红外光学材料第一章.doc

第一章 红外光学材料基础 1.1 引言 在研制和使用红外光学材料时，必然要涉及到材料的光学和力学性质，如透过率、吸收系数、发射率、折射指数、色散等光学性质，还有断裂强度、断裂韧性等力学性质，以及使用环境对材料性能的影响如抗热冲击、沙蚀、雨蚀等。这就需要对这些参数的含义以及物理过程能有一个基本的了解。因此，本章所叙述的基础知识都是直接和材料性能密切相关的，以便读者能比较容易的地了解以后的内容。 1.2 大气窗口 高于绝对零度的任何物体都会产生热辐射。这种热辐射本质上是电磁波，也称为电磁辐射。其特性可以用频率ν和波长λ表示。这种电磁辐射波的传播速度，c=λν，c为光速（c＝2108m/s）。 自然界存在各种不同频率（或波长）的电磁波，如γ射线、х射线、紫外线、可见光、红外线、微波等。在表1-1中给出了各种电磁波所对应的波长和频率。根据普朗克理论，室温（300K）下物体辐射电磁波的波长处于红外波段。 先进的红外探测器（如InSb、HgCdTe、PbSnTe等）能在红外波段远距离“看见”辐射红外电磁波的物体形貌。红外辐射经过在空气中的传播才可到达探测器。理论和实验都证明大气层中辐射电磁波的传播将会随距离而衰减。这是由于大气本身对辐射电磁波的吸收和散射作用，从而导致辐射电磁波强度随传播距离而降低。 表1-1各种电磁波所对应的波长和频率 电磁波名称 波长/m 频率/Hz 宇宙射线 10-12 3×1020 γ射线 10-12～10-11 3×1020～3×1019 Х射线 10-11～10-8 3×1019～3×1016 紫外线 10-8～3.8×10-7 3×1016～7.89×1014 可见光 3.8×10-7～7.8×10-7 3.89×1014～3.84×1014 紫色光 3.8×10-7～4.3×10-7 7.89×1014 蓝色光 4.3×10-7～4.8×10-7 绿色光 4.8×10-7～5.3×10-7 黄色光 5.3×10-7～5.8×10-7 橘黄色光 5.8×10-7～6.2×10-7 红色光 6.2×10-7～6.8×10-7 紫红色光 6.8×10-7～7.8×10-7 红外线 7.8×10-7～10-3 3.84×1014～3×1011 中红外 3×10-6～5×10-6 长波红外 8×10-6～1.4×10-5 微波 10-3～10-1 3×1011～3×109 无线电 10-1 3×109 地球表面上的大气随着离开地面的距离按其特性（如温度、大气组成等）可分为五层：对流层（0 km ~12km），平流层（12 km ~50km），中间层（50 km ~80km），电离层（80 km ~500km），逸散层（500 km ~750km）。影响人们生活以及红外光学应用主要是对流层，对流层的特点是气体密度大，且随高度的增加温度下降。 大气是由两部分气体组成。不变气体（N2、O2、Ar、H、He等）和可变气体（H2O、CO2、CO、O3、CH4等）。前者成分比例及含量基本上不随时间地点而变化，后者则随时间地点在变化，这两部分构成了大气的主要成分。除了这些气体成分外，大气中还包含有气溶胶，它是由半径为10-7cm～10-5cm的固体和液体颗粒分散在气体介质中所构成。 如果不考虑水蒸气，则上述构成大气主要成分在对流层中所占的比例如表1-2所示。 表1-2 成分 分子量 体积比/% N2 28.013 78.084 O2 31.9988 20.9476 Ar 39.948 0.934 CO2 44.010 0.0322 Ne 20.178 0.0018 He 4.003 0.00052 CH4 16.043 0.00018 通常大气中总含有水蒸气，但在地球表面不同位置，不同的季节和不同的温度，水蒸气含量是变化的，而且含量相差很大。但高度在14km以上水蒸气含量的变化很小，大气中水蒸气含量随高度的变化可以由下式描述，即 (1-1) 式中：P0为水平面上水蒸气压力；h为高度；a为经验系数；a≈5×103m。 气溶胶是固体或液体颗粒并受地球引力作用，它的浓度随高度按指数形式衰减，即 (1-2) 式中：N0为水平面浓度；h为高度；b为经验系数。水蒸气和气溶胶虽然在大气中含量不是很多，但它们对辐射电磁波在大气中的传输有较大的影响，因而必须要考虑。 辐射电磁波在大气中传输随传播的距离电磁波的强度衰减。引起辐射强度衰减的原因是大气（包括固定含量气体，不固定含量气体和气溶胶）对辐射电磁波有折射、吸收和散射。大气的密度很小（约为1.3×10-3g/cm3）其折射率和真空情况很接近，近似为1，