锗的折射率与温度变化的性质和注意事项

锗是最常用的红外材料,既用于LWIR波段又用于MWIR波段。在LWIR波段,它相当于可见光消色差双透镜中的冕牌或正组元件;在MWIR波段,它相当于可见光消色差双透镜中的火石或负组元件。这种功能变化,是因为它在两个波段中的色散特性存在差异。在MWIR波段,锗很接近它的低吸收波段,折射率变化很快,进而导致较大的色散,因此,适宜于用作消色差双透镜中的负光焦度元件。

就锗的光学特性而言,有两个参数很重要。首先,锗的折射率略大于4.0,这意味着,同样焦距的透镜,透镜表面的矢高可以小一些,即曲面拥有较大的曲率半径。因此,较高的折射率有利于降低像差,更有利于降低高级像差,这对设计是十分有利的。另一个重要参数是d n/d t,即折射率随温度的变化。锗的d n/d t是0.000 396/℃,与BK7普通玻璃相比,该值很大,普通玻璃的d n/d t仅为0.000 003 60/℃。因此,红外系统可能产生随温度变化的大焦移。设计时红外系统时,必须采用某种形式的无热化(随温度变化的焦移补偿),即通常所说的无热化设计。

锗是一种晶体材料,可以多晶或单晶(也称单晶锗)方式生长。由于生产和提炼过程的不同,单晶锗比多晶锗更昂贵。20世纪七八十年代,关于高性能热成像系统中单晶锗的相对需求,国际上存在不同观点。大体来讲,欧洲设计师指定单晶材料,而美国一般订购多晶材料。20世纪80年代中后期的研究表明,多晶锗会存在较大的折射率不均匀性。

因为多晶硅生长过程中,会出现颗粒边界状的杂质。此时,用多晶硅材料制作的透镜,如果位于或接近中间像面,则这些杂质颗粒会被成像到焦平面阵列(FPA)上。这样的锗透镜或平面元件应该选用单晶锗。随着材料生长工艺的不断发展,单晶硅的成本已经显著降低,缩短了单晶硅与多晶硅材料成本上的差距,大部分光学元件可以使用单晶锗。

需要注意,在高温下,锗变得易于吸收,200℃时透射比将接近0。(www.xing528.com)

单晶锗的折射率不均匀性为0.000 05～0.000 1,多晶锗的折射率不均匀性为0.000 1～0.000 15。对于光学应用,通常以Ω·cm为单位指定锗的电阻系数,普遍接受的电阻系数值整个毛坯为5～40Ω·cm。图7-12是多晶锗毛坯的电阻系数图,右侧有一块多晶区域。单晶区域内电阻系数表现正常而且沿径向缓慢变化,而多晶区的电阻系数则变化迅速。如果用一个分辨率适当的红外相机来观察材料,则会看到奇异的类似于蜘蛛网的回旋状图像,这种现象主要集中在颗粒边界处,即源于边界处诱导的杂质。

图7-12　多晶锗毛坯的电阻系数图

锗具有变成碎屑的脆性。在光学加工、镀膜和装配过程中必须格外小心,因为对锗元件边缘的不合理敲打,就会导致碎屑的剥落。因此,经常使用半适应性的粘接材料将锗元件装入镜筒中。硅和一些其他晶体材料也存在这个问题,使用时需要特别注意。