一篇必讀文章：為什麼硫系玻璃是中遠紅外線光學濾波器不可取代的核心材料

如果你問任何一位紅外線光學工程師，中遠紅外線波段最困難的材料選擇問題是什麼，你很可能會得到相同的答案：找到一種在中遠紅外線波段具有高透明度、機械強度足夠高、並且能夠在實際工作環境中承受考驗的材料——是非常困難的。

鍺晶體性能優良，但價格昂貴且頻寬有限。氟化物晶體具有廣泛的透射範圍，但極易吸濕，即使在略微潮濕的環境下也會開始溶解。矽晶體在中紅外線波段表現尚可，但其透射率在8μm以上開始顯著下降，因此不適用於更長的遠紅外線波長。

硫系玻璃是解決此選擇難題的少數系統性方案之一。

什麼是硫系玻璃？為什麼它在中遠紅外線波段表現出色？

硫系玻璃是一種非晶態玻璃材料，主要由第六族元素－硫（S）、硒（Se）和碲（Te）組成。典型的成分包括As-S、As-Se、Ge-Sb-Se、Ge-As-Se-Te以及其他各種配方。

其在中遠紅外線波段具有優異透射性能的根本原因在於其化學鍵的鍵能相對較低。

材料的紅外線透射率取決於其聲子截止頻率－原子間化學鍵的振動頻率決定了紅外線光的吸收邊緣。較低的鍵能和較高的原子質量會導致較低的聲子頻率，使材料能夠透射更長波長的紅外光。

硫族元素具有較高的原子質量。當它們與砷、鍺和其他元素形成化學鍵時，鍵能較低，聲子截止頻率可以延伸到10μm甚至更長。這使得硫系玻璃能夠在8-14μm的整個長波紅外線窗口及更遠的波段保持高透射率。相較之下，氧化物玻璃（例如SiO₂）具有較高的Si-O鍵能，其聲子截止頻率約為4-5μm，這使得它們在長波紅外線波段完全不透明——這正是為什麼你無法用熱成像儀透過普通玻璃看到任何東西的原因。

不同配方的硫系玻璃具有不同的透射範圍。硫基體系（例如 As₂S₃）的透射窗口約為 0.6μm 至 11μm。硒基體系（例如 As₂Se₃）的透射範圍可超過 15μm。碲基體系的透射範圍較寬，可達 20μm 以上。這種可調諧性使得硫系玻璃能夠覆蓋多個應用波段——從中波到長波，甚至遠超超長波紅外線波段——比任何單晶材料具有更大的靈活性。

與鍺的比較：各有優勢，但硫系玻璃具有獨特的不可替代性。

鍺是中遠紅外線光學元件中最廣泛使用的材料。其在 8–14μm 波段的折射率約為 4.0，具有優異的聚光能力，使其成為熱成像鏡頭的主流選擇。

然而，鍺有三個明顯的限制：

首先是價格波動性。 鍺是一種稀有金屬，全球供應高度集中。受出口政策和下游需求的影響，其價格可能在幾年內翻倍或減半，從而帶來重大的供應鏈風險。

第二，硬度有限。 鍺的維氏硬度約為 780HV。在沙塵或雨水等惡劣環境中，其表面容易磨損和刮傷，與更硬的材料相比，這限制了其作為窗戶或過濾器基材的長期使用壽命。

第三，傳輸範圍有限。 鍺的透射窗口約 2–15μm，超過 15μm 後透射率明顯下降。

硫系玻璃在這三個維度上的性能各不相同，但其透射範圍的優勢在於結構特性－對於需要在超長波紅外線波段覆蓋12μm以上的應用，硫系玻璃是少數的實用選擇之一。此外，作為一種非晶態材料，硫系玻璃可以透過模塑製程批量生產成複雜的表面輪廓，其製造成本低於鍺的精密加工，使其非常適合大規模民用應用。

類鑽碳塗層：解決硫系玻璃硬度不足的問題

硫系玻璃存在一個顯著的機械缺陷：其硬度較低，通常在100-200HV範圍內，遠低於鍺（780HV）和矽（1000HV）。未鍍膜的硫系玻璃表面在沙塵較多的戶外環境或需要頻繁清潔的工業環境中，耐磨性不足，從而限制了其在惡劣條件下的使用壽命。

DLC（類鑽石碳）塗層是解決此問題的最成熟的技術方案。

類鑽碳（DLC）是一種非晶碳薄膜，其維氏硬度通常在1500至3000HV之間，摩擦係數低（乾燥條件下約為0.05至0.15），並且在中遠紅外線波段具有良好的透射率。當沉積在硫系玻璃表面時，它能顯著提高基材的耐磨性、抗刮擦性和抗腐蝕性，同時將對紅外線透射率的影響限制在1%至2%以內。

這種組合的意義在於，硫系玻璃提供寬頻中遠紅外線透射，而類鑽石碳（DLC）提供機械保護。它們共同將兩種很少能在單一材料中同時實現的特性——「寬頻透射」和「環境耐久性」——整合到單一光學元件中。

MULTI IR自主研發了DLC塗層硫系玻璃濾光片，其製程涵蓋多種基底體系，包括As-S、As-Se和Ge-Sb-Se。 DLC薄膜的附著力和均勻性已針對這些基底進行了專門優化。不同硫系玻璃基底與DLC薄膜的熱膨脹係數匹配度差異顯著，直接影響DLC層的附著穩定性－這是硫系玻璃上DLC塗層製程中最具技術挑戰性的環節，也是生產一致性最難控制的部分。目前，MULTI IR的DLC塗層硫系玻璃產品已應用於軍用紅外線窗口、工業熱成像和汽車長波紅外線系統等領域。

硫系玻璃過濾器的關鍵選擇標準

應用層級的選擇通常需要確認三件事：

1. 工作頻段要求。 不同的硫系玻璃配方具有不同的透射窗口。對於 8–12μm 波段的應用，As-Se 體系通常就足夠了。對於 14μm 以上的應用，則需要含碲或硒含量較高的配方。如果基底配方選擇不當，導致透射率不符合規格，則後續的鍍膜製程無法彌補。

2. 機械環境要求。 對於室內固定安裝，可以使用未鍍膜的硫系玻璃基板，但DLC鍍膜會增加成本。對於戶外、汽車、航空或船舶等涉及沙塵、雨水或振動的應用，DLC鍍膜不可或缺。運作環境決定了是否需要鍍膜，以及DLC層的厚度和硬度規格。

3. 傳輸和阻塞之間的權衡。 硫系玻璃濾光片的透射率受基底吸收和表面反射的雙重影響。抗反射塗層可以顯著提高峰值透射率，但其設計必須結合類鑽碳（DLC）層的光學特性來考慮－不能獨立最佳化。

從軍用熱成像系統中的探測器窗口到民用氣體分析儀中的濾波器前端，硫系玻璃在中遠紅外線領域的廣泛應用反映了這種材料獨特的物理特性：很少有材料能夠在整個 8–14μm 窗口內同時保持高透射率、可加工性和合理的成本控制。

這並非因為沒有人尋找替代方案——而是因為分子物理學在這裡設定了一個很高的門檻，而硫系玻璃恰好跨越了這個門檻。

人工智慧生成的圖像

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