中红外波段光学材料与技术在国防、医疗等领域具有重要的应用价值。本书以最为实用的工业技术以及最为前沿的科研成果为题材，系统总结了中红外光源、材料及与之相关的各种应用技术。主要内容包括中红外激光传输光纤、红外光学薄膜、波导、单晶与陶瓷、半导体发光材料、红外窗口材料、金刚石膜与类金刚石膜红外光学应用、2.0pm波段激光器、3-5pm波段中红外激光器以及中红外可饱和吸收体脉冲激光器。全书内容丰富、题材翔实、涵盖面广、分析透彻。 本书可作为专业从事中红外材料、器件和应用技术研究的科研工作者和工程技术人员的参考书，也可以作为高等院校物理学、光学、材料科学与工程等专业的研究生和高年级本科生的专题参考书。

第1章 绪论
　　1.1 中红外技术简介
　　中红外技术是指工作在中红外波段的光学技术，中红外光谱波长范围一般为2～20μm(对应波数为500～5000 cm-1)，不同的技术领域对中红外波段波长范围的区分略有差异。中红外波段包含了众多重要分子的光谱指纹区，以及3～5μm 和8～13μm 两个电磁辐射地球的大气透过窗口，使得此波段区域在分子光谱学、材料加工、化学、生物分子传感、工业应用及国防安全中具有重要的应用与研究价值，至今仍是国际研究的热点问题。
　　1.1.1 中红外波段的特性
　　中红外波段具有几个重要的特性：分子指纹区，大气透过窗口，热辐射区，以及水、聚合物等材料的高吸收区。
　　1.分子指纹区
　　分子由两个或多个原子通过化学键结合而成，分子除了转动运动外，分子内原子之间还存在弯曲、伸缩、剪切、扭曲和摇摆等振动运动，因此分子可以以不同的激发态形式存在，所有这些能态都可用于识别各种材料。为了探测这些能态，可以在振动光谱技术中使用红外光(infrared，IR)，如近红外、拉曼和中红外。其中，中红外光与基频振动相互作用，提供了更强的光谱特性和更多的识别特征，分子共价键的典型红外吸收位于600～4000 cm-1。
　　图1.1显示了各种类型的分子化学键通常的吸收光谱区域。例如，在2200～2400 cm-1附近出现一条尖锐的吸收带，则表明可能存在C≡N 或C≡C 三键。600～1400 cm-1的光谱区域称为“指纹区域”或“光谱指纹”。这是一个复杂的光谱区域，有大量重叠的谱带。由于分子具有不同的官能团，所以可以使用中红外光谱识别分子并表征其结构。由于混合物的中红外光谱是各组分的光谱叠加而成的，所以依照光谱特征可以测定混合物中各组分的含量。中红外区域吸收较强，提供了大多数有机分子的结构信息，可以用来检测有机分子的体积分数。因此可以利用中红外激光来进行有机化合物认证、毒气监测、疾病诊断等。
　　图1.1 各种类型的分子化学键通常的吸收光谱区域[1]
　　2.大气透过窗口
　　大气对电磁波散射和吸收等因素的影响，使一部分波段的太阳辐射在大气层中的透过率很小或根本无法通过。电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。为了利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像，遥感、探测中对地物特性进行探测的电磁波“通道”应选择在大气窗口内。目前常使用的一些光学及红外大气窗口如下。
　　(1)0.3～1.155μm，包括部分紫外线(UV)、全部可见光(visible)和部分近红外，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的*佳波段，也是许多卫星遥感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的专题制图仪(TM)的1～4波段；SPOT 卫星的高分辨率可见光扫描仪(HRV)波段等。其中，0.3～0.4μm，透过率约为70％；0.4～0.7μm，透过率大于95％；0.7～1.155μm，透过率约为80％。
　　(2)1.4～1.9μm，近红外窗口，透过率为60％～95％，其中1.55～1.75μm 透过率较高。在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。比如，TM 的5、7b 波段等用以探测植物含水量以及云、雪，或用于地质制图等。
　　(3)2.0～2.5μm，近红外窗口，透过率约为80％。
　　(4)3.5～5.0μm，中红外窗口，透过率为60％～70％。该波段物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射太阳辐射外，地面物体自身也有长波辐射。比如， NOVV 卫星的 AVHRR 遥感器用3.55～3.93μm 探测海面温度，获得昼夜云图。
　　(5)8.0～14.0μm，热红外窗口，透过率约为80％。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。
　　大气成分中，吸收电磁辐射的主要物质为水汽分子、二氧化碳、氧气和臭氧等，在0.2～100μm 波段范围内，大气的透过率如图1.2所示，其中水汽分子是主要吸收体，较强的水汽吸收带位于0.71～0.735μm、0.81～0.84μm、0.89～0.99μm、1.07～1.20μm、1.3～1.5μm、1.7～2.0μm、2.4～3.3μm、4.8～8.0μm。二氧化碳的吸收带位于13.5～17μm。这些吸收带间的空隙形成一些红外窗口。其中*宽的红外窗口在8～13μm 处(9.5μm 附近有臭氧的吸收带)。17～22μm 是半透明窗口。22μm 以后直到1 mm 波长处，由于水汽的严重吸收，对地面的观测者来说完全不透明。借助大气在中红外波段的传输窗口，可以实现通信、遥感、探测等重要应用。
　　图1.2 0.2～100μm 大气透过率谱[2]
　　图1.2为从可见光到中红外波段的大气透过率曲线，中红外波段处于大气透明窗口，此波段对大雾、烟尘等具有较高的透过能力，在空气中传输时受分子散射小，因此中红外脉冲激光可应用于激光测距、远程遥感、无线通信等方面。
　　3.热辐射区
　　热辐射，是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是一种物体以电磁辐射的形式把热能向外散发的热传方式，它不依赖于任何外界条件而进行。一切温度高于热力学零度的物体都能产生热辐射，温度越高，辐射出的总能量就越大，短波成分也越多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可为0～∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。温度较低时热辐射主要以不可见的红外光进行辐射；当温度小于1000 K 时，热辐射中*强的波长在红外区；当物体的温度在4000～8000 K 时，热辐射中*强的波长成分在可见光区。普朗克定律和维恩位移定律显示了这一能量辐射规律。
　　从黑体辐射的光谱强度分布图(图1.3)中可以看出，大多数室温或者温度小于2000 K 的物体辐射的能量主要集中在中红外波段，利用这一特性，结合红外探测技术，可应用于红外测温、红外成像、红外探测器、红外无损检测，以及军事上的红外侦察、红外雷达、红外制导等[4]。
　　图1.3 黑体辐射的光谱强度分布图[3]
　　4.水、聚合物等材料的高吸收区
　　水在中红外波段具有几个重要的吸收峰(图1.4)，比如2.94μm 处，其吸收相对于近红外波段要高3～4个数量级。因为这一特性，医疗上经常借助此波段范围的激光来达到医学治疗的目的，比如牙科用2.94μm 铒(Er)激光、泌尿外科
　　图1.4 水吸收谱[9]
　　用2.1μm 钬(Ho)激光及1.94μm 铥(Tm)激光等。水的吸收程度直接决定了激光在组织中的穿透深度、手术区域的大小等[5-8]。
　　除水的吸收较强外，聚合物材料在中红外波段，由于 C—H、O—H、N—H 等单键基团的一级倍频或合频吸收，或者是它们与 C==C、C==N、C==O 等双键基团的一级合频吸收，使其在中红外波段具有较强的吸收特性(图1.5)。得益于这种吸收特性，可直接实现透明/半透明/白色等聚合物材料的焊接。比如，2.0μm 波段激光在透明塑料材料激光切割、焊接等应用领域有重要地位，塑料材料对从紫外到近红外的激光基本是透明的，而大部分常见聚合物在波长包含2.0μm 的中红外波段有强烈的吸收带，因此可以利用2.0μm 波段的中红外激光进行聚合物加工(如切割与焊接)等[10，11]。
　　图1.5 聚合物材料的吸收[11]
　　PE-LD：低密度聚乙烯；PE-HD：高密度聚乙烯；PMMA：有机玻璃；PP：聚丙烯；POM：聚甲醛； PETG：醇化聚酯
　　1.1.2 中红外技术的发展
　　红外技术发展的先导是红外探测器技术。1800年，F.W.赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是*原始的热敏型红外探测器。1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律：它们都是电磁波，具有波动性，其传播速度都是光速，波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初，人们测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。20世纪30年代，首次出现红外光谱仪，以后它发展成为在物质分析中不可缺少的仪器。20世纪40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。20世纪50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的发展。到20世纪60年代初期，对于1～3μm、3～5μm、8～13μm 的三个重要的大气窗口都有了性能优良的探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型制冷器等方面的发展，使得红外技术在军民两用方面都得到了广泛的应用。
　　20世纪60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状和发展方向。20世纪60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，激光较好的相干性使得雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。中红外技术的应用离不开中红外波段光源、中红外波段材料以及中红外探测器，本书从这三个方面出发，重点介绍中红外光学材料及相关应用，分为材料部分和应用部分。材料部分主要介绍硅系、锗系、硫系等的光纤、薄膜、波导等，以及中红外单晶与陶瓷、半导体发光材料等。应用部分主要介绍基于材料的中红外窗口、金刚石与类金刚石膜红外光学器件、中红外可饱和吸收体以及2～5μm 激光器。
　　1.2 中红外光学材料
　　中红外技术在国防军事、科研、工业、医疗等各个领域都有着极为重要的应用。无论在哪个领域的应用，其*根本的问题是解决材料问题，因此新型光学材料对实现新型中红外功能器件和系统起着至关重要的作用。有多种类型的材料可用于中红外波段，包括半导体(硅、锗、砷化镓等)、氧化物和氮氧化物、硫系化合物(硫化物、硒化物和碲化物)和卤化物(氟化物、氯化物、溴化物和碘化物)等。图1.6(a)对几种主要中红外材料的透射范围进行了比较，图1.6(b)为这些材料在4.0μm 波长下的折射率[12]。下面对不同功能的中红外材料进行简单介绍。
　　1.2.1 固体发光材料
　　发光材料是能够把各种激发能量(电、光、射线)转换成光的形式释放出来的材料。固体发光材料主要分为两类，一类是通过分立发光中心将吸收的光泵浦能量转换成所需要的波长的固体激光材料，基质分为单晶、透明陶瓷和玻璃三种；另一类是以电泵浦为主的半导体发光材料。

目录
“先进光电子科学与技术丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 中红外技术简介 1
1.1.1 中红外波段的特性 1
1.1.2 中红外技术的发展 5
1.2 中红外光学材料 6
1.2.1 固体发光材料 6
1.2.2 光纤材料 8
1.2.3 窗口和薄膜材料 8
1.2.4 波导材料 9
1.2.5 陶瓷和金刚石膜 9
1.3 中红外应用技术 10
1.3.1 中红外气体检测技术 10
1.3.2 生物医疗技术 11
1.3.3 中红外探测技术 12
1.3.4 中红外激光光源技术 12
参考文献 14
第2章 中红外激光传输光纤 19
2.1 概述 19
2.2 光纤的种类 19
2.2.1 石英光纤 19
2.2.2 非石英光纤 24
2.3 光纤的制造 26
2.3.1 材料提纯 26
2.3.2 光纤预制棒 27
2.3.3 光纤的拉制工艺 35
2.4 激光在光纤中的传输 37
2.4.1 传输方程 37
2.4.2 非线性效应 38
2.4.3 色散效应 43
2.4.4 传输损耗 46
2.5 光纤的应用 48
2.5.1 光纤器件 48
2.5.2 光纤通信 54
2.5.3 光纤传感 55
2.5.4 超连续谱光源 56
参考文献 57
第3章 红外光学薄膜 61
3.1 薄膜光学与光学薄膜 61
3.1.1 薄膜光学概论 63
3.1.2 光学薄膜的功能 75
3.1.3 光学薄膜的制备 80
3.2 中红外光学薄膜材料 85
3.2.1 氟化物 86
3.2.2 硫系材料 86
3.2.3 硅系材料 87
3.2.4 锗系材料 88
3.2.5 其他材料 88
3.3 红外薄膜材料的发展趋势 90
3.3.1 中红外激光薄膜 90
3.3.2 硬质碳基膜 91
3.3.3 红外隐身膜 92
参考文献 93
第4章 波导 95
4.1 概述 95
4.2 波导制备及测试技术 96
4.2.1 光波导简介 96
4.2.2 波导制备技术及工艺 99
4.2.3 波导测试技术 102
4.3 硅基波导 105
4.3.1 绝缘衬底上硅 106
4.3.2 蓝宝石上硅 110
4.3.3 氮化硅上硅 112
4.3.4 铌酸锂上硅 114
4.4 锗和硅锗波导 116
4.4.1 硅上的锗 116
4.4.2 绝缘衬底上锗 118
4.4.3 氮化硅上锗 120
4.4.4 硅锗合金 121
4.5 其他波导材料 123
4.5.1 硫系玻璃 123
4.5.2 氮化硅和氮化铝 126
4.5.3 砷化镓 130
4.5.4 铌酸锂 132
4.5.5 锗锡合金 133
4.6 中红外波导的应用与发展趋势 134
参考文献 135
第5章 单晶与陶瓷 140
5.1 概述 140
5.1.1 透明与半透明 140
5.1.2 透明材料 140
5.1.3 陶瓷材料透明度表征 142
5.1.4 固态激光简史 145
5.2 单晶制备工艺及性能表征 147
5.2.1 单晶材料简述 147
5.2.2 单晶体制备工艺及性能 148
5.3 透明陶瓷工艺过程及性能表征 154
5.3.1 透明陶瓷概述 154
5.3.2 透明陶瓷材料分类 156
5.3.3 透明陶瓷烧结技术 170
5.3.4 透明陶瓷工艺过程若干影响因素 176
5.4 结论及展望 192
参考文献 192
第6章 半导体发光材料 213
6.1 概述 213
6.1.1 中红外半导体发光材料和器件发展简介 213
6.1.2 半导体材料的发光机理 215
6.2 锑化物 217
6.2.1 锑化铟 217
6.2.2 锑化镓 221
6.2.3 砷化铟 224
6.2.4 铟砷锑 226
6.2.5 铟镓砷锑 230
6.2.6 铝镓砷锑 234
6.2.7 铟镓砷磷 235
6.2.8 铟砷磷锑 238
6.2.9 铟镓砷 239
6.2.10 铟铝镓砷 240
6.3 铅化物 241
6.3.1 硫化铅 241
6.3.2 硒化铅 243
6.4 其他新材料 246
6.4.1 硅烯 246
6.4.2 黑磷 248
6.5 中红外半导体发光器件制备技术及应用 251
6.5.1 半导体发光器件制备技术 251
6.5.2 半导体发光材料和器件的应用 255
参考文献 257
第7章 红外窗口材料 269
7.1 红外窗口材料概述 269
7.2 锗和硅 270
7.3 蓝宝石和多晶氧化铝 275
7.4 硫化锌和硒化锌 283
7.5 氟化镁和氟化钙 287
7.6 尖晶石和氮氧化铝 290
7.7 砷化镓和磷化镓 296
7.8 氧化钇和YAG晶体 298
7.9 红外光学玻璃 303
7.9.1 氧化物玻璃 303
7.9.2 硫系玻璃 307
7.10 其他红外窗口材料 311
参考文献 312
第8章 金刚石膜与类金刚石膜红外光学应用 321
8.1 金刚石膜的物理结构和性能 321
8.2 金刚石膜的制备 322
8.2.1 热丝化学气相沉积法 323
8.2.2 直流电弧等离子体喷射化学气相沉积制备 324
8.2.3 微波等离子体化学气相沉积制备 325
8.3 金刚石膜的表征 327
8.3.1 拉曼谱 327
8.3.2 X射线衍射 328
8.3.3 硬度测试 329
8.3.4 扫描电镜 329
8.4 金刚石膜在光学、红外光学领域的应用 330
8.5 金刚石膜打磨技术 334
8.6 纳米和超纳米金刚石膜 335
8.7 类金刚石膜的物理结构和特性 338
8.8 类金刚石膜的制备方法 339
8.8.1 射频辉光放电等离子体化学气相沉积 340
8.8.2 磁控溅射制备法 340
8.8.3 磁控过滤阴极电弧沉积制备方法 341
8.8.4 脉冲激光沉积类金刚石膜 342
8.9 类金刚石膜的成膜机理 343
8.10 类金刚石膜的黏附力和稳定性问题 346
8.11 类金刚石膜的表征 348
8.11.1 拉曼谱 348
8.11.2 X射线光电子谱 350
8.11.3 扫描电镜和原子力显微镜 350
8.12 类金刚石膜的可见光、红外光学领域的应用 351
8.12.1 红外窗口探测器增透和保护膜应用 352
8.12.2 太阳能电池增透和保护膜应用 354
8.13 类金刚石膜红外减反膜的抗摩擦和抗侵蚀性 356
参考文献 357
第9章 2.0 μm波段激光器 368
9.1 掺铥激光器 370
9.1.1 铥离子能级结构及泵浦方式 370
9.1.2 掺铥固体激光器 373
9.1.3 掺铥光纤激光器 381
9.2 掺钬激光器 389
9.2.1 钬离子能级结构及泵浦方式 389
9.2.2 掺钬固体激光器 390
9.2.3 掺钬光纤激光器 397
9.3 增益调制2.0 μm激光器 407
9.3.1 增益调制激光器基本原理 408
9.3.2 增益调制2.0 μm半导体激光器 409
9.3.3 基于增益开关技术的2.0 μm半导体激光器 412
9.3.4 增益调制的2.0 μm光纤激光器 416
9.4 高功率2.0 μm波段激光器 425
9.4.1 高功率2.0 μm波段激光器概述 425
9.4.2 高功率连续波2.0 μm波段激光器 427
9.4.3 高功率纳秒脉冲2.0 μm波段激光器 433
9.4.4 高功率皮秒脉冲2.0 μm波段激光器 438
9.4.5 高功率飞秒脉冲2.0 μm波段激光器 444
9.5 基于铥钬激光的波长扩展 450
9.5.1 铥激光泵浦拉曼激光器 451
9.5.2 铥激光泵浦超连续谱光源 458
9.6 2.0 μm光纤超荧光光源 471
9.6.1 掺铥ASE光源 473
9.6.2 掺钬超荧光光源 476
9.7 2.0 μm波段激光器的应用 481
9.7.1 2.0 μm波段激光在医疗方面的应用 482
9.7.2 2.0 μm波段激光在工业方面的应用 488
9.7.3 2.0 μm波段激光在其他方面的应用 490
参考文献 492
第10章 3～5 μm波段中红外激光器 507
10.1 概述 507
10.1.1 中红外激光器发展简史和现状 507
10.1.2 中红外激光器的基本类别 509
10.1.3 中红外激光器的相关测量技术 511
10.2 连续中红外激光器 512
10.2.1 不同波长中红外激光的实现方法 512
10.2.2 中红外激光器的光谱管理技术 524
10.2.3 中红外激光器的功率提升技术 530
10.3 脉冲中红外激光器 541
10.3.1 微秒、纳秒长脉冲中红外激光器 541
10.3.2 皮秒、飞秒超短脉冲中红外激光器 546
10.4 中红外激光器波长变换技术 555
10.4.1 中红外泵浦转换技术 555
10.4.2 非线性参量转换技术 558
10.4.3 受激拉曼频移技术 565
10.4.4 中红外频率梳技术 568
10.4.5 中红外超连续谱技术 575
10.5 中红外激光器应用 577
10.5.1 工业、医疗等领域 577
10.5.2 前沿技术领域 579
参考文献 581
第11章 中红外可饱和吸收体脉冲激光器 589
11.1 中红外脉冲光纤激光器概述 589
11.2 中红外可饱和吸收体的种类与制备方法 590
11.2.1 一维材料可饱和吸收体 590
11.2.2 二维材料可饱和吸收体 593
11.2.3 其他可饱和吸收体 600
11.3 中红外可饱和吸收体表征方法 602
11.3.1 材料常用表征方法 602
11.3.2 非线性光学特性表征 608
11.4 中红外可饱和吸收体调Q技术 614
11.4.1 激光脉冲的产生 614
11.4.2 可饱和吸收体调Q原理及特性分析 615
11.4.3 中红外可饱和吸收体调Q激光器 622
11.5 中红外可饱和吸收锁模技术 630
11.5.1 可饱和吸收体锁模基本原理 631
11.5.2 中红外可饱和吸收体锁模激光器 635
参考文献 638