红外光学材料第二章.docVIP

第二章 红外光学材料的光学性质 2.1引言 首先我们要熟悉红外光学材料的光学性质，确定该种材料所适用的光学波段，其后才能考虑它的力学、热学性质。在相同使用波段情况下，在各个材料之间进行选择，光学性质是红外光学材料最重要的基本性质。 红外光学材料的光学性质是一个广泛的说法，它实际上包含的内容很多。有光的反射、理论透过率、吸收系数以及与温度的关系、透过率与温度的关系、折射指数以及折射指数的色散关系和温度的关系、发射率和红外光学材料的微波介电性质等。在本章中试图对上述这些性质作尽可能详细的讨论。对于每一种材料，希望能给出具体的实验数据。 2.2反射损失 在第一章的式（1-49）中表示了垂直入射光通过两种不同介质（其折射指数分别为n1和n2）界面时所产生的反射和透射。其反射系数和透过率为 （2-1） 在求得上式的过程中是假定介质电导率。因而光在介质中传播时没有损耗。在电导率的情况下，取空气折射指数为1，在界面的反射系数可表示为 （2-2） 式中:k为消光系数（见1.4节），；β为吸收系数,对于红外光学材料β值通常为10-1～10-4,因之，消光系数k的数值在4×10-6～4×10-9之间。K与(n-1)2、 (n+1)2相比是一个非常小的量。因而，在反射系数的计算中完全可以忽略。于是，单面反射系数通常可以表示为 （2-3） 这里R是垂直入射时的反射系数。如果入射光是斜入射，由于光的偏振现象（s-极化和p-极化）。反射系数R就变得复杂。入射角α＜30o时，可以用式（2-3）来计算。 另外，（式2-3）中，认为折射指数为n的介质的厚度是无穷大。因此，界面上只有一次反射。 在实际的应用中，如红外窗口是有一定厚度的两面抛光的平片。在空气中，光线a（假设强度为I）垂直入射到窗口的A面，b光线是A面的反射光，其反射系数是式（2-3）所表示的R。窗口材料对红外光是透明的（虽有吸收但认为吸收很小），进入窗口内部的入射光强度为I－R。这光线到达另一介面B，则会再次发生反射，其反射仍遵守式（2-3），只不过其强度要乘以系数(1－R)。从B面反射向A面的光到达A面会再次反射，回到B面，而透射部分则叠加到在A面的反射光中。在窗口内部往复有反射和透射，其强度逐次减弱，最后考虑了A面和B面的反射后总反射系数r可表示为 (2-4) 从式（2-4）看出，对于两面抛光的红外光学材料，总反射系数rR，但是它并不是R的2倍。反射损失唯一决定于材料的折射指数。因而，理论透过率T＝1－r也就决定于折射指数。对于每一种材料是一个确定的值。在表2-1中列出了一些红外光学材料的折射指数、单面反射系数、双面反射系数及理论透过率。图2-2表示了理论透过率和折射指数的关系。 图2-2 红外光学材料理论透过率与折射指数的关系 表2-1 一些红外光学材料折射指数、单面反射系数、双面反射系数及理论透过率 材料 折射指数n 单面反射率（）/％ 双面反射率（） /％ 理论透过率T/％ 石英 1.5427 4.5 8.6 91.3 Si3N4 2.04 11.7 20.9 79.1 SiC 2.56 19.2 32 68 AlON 1.79 8 14.8 85.2 MgAl2O4 1.698 6.5 12.5 87.5 蓝宝石 1.712 6.9 12.9 87.1 ZrO2 2.0779 12.3 20 80 Y2O3 1.9527 10.3 18.8 81.2 La掺杂Y2O3 1.9527 10.3 18.8 81.2 MgO 1.697 6.6 12.3 87.7 CaF2 1.43 3.13 6.0 94.0 MgF2 1.4 2.7 5.25 94.75 热压MgF2 1.356 2.3 4.5 95.5 GaP 2.90 23.7 38.4 61.6 GaAs 3.276 28.33 44.15 55.85 CVDZnS 2.20 14 24.6 75.4 M－ZnS 2.20 14 24.6 75.4 CVDZnSe 2.40 16.95 29 71 CaTe 2.672 20.7 34.3 65.7 InP 3.425 30 46.2 53.7 Ge 4.0032 36 52.9 47.1 Si 3.426 19.5 46.1 53.9 金刚石 2.376 16.5 28.4 71.6 注意：折射指数和波长有关。这里为了计算反射系数和理论透过率，折射指数的色散引起的误差1％。因而对于中波材料波长取3μm处，对长波材料波长取