【摘 要】本文介绍了红外光学材料的分类，重点分析了几种常用红外光学晶体材料的基本光学特性和理化性质，并叙述了将其制作成红外光学元件的几种主要加工技术。
【关键词】红外光学材料;特性;晶体;光学元件;加工
中图分类号： TJ765.331 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457
锗是一种半导体晶体材料，在红外光学仪器中使用的锗单晶为N型，晶相为（111），其结构为金刚石结构，在红外波段有良好的透明性，不溶于水，化学性质稳定，透射波长范围为1.8～25μm，在透射波长范围内的折射率约为4，色散较小，是一种优良的红外光学材料，在8～14μm波段工作的红外光学仪器中使用量最大，广泛用于制作红外透镜、窗口、棱镜等光学元件。
锗具有吸收系数和折射率随温度的改变而急剧变化的特性，致使其透射率也会随着温度的变化而变化，如图1所示。
由图1可见，随着温度上升，锗材料的透射率下降，在300℃条件下，在8～12μm波段几乎完全失透，在3～5μm波段透射率仅为25℃时的20%左右，故锗不宜在高温下使用。
目前，国内制备红外锗单晶材料的主要方法为直拉法（Czochrolski法），相应的生产设备（单晶炉）和生产工艺已臻成熟、完善。为适应红外光学仪器高分辨率和遥感技术的要求，红外锗单晶正向大尺寸化发展，直径Ф250mm的锗单晶已有商品化销售，最大制备锗单晶尺寸达到了Ф350mm。
2.2 硅单晶材料（Si）
与锗类似，硅也是一种金刚石结构的半导体晶体材料，化学性质稳定，不溶于水，而且不溶于大多数酸类溶液，但溶于氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。透射波长范围为1.1～15μm，在15μm波长处有一吸收峰存在。硅的折射率也比较稳定，约为3.4，色散系数较小，在3～5μm波段被普遍用于制作透镜、窗口等。
硅的红外光学性能良好，且其机械强度较好，光学性能受温度影响的性能优于锗，因此除用于透镜材料外，还被普遍用于红外导引头的整流罩。
2.3 硒化锌（ZnSe）
硒化锌（ZnSe）是一种多晶材料，一般采用热压法（HP）、物理及化学气相沉积法（PVD、CVD）等技术制备。其透射波长范围为0.48～21μm，在透射波长范围内的折射率约为2.44，色散较小，吸收系数较小，是一种性能十分优异的红外光学材料，广泛应用于透镜及窗口光学元件的制作，是3～5μm波段不可替代的光学材料。
随着多晶材料制备技术的发展，已可制造出红外光学性能接近单晶的多晶ZnSe、ZnS材料，在机械性能、热性能和加工性能方面还优于单晶。但国内目前的多晶ZnSe、ZnS材料制备工艺尚不成熟，产品质量有待提高，特别是大尺寸多晶材料的制备技术与国外先进技术相比，仍有较大差距。而由于这些材料在国防技术上的敏感性，国外对中国的采购仍有限制，阻碍了其在更大范围的应用。
2.4 硫化锌（ZnS）
与硒化锌（ZnSe）相似，硫化锌（ZnS）也是一种采用热压法（HP）、物理及化学气相沉积法（PVD、CVD）制备的多晶材料。材料呈浅红色，透射波段为2～10μm，经热处理后还能透射可见光，是多光谱光学系统（白光、红外光）的理想光学材料。在红外波段的折射率约为2.25，色散较小，红外光学性能良好，制作光学元件时易加工，光学系统易装校。特别值得一提的是，硫化锌材料在透射波段的透射率非常高，已接近理论上可能达到的最大值。
硒化锌和硫化锌均有一定的毒性，在加工過程中应特别注意安全防护。
3 常用红外光学材料的加工技术
光学材料是光学机械的加工对象。材料制备出来后，需采用特定的加工方法，将其制作成所需要的红外光学元件，达到光学设计要求的面形精度、尺寸精度、表面光洁度等。将常用红外光学材料加工成光学元件的技术，与可见光波段普通光学玻璃元件的加工技术并没有本质的差异，仍以研磨抛光加工为主。只不过由于常用红外光学材料多为晶体材料，其加工性能与玻璃材料有所不同，且普遍采用了非球面，使其加工技术具有了一些新的特点。
目前对常用红外光学材料进行加工，获得理想光学表面的技术主要有古典法精磨抛光、单点金刚石切削加工、数控研磨抛光等。
3.1 古典法精磨抛光
古典法是一种非常传统的加工玻璃光学元件的方法，虽然其加工效率不高，但由于其采用粘弹性较好的柏油抛光模，抛光转速、压力较小，且抛光液不循环使用（不会造成抛光液的污染），所以可获得较高的面形精度和较好的表面光洁度，比较适合于红外晶体材料光学元件的加工。目前在实际生产中，对球面红外光学元件的加工，基本采用这种方法。
由于常用红外光学晶体材料的表面硬度等理化性能与玻璃相比，有较大差异，所以在采用古典法精磨抛光红外光学元件时，加工工艺与精磨抛光玻璃时有所不同，最主要的区别是抛光粉不使用或较少使用氧化铈（CeO2）、氧化铁（Fe2O3）等常用抛光粉，而改用氧化铝（Al2O3）、氧化铬（Cr2O3）等材料作为抛光粉，而且抛光液酸碱度的控制也有所不同。另外，由于晶体材料的固有特性，容易由于应力作用而脆裂损坏，所以在加工过程中，一定要注意防止温度骤变，清洗零件和调制抛光液时，最好使用温水，并保持加工工房的恒温条件。
为提高古典法精磨抛光的生产效率，有些工厂采用了“组合式”加工的方法，即先采用单件高效抛光等高效率的加工方法进行粗加工，然后再采用古典法进行精密修正的工艺。这种尝试也是值得肯定的。
3.2 单点金刚石切削加工
红外光学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实现，技术成熟、可靠，不存在大的技术难题。而非球面则由于只有一个对称轴，且各点曲率均不相同，给加工和检测带来了极大的困难。随着精密机械加工技术、数控加工技术及刀具技术的不断发展，80年代初，一种用天然单晶金刚石作刀具，在计算机控制下车削加工光学表面的新技术开始在国外得到发展，并在90年代推出了商品化的设备。主要的设备制造商有英国的Taylor-hobson公司、美国的Moor公司、Precitech公司等。
这种设备采用了空气轴承、静力液压悬浮导轨、实时反馈伺服等新技术，使设备加工精度得到极大提高。同时，由于采用硬度很高的天然单晶金刚石作刀具，车削过程中的刀具磨损、变形基本可忽略不计，保证了刀刃可在计算机的控制下精确地走出复杂的轮廓曲线（非球面等），从而可加工出高精度的各种复杂表面，并得到近似于抛光后的表面质量。目前，采用这种方法加工出的非球面光学元件，其面形精度可达0.1μm（pv），表面粗糙度达0.005μm（Ra），可满足红外光学系统的成像要求。同时，单点金刚石切削加工具有其它非球面加工方法所不能比拟的高效率和经济性，使它成为锗（Ge）、硒化锌（ZnSe）、硫化锌（ZnS）等材料非球面红外光学元件最重要的加工方法。
3.3 数控研磨抛光
单点金刚石车削加工非球面虽具有效率高、经济性好等优点，但它也有一些局限，如不能加工含碳的材料，加工后的表面有车刀痕（会影响3～5μm波段的使用），对硅、光學玻璃、石英玻璃等的加工效果不理想等。这种情况下就必须采用精密数控研磨抛光的办法加工非球面。
这种加工方法是用计算机控制的精密磨头先将零件表面磨削成所要求的非球面面形，再用一个尺寸比被加工零件小得多的抛光模，在计算机的控制下，以一定的路径、速度、压力（驻留函数）抛光工件表面，精确地去除多余材料，从而实现高精度非球面的抛光。其关键技术在于需要有高精度的数控机床、与加工匹配的实时检测反馈、可靠的驻留函数和去除函数建模及精密工具（磨轮、抛光模等）制造。
这种方法是目前加工硅单晶材料非球面光学元件最主要的方法，其面形精度可达0.2μm（pv）以上。但和单点金刚石切削加工相比，效率较低，加工成本较高，加工小零件的效果不太理想。
4 结束语
了解红外光学材料的种类、性质及其加工工艺性，并据此选择适合的加工方法，对于红外光学元件的加工技术研究是十分必要的。随着现代材料技术和加工技术的不断进步，新材料和新加工技术也一定会不断涌现，这将大力推动红外光学技术的发展，使其更好地为国民经济和社会生活服务。
【参考文献】
[1]蔡立，耿素杰，付秀华.光学零件加工技术[M].北京：兵器工业出版社，2006.
[2]张志坚.红外光学材料的现状与发展[J].云南冶金，2000，29（5）：35-41.
[3]李应选.红外光学元件的精密切削加工与镀膜[J].光电子技术与信息，2001，14（1）：35-39.
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