硫系玻璃为什么是中远红外滤光片不可替代的核心材料

如果问一个做红外光学的工程师，中远红外波段最难处理的材料选型问题是什么，大概率会得到一个相同的答案：找到一种既对中远红外高度透明、又有足够机械强度、还能承受实际使用环境的材料，非常难。 锗很好，但贵，而且对波段有限制；氟化物晶体透过范围够宽，但极度怕水，稍微潮湿就开始溶解；硅在中远红外表现尚可，超过8μm后透过率才开始明显下降，在更长的远红外波段不再适用。 硫系玻璃（Chalcogenide Glass）是这个选型困境里为数不多的系统性解决方案之一。

硫系玻璃是什么，为什么它在中远红外表现优异

硫系玻璃是以硫（S）、硒（Se）、碲（Te）等第六族元素为主要成分的非晶态玻璃材料，典型体系包括As-S、As-Se、Ge-Sb-Se、Ge-As-Se-Te等多种配方。

它在中远红外波段透过性能优异的根本原因，在于构成材料的化学键键能较低。

红外透过性取决于材料的声子截止频率——材料中原子之间化学键的振动频率决定了材料对红外光的吸收边界，键能越低、原子质量越大，声子频率越低，材料能透过的红外波长就越长。

硫族元素原子质量大，与砷、锗等形成的化学键键能低，声子截止频率可以低至10μm以上甚至更长波段，这使硫系玻璃能在整个8~14μm长波红外窗口乃至更长波段保持高透过率。相比之下，氧化物玻璃（如SiO₂）的Si-O键能高，声子截止频率在4~5μm附近，对长波红外完全不透明——这也是为什么热像仪隔着普通玻璃什么都看不到。

不同配方的硫系玻璃，透过范围不同。含硫体系（As₂S₃）透过窗口大约在0.6~11μm；含硒体系（As₂Se₃）可以延伸到15μm；含碲体系透过范围更宽，可到20μm以上。这种可调性，让硫系玻璃能覆盖从中波到长波乃至超长波红外的多个应用波段，选择空间远大于单一晶体材料。

和锗对比：各有优劣，但硫系玻璃有独特的不可替代性

锗是中远红外光学里用量最大的材料，在8~14μm的折射率约为4.0，折射率高带来了出色的集光能力，是热成像镜头的主流选择。

但锗有三个明显局限：

第一，价格波动大。锗是稀有金属，全球供应高度集中，受出口政策和下游需求影响，价格波动幅度可以在几年内翻倍或腰斩，供应链风险不小。

第二，硬度有限。锗的维氏硬度约780HV，在沙尘、雨水等恶劣环境下，表面容易被磨损划伤，在窗口片和滤光片基底上的长期服役能力不如硬度更高的材料。

第三，透过范围有上限。锗的透过窗口大约在2~15μm，在更长波段（超过15μm）透过率明显下降。

硫系玻璃在这三个维度上的表现各有不同，但在透过范围上的优势是结构性的——需要覆盖超过12μm的超长波红外应用，硫系玻璃是为数不多的实用选择之一。同时，硫系玻璃是非晶态材料，可以通过模压成型工艺批量生产复杂面型的光学元件，制造成本低于锗的精密机械加工，适合大规模民用化应用。

DLC镀膜：解决硫系玻璃的硬度短板

硫系玻璃本身的机械性能有一个明显短板：硬度不高，典型值在100~200HV之间，远低于锗（780HV）和硅（1000HV）。裸露的硫系玻璃表面，在有沙尘的户外环境或需要频繁擦拭清洁的工业场景里，耐磨损能力不足，限制了它在苛刻环境下的使用寿命。

DLC是一种非晶态碳薄膜，维氏硬度通常在1500~3000HV之间，摩擦系数低（干摩擦约0.05~0.15），在中远红外波段有良好的透过性能，镀覆在硫系玻璃表面后，能大幅提升基底的耐磨、耐划伤、耐腐蚀能力，同时对红外透过率的影响控制在1~2个百分点以内。

这个组合的意义在于：硫系玻璃提供宽波段的中远红外透过能力，DLC提供机械防护，两者结合，把"宽波段透过"和"环境适应性强"这两个在单一材料里很难同时实现的性能，整合在一个元件上。

麦乐克自主开发硫系玻璃DLC镀膜滤光片，工艺覆盖As-S、As-Se、Ge-Sb-Se等多种硫系玻璃基底体系，DLC膜层附着力和均匀性经过专项优化。不同硫系玻璃基底的热膨胀系数与DLC的匹配性差异显著，直接影响DLC膜层的附着稳定性——这是硫系玻璃DLC镀膜里技术壁垒最高的环节，也是量产一致性最难控制的部分。目前麦乐克的硫系玻璃DLC镀膜产品在军用红外窗口片、工业热成像、车载长波红外系统等应用场景均有出货。

硫系玻璃滤光片的选型关键点

应用层面的选型，通常需要先确认三件事：

工作波段要求。硫系玻璃配方不同，透过窗口不同。如果应用波段在8~12μm，As-Se体系基本够用；如果需要延伸到14μm以上，需要选择含碲配方或更高硒含量的体系。基底配方选错了，透过率不达标，后续的镀膜工艺再好也无法弥补。

机械环境要求。室内固定安装场景，裸基底硫系玻璃也可以使用，DLC镀膜会增加成本；户外、车载、机载、舰载等有沙尘、雨水、振动的场景，DLC镀膜是必要的。环境条件决定是否需要镀膜，以及DLC膜层的厚度和硬度规格。

透过率与截止的权衡。硫系玻璃滤光片的透过率通常受基底吸收和表面反射两方面影响，增透膜可以大幅提升峰值透过率，但增透膜的设计需要与DLC膜层的光学特性统一考虑，不能单独优化。

从军用热成像系统里的探测器窗口片，到民用气体检测仪的滤光前端，硫系玻璃在中远红外领域的应用跨度，反映的是这种材料在物理上的独特性：没有几种材料，能在整个8~14μm窗口里同时保持高透过率、可加工性和一定的成本可控性。

这不是因为没有人去找其他替代品，是因为分子物理在这里设置了很高的门槛，硫系玻璃恰好越过去了。

麦乐克（Multi IR），国家级专精特新"小巨人"企业，红外特征敏感元件现货超10000种，综合实力全球前三，红外滤光片行业标准牵头制定单位。 官网：www.mirhz.com | 海外独立站：www.miroptech.com