简介：
单晶锗 (Ge) 是一种化学惰性光学材料，其透射光谱范围覆盖 1.9 微米至 16 微米，是红外光谱应用中优异且普遍的材料。锗还具有出色的硬度、高导热性和不溶于水的特性。锗在红外热成像和红外光谱仪中有着广泛的用途。锗具有卓越的机械强度、高导热性和1060nm低吸收率，是制造CO2激光透镜和红外滤光片基板的理想基板材料。
制备Ge单晶的主要方法包括直拉法或垂直梯度冻结法（VGF法）。
以下是单晶锗（Ge）的材料特性：
1. 透射波段： 1.8 至 23 μm (1)
2. 折射率： 4.0026（波长 11 μm 时）(1)(2)
3. 反射损耗： 53%（波长 11 μm 时，双表面）
4. 吸收系数： <0.027 cm⁻¹（波长 10.6 μm 时，典型值）
5.6 μm 处为 0.006 cm⁻¹（典型值）
2.7 μm 处 <0.005 cm⁻¹
5. Reststrahlen（剩余射线）峰值： 不适用
6. dn/dT： 396 x 10⁻⁶ /°C (2)(6)
7. dn/dμ = 0： 几乎恒定
8. 密度： 5.33 g/cm³
9. 熔点： 936 °C (3)
10. 热导率： 58.61 W m⁻¹ K⁻¹ (293K时) (6)
11. 热膨胀系数： 6.1 x 10⁻⁶/°C (298K时) (3)(4)(6)
12. 硬度： 努氏硬度 (Knoop) 780
13. 比热容： 310 J kg⁻¹ K⁻¹ (3)
14. 介电常数： 16.6 (9.37 GHz, 300K时)
15. 杨氏模量 (E)： 102.7 GPa (4) (5)
16. 剪切模量 (G)： 67 GPa (4) (5)
17. 体积模量 (K)： 77.2 GPa (4)
18. 弹性系数： C11=129; C12=48.3; C44=67.1 (5)
19. 表观弹性极限： 89.6 MPa (13000 psi)
20. 泊松比： 0.28 (4) (5)
21. 溶解度： 不溶于水
22. 分子量： 72.59
23. 类别/结构： 立方金刚石结构，Fd3m
锗单晶材料可根据其性能和用途进行分类：有的用于辐射探测（高阻锗），有的用于红外光学领域（电阻率均匀的锗），还有的用于太阳能电池领域中砷化镓外延生长的衬底（低阻锗）。
随着红外相关技术的不断发展与成熟，以及市场上的自由竞争带来的成本与价格下降，红外级锗晶体在民用领域的普及度日益提高，其民用市场的增长速度远超国防领域。目前，光学级红外锗的成熟应用包括电力设备的预防性维护与检测；此外，随着热成像技术在消防、工程建设、安防、森林防火等领域的快速进步与广泛应用，红外市场展现出巨大的潜力。
2020年新冠疫情的突然爆发凸显了红外锗单晶的重要性。发热是新冠病毒感染的常见症状之一，利用红外测温仪可以快速筛查、识别并隔离疑似感染者，因此红外测温仪对于打赢疫情防控阻击战至关重要。受疫情影响，监测数据显示，目前锗单晶生产企业的订单量已显著增加。
用于红外光学的锗单晶是当今世界上最常用的红外光学材料之一，通常采用直拉法（Czochralski method）制备。其制成的成品组件主要包括红外锗透镜和锗窗口。其中，红外锗透镜组中锗透镜的数量因标准不同而异：军用级红外锗透镜组精度与技术要求极高，通常包含6至10片以上的锗透镜；而商用级红外锗透镜组技术要求相对较低，通常包含2至3片锗透镜。锗窗口则多用于军事领域。锗 (Ge) 窗口：
光学窗口是一种用于将环境分隔为两侧（例如分隔仪器内部与外部）的基本光学元件，它能实现内外隔离，从而保护仪器内部。窗口通常呈平板状，不改变光学放大倍率，但会改变光路。窗口的关键参数包括透光率、表面面形（平整度）、厚度、平行度、基底材料及其他特性；用户可根据具体应用需求选择规格合适的窗口。
锗窗口在中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 波段具有宽广的透射范围，而在可见光波段则不透光，因此非常适合红外激光应用。它能阻挡紫外光和可见光，是一种专用的红外透射元件。锗也可作为长波通滤光片，用于透射波长大于 2 微米的光。此外，锗对空气、水、碱及多种酸均呈化学惰性。不过，锗窗口的透光性能对温度较为敏感：实际上，当温度达到 100°C 时，锗的吸收作用会显著增强；而在 200°C 时，它将完全不透光。
图1. Shalom EO 锗 (Ge) 窗口片
锗 (Ge) 透镜：
光学透镜是一种根据其焦距使光线发散（负透镜）或会聚（正透镜）的光学元件。光学透镜的形状和形式多种多样，例如非球面镜和球面镜、向外凸出的凸透镜、向内凹陷的凹透镜等。光学透镜涵盖了多种类型，包括平凸/平凹透镜、双凸/双凹透镜、球透镜/半球透镜、平凸/平凹柱面镜、棒状透镜、非球面透镜等。
与其他红外材料相比，锗具有极高的折射率和低色散特性。高折射率特性使得锗透镜能够以更少的镜片数量实现更短的焦距和更紧凑的结构设计，这是其他材料难以实现的；而低色散特性则意味着更低的色差和更优异的成像质量。锗透镜是红外光谱（包括中波红外 MWIR 和长波红外 LWIR）应用中的理想光学元件，例如用于低功率密度 CO2 激光加工设备。此外，锗晶体也非常适合用作红外热成像仪、广角镜头和显微镜的前端光学元件。锗也是制造前视红外 (FLIR) 系统、傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪及其他检测设备的理想材料。
图 2. Shalom EO 的锗 (Ge) 透镜
锗 (Ge) 半球罩：
光学半球罩是一种特殊的光学窗口，由两个平行的曲面构成。虽然光学半球罩通常呈半球形，但在某些特定情况下也可能采用其他特殊形状。红外半球罩常用于国防和军事领域（例如热寻的导弹），旨在保护核心组件免受极端环境的影响。
锗半球罩支持更长的波长，凭借其宽广的透射波段以及在可见光波段不透光的特性，成为红外应用（特别是国防和航空航天领域）的理想选择。锗半球罩广泛应用于工作波长范围在 2 µm 至 14 µm 之间的红外热成像相机中，涵盖了中波红外 (MWIR，3–5 µm) 和长波红外 (LWIR，8–12 µm) 的热成像波段。
图3. Shalom EO 锗 (Ge) 半球罩
评估：
不过，有几点评估值得注意。锗材料存在两个缺陷。首先，它对温度敏感：在 45°C 时，其 2–14 微米波段的透过率约为 50%；然而，随着温度升至 100°C，透过率会适度下降；当温度达到 200°C 时，透过率急剧下降，锗晶体开始吸收入射辐射，最终变得完全不透明。因此，锗光学元件并不适合高温工作环境；作为工程师或客户，我们应当了解这一特性。锗的第二个缺点是密度高，这意味着会带来重量问题，设计人员在设计时必须将其纳入考量。
我们的红外锗光学元件：
杭州 Shalom EO 是一家全球性的锗光学元件供应商，拥有专业的工程团队和强大的制造能力。我们提供多种锗光学产品，包括锗 (Ge) 窗口片、锗 (Ge) 透镜组件和锗 (Ge) 半球罩，最大直径可达 300mm，并提供多种镀膜选择（如 3–5 微米增透膜、8–12 微米增透膜、7–14 微米宽带增透膜及 DLC 类金刚石膜）。这些锗光学元件适用于中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 应用场景。如您感兴趣，欢迎访问我们的网站了解更多详情。
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