红外光学材料第一章

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1、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＝2.99792458×108

2、m/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<

3、10-12>3×1020γ射线10-12～10-113×1020～3×1019Х射线10-11～10-83×1019～3×1016紫外线10-8～3.8×10-73×1016～7.89×1014可见光3.8×10-7～7.8×10-73.89×1014～3.84×1014紫色光3.8×10-7～4.3×10-77.89×1014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5.3×10-7～5.8×10-762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

4、×10-7～10-33.84×1014～3×1011中红外3×10-6～5×10-6长波红外8×10-6～1.4×10-5微波10-3～10-13×1011～3×109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（0km~12km），平流层（12km~50km），中间层（50km~80km），电离层（80km~500km），逸散层（500km~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

5、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/%N228.01378.084O231.998820.9476Ar39.9480.934CO244.0100.0322Ne20.1780.0018He4.0030.00052CH416.0430.00018通常大气中总含有水蒸

6、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62(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

7、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，因而一般情况下不考虑折射造成的辐射电磁波强度的损失。严格的计算大气对辐射电磁波的吸收是很复杂的，目前已经发展了一些半经验的计算大气吸收的方法。辐射电磁波在通过大气介质时辐射电磁波与构成大气分子相互作用，大气分子中电子和核在相互作用力维持下，在其平衡位置附近作固有频率的振动。由于辐射的作用使分子发生极化，则分子在辐