IR Windows 创新：通过红外 Windows 赋能 2024 年

作者：Pradyumn – 研发实习生

编辑：瞿英丽-研发总监

编辑：Bryan Ng – 营销经理

光学窗口是一种选择性透明元件，其设计允许特定波长的光通过，具体取决于其材料。这些窗口经过精心设计，以保持光学清晰度，承受环境条件，并最大限度地减少通过它们时产生的任何失真或改变。它们主要用于保护精密的光学元件，方便测量，并在各种应用中实现观察或成像。

1. 光学窗口及材料简介

光学窗口允许特定波长的光通过，同时反射、吸收或阻挡其他波长的光。光学窗口可由多种材料制成，例如熔融石英、硅、氟化钙（CaF₂）、锗（Ge）、氯化钾（KCl）、溴化钾（KBr）、蓝宝石（Al₂O₃）、N-BK7 和硒化锌（ZnSe）。

每种材料都有其独特的透射特性，具体选择取决于应用。材料特性，包括透射率、折射率和窗口基板的硬度，对于确定哪种窗口最适合特定应用至关重要。在深入探讨红外窗口（IR窗口）之前，让我们先了解一下其他类型的光学窗口，以便更好地理解整个光学窗口类别。

1.1 其他窗口的简要介绍

对于可见光谱（350nm – 750nm）范围内的透射，N-BK7 和熔融石英通常用作光学窗口的衬底。熔融石英具有高耐热冲击性和高激光损伤阈值（LIDT），因此非常适合用于高功率激光光学器件、可见光成像系统和光谱学等应用。

表1： Wavelength Opto-Electronic 熔融石英（WFS 系列）和 N-BK7（WBK 系列）Windows

另一方面，N-BK7 由于其在可见光谱（约 350 – 2200nm）内具有出色的光学传输性能，可用于相机镜头、滤光片和通用可见光光学器件。 BK7也比较硬，表现出良好的抗划伤性。 但是，不建议用于精密镜子等温度敏感应用。

2. 红外窗口

对于红外光谱范围内的应用，常用的材料包括ZnSe、Al₂O₃、Si和Ge。理想的红外窗口应允许所有红外辐射零损耗地穿过。此类窗口通常用于隔离压力或温度不同的环境，同时允许特定电磁波长的光能穿过这两个环境。

表2： Wavelength Opto-Electronic Al₂O₃（WSP系列）和ZnSe（WZ系列）窗口

此外，它们还可以检查电气柜内的带电、通电组件和连接，而无需拆除其盖子。 将这些窗户用于工业用途时，确保它们满足所安装设备所需的强度和环境标准至关重要。这些窗户有各种尺寸和厚度，以确保正确安装。

2.1 红外窗口与其他窗口的区别

红外光可分为近红外 (NIR)、短波红外 (SWIR)、中波红外 (MWIR)、长波红外 (LWIR) 和远红外 (FIR) 波段。在红外波段应用中，锗 (Ge)常被用作光学窗口的衬底材料。与其他材料（例如熔融石英和 N-BK7）不同，后者允许可见光和紫外光透过，而锗和硅 (Si) 对紫外光和可见光不透明，但在红外波段具有很宽的透射范围。

诸如Al₂O₃、ZnSe、硫化锌(ZnS)和CaF₂等材料具有宽广的透射带，其中CaF₂和Al₂O₃的透射带范围从紫外到中波红外(MWIR)，而ZnSe和ZnS的透射带范围从可见光到长波红外(LWIR) 。因此，仅需透射红外波的应用应使用锗(Ge)或硅(Si)窗口。

2.2 Ge IR Windows 和应用程序

从透射曲线可以看出，锗对波长大于2µm的光具有长通滤波作用。由于其折射率高（2µm至14µm范围内为4.0），色差极小，因此通常采用抗反射涂层。此外，锗还具有耐刮擦性，并且对空气、水、碱和多种酸呈惰性。其相对较高的密度（5.323 g/cm³ ^）在对重量有严格要求的应用中应予以考虑。

表3： Wavelength Opto-Electronic 锗红外（WGE系列）Windows

此外，锗的透射特性受温度影响显著。当温度达到100°C时，吸收率显著增加，锗几乎变为不透明；在200°C时，其透射性能完全丧失。锗光学窗口广泛应用于国防和航空航天工业、生命科学和医学、工业OEM以及其他各种红外应用领域。其折射特性使其适用于广角镜头和显微镜。在热成像系统中，锗常用于红外窗口和镜头。

锗窗口最常见的应用之一是低功率二氧化碳_激光系统。由于其激光损伤阈值（LIDT）仅为10 J/cm² ^，锗窗口不适用于高功率或连续波（CW）激光器。部分原因是高功率激光器会导致温度升高，超过100℃时透射性能急剧下降，最终在接近600℃时会损坏衬底本身。另一方面，镀有增透膜的锗窗口非常适合低功率脉冲激光器装置。一个特别值得关注的应用是量子级联激光器（QC），这种激光器广泛应用于高端材料科学领域。

2.3 硅红外窗口和应用

除了锗之外，硅也广泛用于红外窗口。硅是可用于近红外（1µm）至约6µm波段的最坚硬的矿物和光学材料之一。光学级硅通常掺杂（电阻率为5至40欧姆·厘米），以防止在透射波段内出现吸收带。硅的折射率低于锗，密度也更低，这使得光学器件的重量更轻。

硅非常适合用作3至5微米（中波红外）波段的窗口材料和光学滤波器的衬底。硅的低密度（仅为锗或硒化锌的一半）使其成为对重量敏感的应用的理想选择，尤其适用于3至5微米波段的应用。硅的密度为2.329克/立方厘米^，努氏硬度为1150，因此比锗更硬、更不易碎。

由于硅具有高导热性，因此与锗相比，它更适合用于高功率激光器。这在工业检测和监控等领域尤为重要。然而，从其透射光谱可以看出，硅在9µm处有一个强吸收带，这使其不适用于二氧化碳_激光器。

硅窗口的应用十分广泛。它是热成像设备的重要组成部分，能够探测物体和环境的温度变化。此外，它还被广泛应用于红外光谱仪中，用于分析不同材料的成分；在国防和安全领域，它还被用于目标探测和夜视镜。

2.4 锗和硅红外窗口的区别

硅和锗是半导体材料，广泛应用于包括窗口技术在内的多种领域。它们的主要区别在于物理性质和光学特性。硅窗口在短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）波段具有更好的透光性，但在长波红外（LWIR）波段效率较低。另一方面，锗窗口在长波红外波段具有卓越的透光性，使其成为热成像和红外光谱应用的理想选择。

然而，锗通常比硅更昂贵且更易碎。硅是地球表面常见的化合物，而锗是一种稀有材料，常见于铅、银和铜矿藏中。此外，锗的加工成本也高于硅，这使得锗成为一种更昂贵的化合物。硅窗口和锗窗口的选择取决于具体应用需求，例如波长范围、成本和机械耐久性。 

3. 窗户涂层

为了最大限度地提高所需波长范围内的透射率，光学窗口通常会镀上一层抗反射（AR）膜。大多数抗反射膜也非常耐用，能够抵抗物理和环境损伤。因此，绝大多数透射光学元件都包含某种形式的抗反射膜。

在为窗户选择增透膜时，必须全面考虑特定应用的完整工作光谱范围。虽然增透膜可以显著提高光学系统的性能，但在设计波长范围之外使用该膜可能会降低系统性能。建议锗窗使用增透膜。

4. 结论

光学窗口在光学工业中至关重要，并被广泛应用于各种用途。根据透射特性，多种材料可用作光学窗口，以滤除特定波长的光。ZnSe、ZnS、Al₂O₃ 和 CaF₂ 等化合物常用于制作窗口，它们允许可见光和红外光谱范围内的光通过。另一方面， Ge和Si则适用于仅允许红外光谱范围内的光通过的应用。

有多种因素会影响针对特定应用选择哪种材料。 除了传输范围外，还包括密度、硬度、工作温度、操作性质和成本等因素。 其他考虑因素包括添加抗反射涂层，这可以将透射分布改变到所需的应用范围内。 在不断发展的光学领域，光学窗口的重要性仍然至关重要，它是释放光学技术和应用潜力的门户。

Wavelength Opto-Electronic 我们设计并制造各种材质的光学窗口，规格涵盖标准到高精度。我们的工程师经验丰富，凭借先进的生产设施，我们确保所有窗口均经过全面计量和测试，品质卓越。