紅外材料為什么比可見(jiàn)光材料折射率高？
紅外材料為什么比可見(jiàn)光材料折射率高？
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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專(zhuān)業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國(guó)科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶(hù)提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
作為光學(xué)設(shè)計(jì)師的您，是否有這種困惑？可見(jiàn)光材料的折射率是一點(diǎn)幾，而紅外材料的折射率卻是二點(diǎn)幾到四。為什么紅外材料折射率會(huì)這么大呢？
如果您沒(méi)去想這個(gè)，那么紅外光學(xué)系統(tǒng)，常見(jiàn)就是三四片，這又是為什么呢？紅外材料由于其高折射率，需要實(shí)現(xiàn)同樣的光焦度，曲率半徑會(huì)比可見(jiàn)光的大，透鏡更趨于平坦，像差小，故片少也就少了。
可見(jiàn)光材料與紅外材料的折射率差異主要源于材料能隙和電子極化能力的本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)有研究，紅外材料的折射率普遍高于可見(jiàn)光材料。
可見(jiàn)光材料（如二氧化硅、BK7玻璃）的能隙較大（通常 >3.2eV），使得可見(jiàn)光光子能量不足以激發(fā)電子躍遷，材料表現(xiàn)為透明，但電子極化能力較弱，導(dǎo)致折射率較低。例如：二氧化硅（SiO?）：能隙9eV，折射率n≈1.45（可見(jiàn)光波段）；N-BK7玻璃：能隙約5eV，折射率n≈1.5168（可見(jiàn)光）。
而紅外材料（如鍺、硅）的能隙較小（<1.5eV），允許更強(qiáng)的電子極化響應(yīng)，從而顯著提升折射率：鍺（Ge）：能隙0.67eV，折射率n≈4.0（長(zhǎng)波紅外10.6μm）；硅（Si）：能隙1.12eV，折射率n≈3.42（中波紅外5μm）。
極化能力的量化對(duì)比
其中：N 為分子數(shù)密度；α 為單個(gè)分子的極化率；ε為真空介電常數(shù)。
二、光學(xué)設(shè)計(jì)知識(shí)
隨著科技發(fā)展，漸漸“紅外材料折射率長(zhǎng)，可見(jiàn)光材料折射率小”的規(guī)律可能不那么適用了。
硫系玻璃的折中特性
一、能隙與極化率的關(guān)系
能隙對(duì)折射率的限制
能隙是指固體中能量帶之間的能量間隔。在電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)中，固體材料中的原子或分子可以形成能帶，即連續(xù)的能量級(jí)別分布區(qū)域。能隙指的是能帶之間沒(méi)有電子占據(jù)的能量范圍。一個(gè)材料的能帶結(jié)構(gòu)可以分為導(dǎo)帶和價(jià)帶，能隙就是兩者之間的能量間隔。導(dǎo)帶一般包含高能態(tài)的電子，而價(jià)帶包含低能態(tài)的電子。能隙決定了材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。
根據(jù)Clausius-Mossotti方程，材料的極化率與折射率平方成正比。紅外材料因原子密度高（如鍺密度5.32g/cm3）和電子云易位移，極化率遠(yuǎn)超可見(jiàn)光材料。
紅外材料的高折射率優(yōu)勢(shì)
高折射率允許紅外光學(xué)系統(tǒng)使用更少的鏡片實(shí)現(xiàn)等效光焦度。例如鍺透鏡的曲率半徑可比硅透鏡減少30%，降低球差和系統(tǒng)體積。
可見(jiàn)光材料的低折射率妥協(xié)
可見(jiàn)光材料需在透明性和色散控制之間平衡。例如二氧化硅雖折射率低，但其低色散（阿貝數(shù)64.2）和高均勻性（折射率偏差<0.0001）更適合精密成像。
三、新科技是特例
AMTIR-1（硫系玻璃）的折射率約為2.798（10μm），雖高于可見(jiàn)光材料但低于鍺，但其低熱膨脹系數(shù)（12×10??/℃）適合寬溫域應(yīng)用。
超材料與人工結(jié)構(gòu)
3D梯度折射率（GRIN）超材料通過(guò)納米線(xiàn)陣列實(shí)現(xiàn)折射率連續(xù)調(diào)控，在雙波段紅外（3-5μm和7.5-9.2μm）實(shí)現(xiàn)無(wú)色差成像，突破傳統(tǒng)材料限制。
一言而結(jié)
紅外材料的折射率普遍高于可見(jiàn)光材料，這一特性由材料能隙、極化能力和應(yīng)用需求共同決定。未來(lái)隨著半哈斯勒合金和超材料的發(fā)展，折射率調(diào)控將更趨靈活，推動(dòng)紅外光學(xué)系統(tǒng)向小型化、高性能方向演進(jìn)。
關(guān)于我們
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采用德國(guó)薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系，能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線(xiàn)薄膜，應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、光學(xué)科研，紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫(huà)框，工業(yè)燈具照明，廣告機(jī)，點(diǎn)餐機(jī)，電子白板，安防監(jiān)控等。卷柔新技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)【sol-gel溶膠凝膠法鍍膜線(xiàn)】，這條生產(chǎn)線(xiàn)能夠生產(chǎn)全球先進(jìn)的減反射玻璃。鍍膜版面可達(dá)到2440*3660mm，玻璃厚度從0.3mm到12mm都可以,另外針對(duì)PC,PMMA方面的增透膜也具有量產(chǎn)生產(chǎn)能力。ARcoating減反膜基本接近無(wú)色,色彩還原性好，并且可以避免了磁控濺射的缺點(diǎn)，鍍完增透膜后玻璃可以做熱彎處理和鋼化處理以及DIP打印處理。這個(gè)難度和具有很好的應(yīng)用性，新意突出，實(shí)用性突出，濕法鍍膜在價(jià)格方面也均優(yōu)于真空磁控的干法。
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我們的愿景：卷柔讓光學(xué)更具價(jià)值！
我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術(shù)！
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上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學(xué)鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶(hù)，努力為客戶(hù)創(chuàng)造新的利潤(rùn)空間和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為中國(guó)的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
