ZnSe 与 GaAs：两种 10.6μm 材料

同样透 10.6μm，硒化锌与砷化镓是两种材料。

它们的透过窗口、硬度、耐温、热膨胀都不一样。

选哪一种，不看波长，看窗口两端与工况。

一、两种材料的形态

硒化锌是多晶材料，常见的是 CVD 生长的厚板。镜片呈橙黄色，肉眼能看到一点半透明。

砷化镓是单晶材料，镜片呈深灰色，不透可见光。它的晶体结构完整，硬度高，但脆。

两种材料的密度接近：ZnSe 5.27 g/cm³，GaAs 5.32 g/cm³。同尺寸镜片，重量差别可以忽略。

密度接近，不代表性能接近。窗口、硬度、耐温、热膨胀，四项差得很远。

项目	ZnSe	GaAs
透过范围	600–18000nm	1000–14000nm
密度	5.27 g/cm³	5.32 g/cm³
热膨胀系数	7.1×10⁻⁶/K	5.7×10⁻⁶/K
软化温度	250℃	1238℃
努氏硬度	120	731
镀膜选项	AR/DLC 10.6/3–5/7–14/2–14μm	AR 10.6/3–5/8–12μm

材料表的数值是典型值；不同批次的密度、CTE 会有小幅波动，设计时要留余量。

材料本身的缺陷也会进入光学。ZnSe 多晶的晶界、GaAs 单晶的夹杂与空洞，都会形成散射点；坯料等级不同，散射水平不同。

所以同样标 ZnSe 或 GaAs，不同批次的透过率与损伤阈值可能不一样。选材料，也要看坯料等级。

ZnSe 坯料的等级，按吸收与散射分；GaAs 按缺陷密度分。高功率镜片要用低吸收坯料，不然热透镜更明显。

ZnSe 多晶的晶粒尺寸影响散射；晶粒细、均匀，散射小。GaAs 单晶的位错密度影响吸收；位错多，吸收大。

二、窗口的两端

ZnSe 的透过范围是 600–18000nm。短波端到 600nm，包含 650nm 红光；长波端到 18μm，覆盖 10.6μm。

GaAs 的透过范围是 1000–14000nm。短波端到 1000nm，可见光被挡在外面；长波端到 14μm，同样覆盖 10.6μm。

短波端的差别，直接影响装调。ZnSe 能透 650nm 红光，调试时红色指示光可以穿过去，在工件上打出对位光点。

GaAs 不透可见光，红光穿不过去。对位要靠靶纸烧斑，或者用旁轴指示光，装调麻烦一些。

旁轴指示光的红点要斜着打，调同轴时更费时间；批量换片时，这个时间要算进去。

长波端的差别，影响高温工况。ZnSe 到 18μm，GaAs 到 14μm；10.6μm 都在范围内，但更远红外的应用，GaAs 就不够。

GaAs 到 14μm，超过 14μm 就不透；更远红外的窗口，要用 ZnSe、Ge 或硫系玻璃。

窗口两端之间，两种材料都覆盖 10.6μm。所以“能不能透 10.6μm”不是选型的依据，“两端够不够”才是。

选材料时，先画一条波长线：650nm 对位、10.6μm 加工、3–5μm 探测。线落在哪个区间，材料就定了。

3–5μm 与 8–14μm 两个大气窗口，两种材料都覆盖。ZnSe 还能往可见光走，GaAs 不能；这是两者在装调上的分水岭。

3–5μm 对应高温目标与气体检测；8–14μm 对应常温热成像。两种材料都覆盖这两个窗口，但 ZnSe 的短波端更宽，能兼顾可见光对位。

大气在 3–5μm 与 8–14μm 吸收低，红外系统多用这两个窗口；10.6μm 落在 8–14μm 的长波端，CO₂ 激光正好在窗口内。

三、硬度与耐温

ZnSe 的努氏硬度是 120，质地软。擦拭时用力稍大，表面就会留下细痕；抛光与清洗都要轻。

努氏硬度用锥形压头测；120 与 731 的差别，在抛光与擦拭上直接体现。

GaAs 的努氏硬度是 731，约为 ZnSe 的六倍。它耐划，但脆，边缘磕碰容易崩。

软化温度的差别更大。ZnSe 是 250℃，GaAs 是 1238℃。

250℃ 不是一个很高的温度。高功率下，镜片吸收激光能量，局部温升可能接近这个区间；到了这个区间，面型开始变，膜层也容易失效。

温升还受环境温度影响；夏天车间 35℃，镜片起始温度高，余量更小。

GaAs 的 1238℃ 给了更大的余量。高功率连续运行时，它的热稳定边界更宽。

硬度与耐温，决定了两种材料的“使用手感”：ZnSe 要轻拿轻放，GaAs 要防磕碰。

GaAs 的脆性，在装夹时很容易暴露。压圈受力不均，边缘就崩；崩边不大，也会散射。

崩边会散射，也会让压圈受力不均；装夹前要检查边缘，崩边超过规范就换片。

清洁方式也不同。ZnSe 只能用镜头纸或脱脂棉单向轻擦，不能干擦；GaAs 耐划一些，但边缘不能碰。

ZnSe 表面软，超声波清洗要谨慎；空化可能把表面打出麻点。GaAs 可以超声，但功率要低。

四、热膨胀与热透镜

ZnSe 的热膨胀系数是 7.1×10⁻⁶/K，GaAs 是 5.7×10⁻⁶/K。

热膨胀系数越大，温度变化时的形变越大。ZnSe 的形变更明显，面型漂移也更大。

热膨胀还影响镜座。镜座材料与镜片的热膨胀差太多，温度循环会把镜片压出应力；ZnSe 的软化温度低，应力更容易变成形变。

10.6μm 处两种材料都有本征吸收。吸收把光能变成热，热再改变折射率与面型，形成热透镜。

热透镜的强弱，与材料的吸收、导热、热膨胀都有关。ZnSe 的导热率低，热散得慢；GaAs 的导热率也不高，但耐温高，能扛更久的温升。

高功率下，热透镜会让焦点漂移。冷态调好的焦点，热了会偏；偏移量随功率与时间变。

所以高功率设备要预热。等镜片与镜座的热状态稳定，再开始加工；不然前几件与后几件的焦点不一样。

预热时间按设备定，通常十几分钟到半小时；镜座水冷时，预热更快。

吸收还会随温度变。温度升高，吸收系数变大，热更多，温升更快；这是一个正反馈，靠散热设计压住。

热透镜的焦距变化，可以用预热时间补偿；但补偿不了功率变化带来的漂移。变功率加工时，焦点要重新调。

热透镜可以用软件补偿；但补偿要建模型，模型不准，焦点还是偏。

补偿模型要输入功率、光斑、材料吸收；参数变了，模型要重算。

五、镀膜与清洗

ZnSe 的镀膜选项是 AR/DLC：10.6μm、3–5μm、7–14μm、2–14μm。GaAs 的镀膜选项是 AR：10.6μm、3–5μm、8–12μm。

AR 是增透膜，按目标波段设计；DLC 是类金刚石碳膜，镀在增透膜外侧，提高表面耐划伤能力。

DLC 对 ZnSe 尤其有用。ZnSe 的硬度只有 120，现场擦拭容易留痕；加一层 DLC，表面硬度提高，清洁时的容错更大。

GaAs 硬度高，通常只做 AR。它的表面耐划，不需要 DLC；但脆性大，装夹时要防崩边。

镀膜前要清洗。ZnSe 表面软，清洗不能用硬质工具；镜头纸、脱脂棉、无水乙醇，单向轻擦。

GaAs 表面硬，但边缘脆；清洗时不要碰到边缘，崩边一旦出现，整片报废。

膜层的附着力，取决于基底表面状态与清洗工艺。ZnSe 与 GaAs 的表面能不同，同样的膜系，附着力可能不一样。

膜层厚度按波长设计；10.6μm 的膜比 1064nm 厚十倍，应力也更大。

DLC 也有代价。膜层厚了，红外吸收增加；应力控制不好，冷热循环会裂；厚度要按波段与功率权衡。

DLC 的硬度高，但热膨胀与 ZnSe 差得多；冷热循环时，膜层与基底的界面应力集中。

膜系设计还要看入射角。正入射的膜，斜着用会偏；窗口通常正入射，聚焦镜有会聚角，膜系按角度加权。

六、功率边界

场景	ZnSe	GaAs
低功率打标、雕刻	适用	适用
中功率切割、焊接	适用，注意散热	适用
高功率连续切割	需控制温升	耐温余量更大
需要红光对位	适用	不适用

低功率打标、雕刻，两种材料都能用。ZnSe 能透红光，装调方便；GaAs 硬度高，耐擦拭。

中功率切割，ZnSe 要算温升。镜座散热、保护窗距离、气流，都会影响镜片温度；温度上去了，焦点漂。

高功率连续切割，GaAs 的耐温余量更大。但 GaAs 不透红光，装调要靠靶纸或旁轴光；对位麻烦，换片时间变长。

功率边界不是绝对的。同样的材料，光斑大小、占空比、冷却条件不同，能扛的功率也不同。

所以选材料不能只看激光器标称功率，要看镜片处的功率密度与散热条件。

同样的功率，光斑越小，功率密度越高；小光斑用 GaAs，大光斑用 ZnSe，都是常见的搭配。

冷却方式也影响边界；水冷镜座比风冷能多扛一档功率。

七、容易看错的三处

• 以为 GaAs 也能透红光。GaAs 从 1000nm 起透，650nm 红光穿不过去。
• 以为 ZnSe 耐高温。ZnSe 的软化温度只有 250℃，高功率下要控制温升。
• 以为密度接近就性能接近。两种材料密度只差 1%，硬度差六倍，耐温差近千度。

八、常见问题

ZnSe 和 GaAs 能互换吗？

外径、焦距、边厚相同，机械上能装；但透过窗口、硬度、耐温不同，换上之后要重新调焦，高功率下还要重新算热。

为什么 GaAs 不透红光？

GaAs 的透过范围从 1000nm 开始，650nm 在它的吸收区。红光穿不过去，对位要换方法。

ZnSe 的 250℃ 软化温度，影响使用吗？

低功率不影响；高功率下，镜片温升接近这个区间，面型会变。要控制功率密度与散热。

两种材料的镀膜能通用吗？

不能。基底不同，膜系的附着力与应力不同；ZnSe 可加 DLC，GaAs 通常只做 AR。

ZnSe 能用水洗吗？

不能。水渍会留痕，表面软，擦拭容易划；用无水乙醇与镜头纸，单向轻擦。

GaAs 为什么适合高功率？

耐温 1238℃，硬度 731，热稳定边界宽；但不透红光，装调麻烦，换片时间更长。

ZnSe 和 GaAs 哪个更耐擦拭？

GaAs。硬度 731，耐擦拭；ZnSe 只有 120，擦拭要轻，干擦会留痕。

两种材料能做成同一焦距吗？

能，但曲率不同。GaAs 折射率高，同样的焦距，曲率半径更大，镜片更平。

ZnSe 和 GaAs 的密度差多少？

5.27 与 5.32，差不到 1%，同尺寸镜片的重量差别可以忽略。

九、规格速查

项目	ZnSe	GaAs
透过范围	600–18000nm	1000–14000nm
密度	5.27 g/cm³	5.32 g/cm³
热膨胀系数	7.1×10⁻⁶/K	5.7×10⁻⁶/K
软化温度	250℃	1238℃
努氏硬度	120	731
镀膜选项	AR/DLC 10.6/3–5/7–14/2–14μm	AR 10.6/3–5/8–12μm

以上为两种材料的常用参数，具体选型按窗口、功率与装调方式定。

本文数据来源于网上公开资料和亚斯光学产品手册。