光学基板材料选型指南

第一部分：

下图展示了不同光学材料透射波长范围的对比，您在选购光学产品时可将其作为参考。

 

第二部分：

以下概述了常见光学材料的光学、化学、机械等特性，包括其优缺点及适用应用场景。

 

材料	特征	光学传输与光学薄膜	折射率
N-BK7/K9 玻璃	用于制造光学元件的最常用材料供应充足，具有气泡和夹杂物含量低以及机械与化学稳定性良好的特点。当应用无需紫外级熔融石英（UV Fused Silica）所具备的高紫外透过率时，通常会选用此类材料。NBK7 及其同类产品 K9 玻璃也是制造反射镜基底的优质材料，可用于制备金属（如铝、银、金）镀膜。	350nm–2200nm。在可见光及近红外（NIR）波段具有高透过率，特别适用于制造工作于可见光波段的精密光学元件。 当用作反射镜基底时，通常采用增强铝（Enhanced Al）、保护银（Protective Ag）或金（Au）等金属镀层。	1.517（在 587.76 nm 处）
紫外级熔融石英/JGS1玻璃	与 N-BK7 相比，它具有更宽的透射波长范围（特别是在紫外波段）、更优异的热稳定性和均匀性，并具备抗紫外线辐射及低荧光特性。紫外级熔融石英及其同类产品 JGS1 玻璃也是制造反射镜基底的绝佳材料，适用于宽带介质膜、金属膜等多种类型的镀膜工艺。	200nm–2200nm。从紫外（UV）到近红外（NIR）波段均具有高透射率。其适中的折射率有助于实现更高的整体透射率。 若用作反射镜基底，可采用宽带介质膜、金属膜等多种镀膜方案。	1.458（在 587.76 nm 处）
微晶玻璃（Zerodur）	这是一种由肖特（SCHOTT）生产的无孔微晶玻璃，具有近乎零的热膨胀特性。该材料在整体体积范围内展现出极高的热膨胀系数（CTE）均匀性以及优异的耐化学腐蚀性能，能够为对热变化敏感的高精度及高要求光学器件（例如天文望远镜的大口径透镜）提供可靠的性能保障。尽管其内部包含分布于玻璃相中的微晶，Zerodur 仍保持了与其他玻璃材料相当的优良加工性能。	450nm-3000nm.	1.542（在 587.76 nm 处）
硫系玻璃	一种适用于中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段的优质玻璃材料，具有较低的折射率温度系数（dn/dT），因此可用于开发热成像相机中紧凑轻便的光学被动式无热化镜组。与锗相比，该材料生产成本更低；由于其软化点和机械硬度均低于其他红外透射晶体，因此加工效率更高。	3μm–14μm。常见的镀膜配置包括 3–5μm 或 8–12μm 的增透（AR）膜。	2.4944（在 10000 nm 处）
氟化钡 (BaF2)	这是一种广泛应用于长波红外（LWIR）至远红外波段（8–14微米）的光学氟化物，可用作热成像设备及燃油红外光谱仪的观测窗。它同时也是响应速度最快的闪烁体材料之一，具有极佳的耐水性和抗强辐射性能。该材料在潮湿环境中于500℃以上开始降解，但在干燥环境下，其耐受温度上限可提升至800℃。	200nm至11000nm。在500nm至9000nm波段范围内，透射率超过90%，且透射带宽比CaF2宽约1000nm。	1.468（在 1064 nm 处）
氟化钙 (CaF2)	这是一种广泛应用于从紫外（UV）到中波红外（MWIR）波段的光学氟化物材料。多晶氟化钡（BaF2）较易获取，而单晶形式的氟化钡则较为稀有且价格昂贵。它可用作热成像仪和光谱仪中的光学元件；由于具有高损伤阈值，它也是准分子激光器应用的绝佳替代材料。在某些情况下，其低折射率特性甚至使其无需使用增透膜。其耐水性能优于氟化钡（BaF2）。	180nm–8000nm。相比 BaF2，其对短波长的透过率更高。 在某些情况下，由于其折射率较低，甚至无需使用增透膜。	1.428（在 1064 nm 处）
氟化镁 (MgF2)	这是一种透射范围涵盖紫外至红外波段的材料，主要用于紫外波段（如制作紫外窗口、紫外透镜、棱镜等），特别是在真空紫外（VUV，100–200 nm）光谱范围内表现出极高的透射率。氟化镁（MgF2）还具有出色的机械强度，使其能够在高应力环境下​​保持耐用。此外，由于具有双折射特性，氟化镁也可用于制造波片等偏振光学元件。	110 nm–7500 nm。在真空紫外（VUV）波段具有优异的透射性能；即使波长向紫外深处延伸至 170 nm，透射率仍保持在 80% 以上。	ne=1.378 no=1.390 （在 587.6 nm 处）
锗 (Ge)	该材料广泛应用于中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段，例如红外热像仪镜头。其高折射率有助于减少像差，但也导致了较高的光学反射率（未镀增透膜时超过50%），因此必须使用增透膜。该材料的折射率温度系数（dn/dT）较大，会产生显著的热致离焦效应，故需要进行消热差设计。当温度超过90℃时，其光学透过率会急剧下降；不过，锗（Ge）的机械硬度和耐化学腐蚀性（除耐酸性外）均十分优异。其较大的重量对于重量敏感型设计而言可能是一个问题。	波长范围为 2000 nm 至 16000 nm。该材料在红外波段具有宽透射特性，但在可见光波段不透光。由于其折射率较高，通常需要采用增透（AR）膜。	4.004（在 10600 nm 处）
硒化锌 (ZnSe)	由于具有极宽的透射波段、高折射率以及在红外光谱区低吸收的特性，它们非常适合用作高功率 CO2 激光器的反射镜和聚焦透镜（事实上，对于 10.6 μm 波长的 CO2 激光输出而言，硒化锌是吸收率最低的材料）。然而，硒化锌质地较软且易被划伤，因此不建议在恶劣环境中使用。在进行清洁操作时，务必佩戴手套，并小心谨慎地处理光学元件。	600 nm 至 21,000 nm。在 600–16,000 nm 光谱范围内具有高透射率。由于其折射率较高，通常需要使用增透（AR）膜。	2.403（在 10600 nm 处）
硫化锌 (ZnS)	硫化锌（ZnS）主要分为两种：一种是采用化学气相沉积（CVD）工艺制备的“前视红外（FLIR）级”ZnS；另一种是采用热等静压技术制备的“多光谱级”ZnS（商品名为 Cleartran），其外观清澈透明。相比之下，FLIR 级 ZnS 硬度更高，耐恶劣环境能力更强，且在 8–12 微米长波红外（LWIR）波段具有优异的光学透过率，因此常用于制造热成像相机的红外窗口和前置透镜。而多光谱级 ZnS（Cleartran）虽然硬度较低，但在可见光、中波红外（MWIR）及长波红外（LWIR）波段均具备高透过率，因而适用于多波段应用场景（如激光测距仪）。	FLIR级 ZnS：1000nm–13000nm 多光谱 ZnS (Cleartran)：370nm–13500nm	FLIR 级硫化锌： 2.192（10000nm） 多光谱 ZnS：2.20084（10000nm）
蓝宝石 (Al2O3)	从紫外到近红外波段均具有优异的透射性能。蓝宝石可加工成多种光学元件，包括红外窗口、透镜及球透镜。其作为光学材料拥有无与伦比的硬度，从而能够制造出更薄的基片。蓝宝石对酸、碱及水具有极高的化学稳定性，且耐受温度高达1000℃，这使其非常适合在极端条件下使用。	170 nm–5500 nm。在 220 nm 至 4.5 μm 波段范围内，透射率高于 80%。	no=1.75449 ne=1.74663 （在 10600 nm 处）
硅 (Si)	在近红外和中红外光谱范围内具有优异的透射率，并兼具极高的化学惰性和出色的机械强度。它常被用于制造红外窗口、红外透镜基片及光学滤光片基片。此外，其高导热性和轻质特性，使其成为重量敏感型设计中激光反射镜的理想材料。	1200nm-7000nm.	3.423 （在 4580 nm 处）
Alpha BBO(α-BBO)	Alpha-BBO（α-BBO）是一种负单轴双折射晶体，属于硼酸钡的高温相。Alpha-BBO与Beta-BBO（β-BBO）在机械、化学、热学及光学性质上十分相似，均具备高损伤阈值、宽温度带宽和高光学均匀性等特点；不同之处在于，Alpha-BBO因其中心对称结构而不具备二阶非线性效应，因此无法用作非线性光学介质。然而，Alpha-BBO在190至3500纳米的宽透射光谱范围内表现出显著的双折射特性，这使其成为紫外波段应用及各类双折射偏振光学元件（如格兰棱镜、沃拉斯顿棱镜、罗尚棱镜等）的理想材料。特别值得一提的是，凭借优异的紫外透过率和高功率承受能力，Alpha-BBO非常适合用于制造紫外偏振器。	190nm-3500nm.	ne=1.533,no=1.673 （在 587.6 nm 处）
方解石(CaCO3)	方解石（亦称冰洲石）是一种具有强双折射特性的天然光学晶体。这种强烈的双折射效应会导致透过方解石观察到的物体呈现重影（即图像分裂为二）。丹麦科学家拉斯穆斯·巴托林（Rasmus Bartholin）于1669年首次发现了这一现象。方解石的透射波长范围为300至2300纳米，是制造可见光及近红外波段双折射偏振器的理想材料。此外，它还可设计用于偏振分束/合束，或作为偏振元件，滤除正交偏振光束中的特定角度分量。	300nm-2300nm.	ne=1.480,no=1.642 （在 1064 nm 处）
原钒酸钇 (YVO4)	正钒酸钇（YVO4）是一种采用柴可拉斯基法（Czochralski method）生长的正单轴晶体。它具有强双折射特性以及宽广的透射波长范围（488–3400纳米，涵盖红外波段），这使其成为制造红外偏振器的理想材料。此外，YVO4晶体还具备优异的温度稳定性以及良好的物理和机械性能。YVO4不仅是制造双折射晶体元件的优质材料，还在光纤隔离器、环行器、交错器（interleavers）、光束位移器及其他偏振光学器件等多种应用中，成为方解石（CaCO3）和金红石（TiO2）晶体的理想合成替代品。	488nm-3400nm.	ne=1.959,no=2.166（在 1064 nm 处）
F2 玻璃	F2 是肖特（SCHOTT）的一种火石玻璃牌号，具有高折射率和低阿贝数（即高色散）的特性。基于上述原因，F2 玻璃是在 385–2000 nm 透射波段内制造等边色散棱镜的理想选择；此外，F2 玻璃还具备优异的化学稳定性。	385nm-2000nm.	1.620@587.6

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