做透镜、窗口片、棱镜或者激光光学元件时，经常会遇到一个问题：到底应该选择什么材料？N-BK7、熔融石英、CaF₂、蓝宝石、ZnSe、Si、Ge……看起来都是透明材料，但真正放进光学系统以后，差别非常大。

有的适合可见光；有的能进入深紫外；有的专门用于3–5 μm红外；有的可以一直工作到10 μm以上。所以选择光学材料，最重要的第一步不是看价格，而是：

先看波长。

01｜先建立一张“光学材料地图”

可以先把常见材料简单分成下面几类：

这张表不需要死记。只需要先形成一个概念：

可见光 → BK7

紫外 → Fused Silica / CaF₂ / MgF₂

恶劣环境 → Sapphire

3–5 μm → Si / Sapphire / CaF₂等按系统选择

8–12 μm → Ge / ZnSe等

10.6 μm CO₂激光 → ZnSe非常经典

下面再逐个解释。

02｜N-BK7 / H-K9L：最常见的“通用型”光学玻璃

如果做普通可见光光学系统，首先想到的往往就是这一类材料。N-BK7是SCHOTT非常经典的硼硅冠玻璃。国内常见的H-K9L则属于性能接近的光学玻璃体系。它们最大的优势不是某一个参数做到极致，而是：综合性能非常均衡。主要特点：

• 可见光透过性能好
• 光学均匀性好
• 加工技术成熟
• 容易获得较高表面质量
• 成本相对合理
• 镀膜工艺成熟

因此大量应用于：透镜、窗口片、棱镜、分光元件、成像系统、实验室光学元件

一句话理解

如果系统主要工作在可见光，而且没有特殊要求，N-BK7 / H-K9L通常是首先考虑的材料之一。

03｜熔融石英：做UV和激光系统非常重要

Fused Silica（熔融石英）是激光光学中非常重要的一类材料。与普通光学玻璃相比，它最大的几个优势是：紫外透过性能更好、热膨胀系数很低、热稳定性好、高纯度材料可获得较低吸收。因此经常用于：

• 紫外激光
• 高功率激光
• 精密窗口
• 光谱系统
• 半导体设备
• 激光加工
• 科研光学

尤其是在：355 nm、266 nm以及更短紫外波长。普通BK7类玻璃逐渐受到限制时，高品质UV级熔融石英的重要性就会明显提高。

04｜BK7还是Fused Silica？

这是非常常见的问题。简单比较：

但需要特别说明：材料本身并不能单独决定激光损伤阈值。高功率激光系统还必须考虑：材料内部缺陷、表面质量、抛光质量、镀膜、污染、激光脉宽、光斑尺寸、重复频率等因素。

05｜CaF₂：从紫外一直跨到红外

CaF₂，也就是：Calcium Fluoride / 氟化钙，是一种非常有代表性的宽光谱光学晶体。它可以覆盖非常宽的光谱范围，从紫外一直延伸到中红外区域。CaF₂还有一个非常重要的特点：色散比较低。因此它经常与其他材料组合，用于：消色差和复消色差光学系统。典型应用包括：

• UV光学
• 准分子激光
• 光谱仪
• 红外窗口
• 红外透镜
• 消色差光学系统
• 天文光学

一句话理解：既要UV，又希望覆盖较宽红外范围 → CaF₂非常值得考虑。

06｜MgF₂：深紫外应用的重要材料

MgF₂，也就是：Magnesium Fluoride / 氟化镁，同样是一种非常重要的紫外光学材料。它在深紫外区域具有良好的透射性能，同时机械性能通常比一些较软的氟化物更好。常用于：

• UV窗口
• 深紫外光学
• 准分子激光
• 光谱仪
• 偏振光学
• 激光系统

MgF₂本身还是一种：双折射晶体。因此设计精密偏振系统时，还需要考虑晶体取向。另外，MgF₂也是非常经典的：光学薄膜材料。

07｜CaF₂和MgF₂怎么选？

两者都能做UV，但侧重点不同。

CaF₂

优势：超宽光谱 + 低色散；适合：UV + IR宽波段、消色差系统

MgF₂

优势：深紫外 + 相对良好的环境和机械性能；适合：UV窗口、深紫外、偏振相关应用

所以不能简单说谁“更好”。应该看系统到底需要：更宽光谱；还是：更偏向深紫外应用。

08｜BaF₂：红外范围非常宽，但使用环境要注意

BaF₂：Barium Fluoride / 氟化钡，也是一种宽波段红外材料。它能够覆盖从紫外/可见边缘一直到较长红外波段。因此常用于：

• 红外窗口
• 红外光谱
• 红外成像
• 探测系统

但是BaF₂有一个比较明显的问题：环境耐受性不如一些更稳定的光学材料。特别是在潮湿环境下，需要更加注意：保存、清洁和长期可靠性。

所以它虽然光谱性能很好，但并不是所有红外系统的第一选择。

09｜蓝宝石：最突出的特点是“硬”

蓝宝石：Sapphire / Al₂O₃，和前面的材料风格完全不同。它最大的优势之一是：硬度非常高。同时还具有：

• 很好的机械强度
• 耐磨
• 耐腐蚀
• 高温稳定性好
• 可覆盖UV到中红外的一定范围

因此特别适合：恶劣环境光学窗口。例如：

• 激光保护窗口
• 高压窗口
• 高温窗口
• 传感器保护窗口
• 无人机/航空窗口
• 户外光学系统
• 工业检测设备

一句话理解

如果普通玻璃担心：划伤、冲击、高温、腐蚀，那么就应该考虑：Sapphire。

10｜进入红外以后，材料体系完全变了

当工作波长从可见光进入：3–5 μm，甚至：8–12 μm，普通BK7玻璃已经不再适用。这时最常见的材料开始变成：Si、Ge、ZnSe、CaF₂、BaF₂、Sapphire等。

其中三个特别重要：Silicon / Germanium / Zinc Selenide，也就是：硅 / 锗 / 硒化锌。

11｜Silicon：3–5 μm红外非常常见

Silicon，也就是硅，是非常重要的红外光学材料。它在可见光下看起来并不透明。但进入红外波段以后，就完全不同了。Silicon具有：

• 较高折射率
• 较好的热导率
• 密度比Ge低
• 机械性能较好

因此在：3–5 μm中波红外（MWIR）系统中非常常见。典型应用：

• 红外成像
• 红外窗口
• 红外透镜
• 热探测
• 红外传感器

12｜Germanium：8–12 μm热成像经典材料

Germanium，也就是：Ge / 锗，可能是普通人最容易接触到的红外光学材料之一。因为它大量应用在：8–12 μm长波红外热成像系统。例如：

红外热像仪、夜视系统、测温设备、红外探测、安防监控

Ge具有非常高的折射率。这意味着：表面反射也很强。因此Ge光学元件通常需要：AR增透膜。否则两个表面的反射损耗会非常明显。

13｜ZnSe：看到CO₂激光，就应该想到它

ZnSe：Zinc Selenide / 硒化锌，是中远红外激光系统中非常经典的材料。特别是：10.6 μm CO₂激光。ZnSe具有很好的应用基础。因此大量用于：

• CO₂激光聚焦镜
• CO₂激光窗口
• 红外透镜
• 红外窗口
• 热成像
• 红外光谱

ZnSe还有一个很直观的特点：通常呈淡黄色到黄橙色。但它的机械硬度相对有限，表面需要小心清洁，避免划伤。

14｜Si、Ge、ZnSe到底怎么选？

这是红外光学里非常常见的问题。可以先用这张表建立直觉：

所以可以粗略记成：

MWIR 3–5 μm → 先想到Si

LWIR 8–12 μm → 先想到Ge

10.6 μm CO₂激光 → 先想到ZnSe

当然，这只是快速筛选。最终还要考虑：温度、机械强度、折射率、吸收、色散、镀膜、成本等因素。

15｜一张图理解常用材料覆盖范围

可以把常用光学材料大致理解成：

UV ←──────── Visible ────────→ NIR ─────→ MWIR ─────→ LWIR

Fused Silica
████████████

N-BK7
　██████████

CaF₂
████████████████████████

MgF₂
██████████████████

Sapphire
████████████████

Silicon
　　　　　　　████████████

Germanium
　　　　　　　　　████████████████

ZnSe
　　　　　████████████████████████

注：上图用于帮助建立波段概念，不代表严格的材料透过截止波长。实际透过率与材料等级、厚度、表面处理、温度和镀膜有关。

16｜为什么同一种材料还要镀AR膜？

这里有一个非常容易产生的误区：“材料本身能透光 = 做成窗口以后透过率就很高。”实际上不是。光到达空气—材料界面时，会发生：Fresnel Reflection / 菲涅耳反射。而且：材料折射率越高，通常未镀膜表面反射越明显。例如：

N-BK7的折射率并不算特别高；而Si和Ge属于明显的高折射率材料。因此红外Si、Ge元件通常非常依赖：AR Coating / 增透膜。这也是为什么采购红外窗口时：不能只问：“是什么材料？”，还要问：“工作波长和镀膜是什么？”

17｜光学材料真正应该怎么选？

实际工程中建议按照这个顺序：

第一步：确定波长

UV？VIS？NIR？3–5 μm？8–12 μm？10.6 μm？

↓

第二步：确定用途

透镜？窗口？棱镜？保护窗口？激光聚焦？成像？

↓

第三步：确定功率

普通光源？CW激光？ns？ps？fs？

↓

第四步：确定环境

室内？户外？高温？真空？高压？潮湿？腐蚀？

↓

第五步：比较材料性能

透射范围、折射率、色散、热导率、热膨胀、硬度、机械强度、吸湿性、材料均匀性

↓

第六步：最后确定镀膜

AR、BBAR、激光线增透、高功率激光膜、红外增透膜

这样选出来的材料，才真正适合系统。

18｜不会选？直接看这张表

19｜最后记住这8句话

如果不想记复杂参数，先记住：

普通可见光 → N-BK7 / H-K9L

UV和激光 → Fused Silica

超宽UV-IR → CaF₂

深紫外 → MgF₂ / CaF₂ / UVFS

高硬度 → Sapphire

3–5 μm → Silicon很常见

8–12 μm → Germanium很经典

10.6 μm CO₂激光 → ZnSe

但真正专业的材料选型，从来不是只看“能不能透过”。还应该综合考虑：

波长 × 透过率 × 折射率 × 色散 × 激光功率 × 温度 × 机械性能 × 环境 × 镀膜

最终选择的，不一定是参数最漂亮的材料。而应该是：最适合整个光学系统的材料。