圖 1：電磁波頻譜

使用正確材料的重要性

由於紅外光的波長比可見光長，因此在通過相同的光學介質傳播時，所產生效果不同。有些材料可用於 IR 應用或可見光應用（最常見為熔融石英、BK7 和藍寶石），但使用更適合應用的材料可以優化光學系統的性能。瞭解正確材料的重要性，還要考慮穿透率、折射率、色散與梯度折射率。如需瞭解更多有關材料規格與特性的詳細資訊，請查看光學玻璃。

穿透率

定義任何材料時，最重要的特性就是穿透率。穿透率是光通量的衡量指標，由入射光的百分比指定。IR 材料在可見光波段通常是不透明的，而可見光材料在 IR 通常也是不透明的；換言之，這些材料在這些波長區域表現出的穿透率接近 0%。舉例而言，矽能穿透 IR，但不能穿透可見光（圖 2）。

圖 2：無鍍膜矽的穿透率曲線

折射率

雖然主要根據穿透率將材料歸類為 IR 材料或可見光材料，但折射率（nd）也是重要特性。折射率是指光在真空中的速度與光在指定介質中的速度之比。使用折射率可以量化光線從低折射率介質進入高折射率介質時「減緩速度」的效果。也可以量化以傾斜方向射向表面時折射的光線量，n_d 越高，折射的光線越多（圖 3）。

$Light Refraction from a Low Index to a High Index Medium$

圖 3：從低折射率介質到高折射率介質的光線折射

可見光材料的折射率大約介於 1.45 - 2 之間，IR 材料的折射率大約介於 1.38 - 4 之間。大多數情況下，折射率與密度存在正相關的關係，這意味著 IR 材料較可見光材料更重；但更高的折射率也意味著可以使用更少的透鏡元件（從而降低整體系統重量與成本）實現繞射極限性能。

色散

色散用於衡量材料的折射率隨波長變化的幅度。還能用來判定色像差不同顏色的分離狀況。定量而言，色散與色散係數（vd）成反比，是材料在 f (486.1nm)、d (587.6nm) 和 c (656.3nm) 波長時折射率的函數（等式 1）。

(1)$$ v_d = \frac{n_d - 1}{n_f - n_c} $$

色散係數大於 55（色散較少）的材料視為冕材料，色散係數小於 50（較多色散）的材料視為燧石材料。可見光材料的色散係數大約介於 20 - 80 之間，IR 材料的色散係數大約介於 20 - 1000 之間。

折射率梯度

介質的折射率會隨著溫度的變化而不同。系統在不穩定的環境中工作時，此折射率梯度（dn/dT）可能會產生問題，尤其是在系統針對單一 n 值進行設計的情況下，更是如此。遺憾的是，IR 材料的 dn/dT 值通常大於可見光材料，紅外比較表）內的「重要材料性質」表中對能用於可見光的 N-BK7 與只能穿透 IR 的（鍺材料進行了比較。

如何選擇正確的材料

選擇正確的 IR 材料時，需要考慮以下三個簡單要點。由於與可見光相比，用於紅外光的材料可以實際選擇的範圍會小得多，雖然看似選擇簡單了，但這些材料通常會受限於製造和材料成本等原因而更為昂貴。

1.熱性質 – 光學材料經常放置在溫度發生變化的環境中。而人們更普遍擔心的一點是 IR 應用常常會產生大量的熱。應對材料的折射率梯度和熱膨脹係數（CTE）進行評估，以確保提供所需的性能以滿足使用者的需求。CTE 是材料在溫度變化時發生膨脹或收縮的比率。例如，鍺材料的折射率梯度非常高，若在不穩定的熱環境中使用，可能會導致光學性能降級。
穿透率 – 不同的應用可在不同的 IR 光譜區域進行作業。視所用波長而定，某些 IR 基材的性能更佳（圖 4）。例如，若系統將在 MWIR 區域進行作業，則使用鍺材料比使用藍寶石材料更理想，後者更適用於 NIR 區域。
折射率 – IR 材料在折射率方面的變化遠大於可見光材料，因此在系統設計方面更有彈性，可進行更多變化。可見光材料（例如 N-BK7）適用於所有可見光光譜，但 IR 材料與此不同，通常僅適用於 IR 光譜內的窄小頻帶，特別是在應用於抗反射膜時效果更佳。

圖 4：紅外基材比較（適用於 N-BK7 的波長範圍也適用於可見光波長所用的諸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等絕大部分基材）

紅外比較

雖然有許多 IR 材料，但只有一小部分可供光學元件、成像和光電行業用於製造現成可用型元件。氟化鈣、熔融石英、鍺、氟化鎂、N-BK7、溴化鉀、藍寶石、矽、氯化鈉、硒化鋅和硫化鋅均有各自的特性，這些特性不僅能使這些材料彼此區分，還能使其適用於特定應用。以下表格提供了一些常用基材的比較。

重要 IR 材料性質
名稱	折射率（n_d）	色散係數（v_d）	密度（g/cm³）	CTE （x 10^-6/°C）	dn/dT （x 10^-6/°C）	努氏硬度
氟化鈣（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
鍺（Ge）	4.003	N/A	5.33	6.1	396	780
氟化鎂（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
溴化鉀（KBr）	1.527	33.6	2.75	43	-40.8	7
藍寶石	1.768	72.2	3.97	5.3	13.1	2200
矽（Si）	3.422	N/A	2.33	2.55	160	1150
氯化鈉（NaCl）	1.491	42.9	2.17	44	-40.8	18.2
硒化鋅（ZnSe）	2.403	N/A	5.27	7.1	61	120
硫化鋅（ZnS）	2.631	N/A	5.27	7.6	38.7	120

IR 材料比較
名稱	特性 / 典型應用
氟化鈣（CaF₂）	低吸收；高折射率均勻度
氟化鈣（CaF₂）	用於光譜學、半導體處理和冷卻熱成像
熔融石英（FS）	CTE 低，在 IR 中具有出眾的穿透率
熔融石英（FS）	用於干涉測量、雷射儀器、光譜學
鍺（Ge）	高折射率、高努氏硬度、中波到長波紅外波段的穿透率出眾
鍺（Ge）	用於熱像、惡劣環境的IR成像
氟化鎂（MgF₂）	寬泛的穿透範圍、耐高能輻射
氟化鎂（MgF₂）	用於無需抗反射膜的窗鏡、透鏡和偏振片
N-BK7	低成本材料，適用於可見光和 NIR 應用
N-BK7	用於機器視覺、顯微鏡、工業應用
溴化鉀（KBr）	抗機械震動、水溶性、寬泛的穿透範圍
溴化鉀（KBr）	用於 FTIR 光譜學
藍寶石	非常耐用，在 IR 中具有良好的穿透率
藍寶石	用於 IR 雷射系統、光譜學和惡劣環境設備
矽（Si）	低成本、質量輕
矽（Si）	用於光譜學、MWIR 雷射系統、THz 成像
氯化鈉（NaCl）	水溶性，成本低，在 250nm 至 16μm 的範圍內具有出眾的穿透率，對熱衝擊很敏感
氯化鈉（NaCl）	用於 FTIR 光譜學
硒化鋅（ZnSe）	低吸收、抗熱衝擊
硒化鋅（ZnSe）	CO₂ 雷射系統和熱成像
硫化鋅（ZnS）	在可見光與 IR 範圍具有出眾的穿透率，與 ZnSe 相比更堅硬且具有更強的化學抵抗力
硫化鋅（ZnS）	用於熱像