紅外光學技術作為現代科技領域的關鍵支撐技術，在軍事前視紅外（FLIR）、民用熱成像、天文深空探測、醫療激光治療等諸多領域發揮著不可替代的作用。其性能水平直接由核心材料與涂層的技術特性所決定。在地球大氣層環境中，受水分子、二氧化碳等分子吸收作用的影響，紅外波段僅保留三個可有效利用的“傳輸窗口”，即短波紅外（SWIR，波長范圍0.753μm）、中波紅外（MWIR，波長范圍35μm）與長波紅外（LWIR，波長范圍814μm）；而在高空或太空環境下，上述波段間的“空白區域”可實現有效利用，這對紅外材料與涂層的波段適配范圍提出了更高要求。

    一、核心紅外光學材料的分類及技術特性
    紅外光學材料的選型需綜合考量透射波長范圍、折射率、熱光系數（dn/dT）、機械強度及加工工藝難度等關鍵指標。依據材料成分與技術特性，可將其劃分為六大主要類別：
    （一）氟化物晶體：跨紫外紅外波段的典型材料
    氟化物晶體因具備從紫外至微波波段的優異透射性能，成為跨波段光學系統的常用材料，但其機械性能存在顯著差異，需根據具體應用場景進行針對性選型：
    氟化鈣（CaF?）：性價比優勢顯著的基礎材料。在0.1310μm波長范圍內，透射率可達90%以上；硬度指標為158kg/mm²，是氟化鋇（BaF?）的兩倍，抗熱沖擊能力更強，且在潮濕環境中不易發生降解反應，大尺寸材料的獲取難度較低，廣泛應用于微光刻、天文觀測設備及熱成像鏡頭的制造。
    氟化鋇（BaF?）：特定場景下的補充材料。在0.259.5μm波長范圍內，透射率超90%，但機械強度僅為氟化鈣的70%，對熱沖擊的敏感性更高，材料成本略高于氟化鈣，主要適用于對尺寸要求較低的激光系統及光譜分析設備。
    氟化鎂（MgF?）：具備抗沖擊特性的硬質材料。硬度達415kg/mm²，約為氟化鈣的2.6倍，可有效抵抗機械沖擊與熱沖擊，在0.117.5μm波長范圍內適配性良好，但需關注其雙折射特性對光學設計的影響，主要應用于準分子激光系統與高穩定性成像設備。
    氟化鋰（LiF）：低折射率特性的專用材料。折射率僅為1.373（測試波長2.5μm），是所有常見紅外材料中最低的，在0.128.5μm波長范圍內透射性能優異，但熱膨脹系數較高（37×10??/℃），材料成本昂貴，僅用于對折射率敏感的特殊光學系統。
    （二）鹵化物晶體：寬波段透射的功能性材料
    鹵化物晶體擁有紅外材料中最寬的透射波長范圍，但普遍存在水溶性強、脆性高的特點，需依賴防潮涂層實現性能保護：
    碘化銫（CsI）與溴化銫（CsBr）：寬波段透射的核心材料。碘化銫的透射波長范圍達0.4240μm，溴化銫達0.3532μm，均覆蓋從紫外至遠紅外的波段區間，是傅里葉變換紅外光譜（FTIR）設備、CO?激光透鏡保護器的核心材料，但需通過防潮增透（AR）涂層隔絕水汽侵蝕，且在加工過程中需避免機械沖擊。
    氯化鈉（NaCl）與氯化鉀（KCl）：經濟耐用的替代材料。氯化鈉在0.2312μm波長范圍內透射率超80%，耐用性優于溴化銫與氯化鉀，材料成本較低，適用于低成本FTIR分析儀器；氯化鉀的透射波長范圍為0.321μm，斷裂模量高于溴化銫，可在部分場景下替代高成本鹵化物材料。
    溴化鉈（KRS5）：可見光紅外兼容的特殊材料。在0.732μm波長范圍內透射率超70%，硬度（40kg/mm²）高于多數鹵化物材料，但受壓時易發生“冷流”現象（形變后無法恢復），加工過程中需采取特殊安全措施，主要用于需同時適配可見光與紅外波段的光譜分析設備。
    （三）半導體材料：高折射率與高耐用性的平衡型材料
    半導體材料憑借高折射率與優異的機械強度，成為中長波紅外系統的核心材料，尤其適用于對耐用性要求較高的場景：
    鍺（Ge）：高折射率特性的主力材料。折射率達4.025（測試波長4μm），是常用紅外材料中最高的，在314μm波長范圍內適配性良好，且可通過單點金剛石車削工藝加工非球面透鏡，減少系統元件數量，降低整體成本。但需重點關注其“熱失控”特性——當溫度超過100℃時，透射率會快速下降，在200300℃區間可能發生災難性故障；同時，其熱光系數（dn/dT）較高（396×10??/K），需額外設計無熱化結構，主要應用于熱成像（FLIR）設備與分析儀器。
    硅（Si）：輕量化需求的優選材料。密度僅為2.329g/cm³（約為鍺的44%），適用于重量受限的光學系統，在1.27μm波長范圍內透射性能優異，硬度（1150kg/mm²）高于鍺，且材料成本最低。但由于硬度較高，加工成本高于鍺，主要應用于無人機熱成像、車載紅外傳感等輕量化場景。
    砷化鎵（GaAs）：高穩定性要求的高端材料。在215μm波長范圍內吸收系數極低（0.01cm?¹），硬度（750kg/mm²）與鍺接近，且具備優異的抗潮濕、抗腐蝕性能，適用于惡劣環境下的CO?激光系統與前視紅外設備，但材料成本高于鍺與硅，主要應用于高端國防與工業領域。
    （四）硫族化物玻璃：無熱化設計的關鍵材料
    硫族化物玻璃（如AMTIR系列、GASIR系列）是紅外光學設計中的創新型材料，其核心技術優勢在于低熱光系數（dn/dT）（30145×10??/K），可大幅簡化透鏡系統的無熱化結構——無需復雜的機械補償裝置，即可有效抵消溫度波動對焦點位置的影響。
    該類材料在812μm波長范圍內吸收與色散特性最低，折射率（2.492.80）低于鍺，可與鍺搭配實現顏色校正；加工方式靈活，可通過拋光、金剛石車削、磁流變精加工等工藝實現成型，最高使用溫度可達300℃，廣泛應用于多光譜熱成像與長波紅外探測系統，但材料成本通常高于鍺。
    （五）硫化物/硒化物：高功率激光系統的專用材料
    硫化物與硒化物憑借低吸收、抗熱沖擊的技術特性，成為高功率激光系統的核心材料，尤其適配CO?激光（波長10.6μm）相關應用：
    硒化鋅（ZnSe）：高功率激光系統的核心材料。在10.6μm波長范圍內吸收系數極低，透射波長范圍寬（0.616μm），抗熱沖擊能力強，是高功率CO?激光切割、焊接設備中透鏡與窗口的首選材料。其硬度（110kg/mm²）雖不高，但可通過硬質AR涂層提升表面防護性能，材料成本與硫化鋅（ZnS）透明級接近。
    硫化鋅（ZnS）：分級別適配不同場景的材料。普通級硫化鋅在312μm波長范圍內成像質量優異，硬度（200kg/mm²）是硒化鋅的1.8倍，材料成本僅為透明級的2/3，適用于常規熱成像系統；透明級硫化鋅（如Cleartran）通過材料精煉工藝實現0.412μm波長范圍的透射（覆蓋可見光至LWIR），可與可見光攝像頭搭配使用，主要應用于機載多光譜探測系統，但材料成本較高。
    （六）特殊硬質材料：極端環境下的防護型材料
    該類材料以極高的硬度與耐候性為核心技術特征，適用于高溫、高沖擊等極端環境：
    藍寶石（Al?O?）：超高硬度的防護材料。除金剛石外，其硬度為所有光學材料中最高（垂直C軸方向2200kg/mm²），在0.175.5μm波長范圍內透射性能優異，可承受高溫、高振動與化學腐蝕，是導彈導引頭、航空發動機監測窗口的首選材料。但由于無法通過金剛石車削工藝加工非球面結構，制造成本較高，僅用于高可靠性要求的場景。
    紅外級熔融二氧化硅（SiO?）：近紅外波段的高均勻性材料。在0.253.5μm波長范圍內透射均勻性良好，硬度達461kg/mm²，但無法通過金剛石車削工藝加工，非球面加工難度大，通常與氟化鈣搭配用于高精度近紅外成像與激光系統。

    二、金屬鏡材料：紅外反射系統的基礎載體
    在紅外反射系統（如天文望遠鏡、能量收集設備）中，金屬鏡材料的表面粗糙度與反射率穩定性是核心技術指標，常見類型包括：
    鋁（Al）：輕量化需求的首選材料。密度低，表面粗糙度可控制在<100Årms，適配MWIR至遠紅外（FIR）波段，材料成本低，主要用于對重量敏感的反射鏡系統，但需通過“保護鋁涂層”提升耐腐蝕性。
    化學鍍鎳（Ni）：多基材適配的功能性材料。可在鋁、銅、不銹鋼、鈦等基材表面實現鍍覆，表面粗糙度<50Årms，反射穩定性高，適用于高精度反射鏡（如拋物面鏡、橢球面鏡）的制造。
    銅（Cu）與銅鎳合金：高反射精度的專用材料。表面粗糙度<50Årms，反射率穩定性優異，但密度較高（銅約8.96g/cm³），主要用于固定安裝的高精度天文觀測與能量收集系統，需搭配保護金或銀涂層提升耐用性。

    三、紅外光學涂層的技術類型與工藝特性
    紅外光學涂層是實現材料性能優化的關鍵技術手段，不僅可減少反射損失，還能實現防潮、耐磨、拓展波段適配性等功能，其核心類型與工藝如下：
    增透涂層（AR）與寬帶增透涂層（BBAR）：核心功能為減少反射損失。AR涂層針對單一波段（如10.6μm）設計，BBAR針對寬波段（如0.82.5μm、35μm）設計，可將材料表面反射率從5%15%降至1%以下。例如，氟化鈣、氟化鋇常用0.82.5μm或35μm波段的BBAR；水溶性鹵化物（如碘化銫、氯化鈉）需搭配防潮AR涂層，以隔絕水汽侵蝕。
    類金剛石碳涂層（DLC）：核心功能為表面耐磨保護。對于鍺、硒化鋅等硬度較低的材料，可通過DLC涂層提升表面硬度，同時保持紅外透射性能，主要應用于易磨損的透鏡（如CO?激光加工頭透鏡）。
    涂層工藝：實現精準控制的核心手段。現代紅外光學涂層主要依賴等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）、電子束濺射離子輔助沉積等工藝，可實現納米級別的厚度控制，確保涂層均勻性與環境耐久性（如高低溫循環測試、濕度測試）。

    四、紅外光學材料與涂層的選型原則
    紅外光學材料與涂層的選型需緊密結合應用場景與系統技術需求，核心考量維度包括：
    1.波段適配性：地面應用系統優先選擇適配SWIR/MWIR/LWIR窗口的材料（如鍺、硒化鋅）；太空應用系統可選用寬波段材料（如碘化銫、砷化鎵）。
    2.環境適應性：潮濕環境需選擇防潮性能優異的材料（如氟化鈣、帶防潮涂層的碘化銫）；高溫/高沖擊環境需選擇藍寶石、氟化鎂等耐極端條件的材料。
    3.重量與成本平衡：輕量化需求優先選擇硅、鋁等材料；成本敏感場景優先選擇氟化鈣、普通級硫化鋅等材料；高端場景可選用砷化鎵、透明級硫化鋅等材料。
    4.加工工藝適配性：非球面設計優先選擇可通過金剛石車削工藝加工的材料（如鍺、硒化鋅、硫族化物玻璃），避免選用藍寶石、熔融二氧化硅等加工難度高的材料。

    五、紅外光學材料與涂層的技術發展趨勢
    隨著多光譜探測、高功率激光、深空探測等技術的快速發展，紅外光學材料與涂層正朝著以下三個方向實現技術突破：
    1.多光譜適配技術升級：通過硫族化物玻璃與透明級硫化鋅的性能優化，實現從可見光到LWIR的“全波段覆蓋”，滿足多傳感器協同工作需求。
    2.極致無熱化技術發展：開發更低熱光系數的材料（如新型硫族化物），結合智能涂層技術，進一步簡化系統結構，提升溫度穩定性。
    3.極端環境耐受能力提升：研發更高硬度的DLC涂層、抗高溫的陶瓷基復合材料，拓展紅外光學技術在航空發動機、核工業等極端場景的應用范圍。
    紅外光學材料與涂層是連接“不可見紅外波段”與“實用化技術”的核心橋梁。從實驗室的光譜分析，到軍事領域的熱成像探測，再到太空探索中的深空觀測，每一次技術性能的突破都離不開材料與涂層技術的創新。未來，隨著設計理念、加工工藝與涂層技術的持續升級，紅外光學技術將在精準性、耐用性、應用廣度上實現進一步提升，為現代科技發展提供更堅實的支撐。