红外光学玻璃(如硅酸盐、硫系、氟化物玻璃等)是红外成像、红外制导、热成像系统的核心材料,其红外透过率直接决定光学系统的探测距离、成像清晰度及能量传输效率。红外透过率定义为透过光强与入射光强的比值(τ=It/I0),单位为百分比(%)或小数。以下是红外光学玻璃红外透过率检测的核心标准、方法原理、试验步骤及注意事项的系统梳理:
红外光学玻璃红外透过率检测需依据光学材料通用测试标准及玻璃专用规范,确保数据的准确性与可比性:
guojibiaozhun:ISO 15368:2001《光学和光子学 光学材料红外透过率测量方法》;
国家标准:GB/T 26827-2011《光学材料红外透过率测试方法》(等同采用ISO 15368);
行业标准:GJB 7243-2011《军用红外光学玻璃规范》(针对军用玻璃的性能要求);
补充标准:ASTM E387-19《Standard Test Method for InfraredTransmittance of Optical Materials》(美国材料试验协会标准)。
根据测试波段(近红外、中红外、远红外)和玻璃类型(硫系、氟化物、硅酸盐),红外光学玻璃红外透过率检测主要采用以下方法:
1. 傅里叶变换红外光谱法(FTIR,主流方法)方法原理:利用迈克尔逊干涉仪将红外光调制为干涉图,经样品透射后,通过傅里叶变换将干涉图转换为透过率光谱(τ−λ曲线)。其核心公式为:
I(t)=∫0∞B(ν~)cos(2πν~t)dν~
τ(ν~)=I0(ν~)It(ν~)
式中:ν~=1/λ为波数(cm⁻¹);B(ν~)为光谱辐射亮度;I0(ν~)为入射光强;It(ν~)为透过光强。
优势:宽波段(0.7~25μm,扩展至40μm)、高分辨率(≤0.1cm⁻¹)、快速扫描(数秒至数分钟)、可同时获取透过率与光谱信息。
试验设备:
FTIR光谱仪(如Thermo Fisher Nicolet iS50、Bruker Vertex80,配置红外光源、分束器、检测器);
红外光源(近红外:钨灯;中红外:硅碳棒/Globar;远红外:汞灯/高压汞灯);
检测器(近红外:InGaAs;中红外:DTGS(氘代三甘肽)、MCT(碲镉汞);远红外:Si-B(硅掺杂硼));
样品架(可调节角度、温度,适用于高温/低温测试);
参考样品(如KBr窗片、单晶硅片,用于基线校准)。
方法原理:通过单色仪将连续红外光分解为单色光,依次测量不同波长下的透过率。公式为:
τ(λ)=I0(λ)It(λ)
优势:结构简单,适用于特定波长(如3~5μm、8~12μm大气窗口)的高精度测试。
试验设备:
红外单色仪(如PerkinElmer Lambda 950);
红外光源(同上);
探测器(同上);
斩波器(调制光信号,提高信噪比)。
方法原理:针对特定激光波长(如10.6μm CO₂激光、1.06μmNd:YAG激光),使用激光源直接测量透过率,评估玻璃的抗激光损伤阈值(LIDT)与透过率稳定性。
试验设备:
可调谐激光源(如CO₂激光器、光纤激光器);
功率计(如Ophir PD300,测量入射/出射激光功率);
聚焦透镜(确保激光束直径与样品尺寸匹配)。
清洁:用无水乙醇或超声清洗样品表面(5~10min),去除油污、灰尘(污染物会强烈吸收红外光,导致透过率偏低);
切割与抛光:将玻璃切割为合适尺寸(如直径10~50mm,厚度1~10mm),双面抛光至光学级表面(粗糙度Ra≤1nm,无划痕、凹坑);
退火处理(可选):对含内应力的玻璃进行退火(如硅酸盐玻璃500~600℃,硫系玻璃100~200℃),消除应力双折射(应力会导致红外透过率下降)。
基线校准:不放样品,扫描背景光谱(扣除大气CO₂、H₂O的吸收干扰);
参考校准:放置已知透过率的参考样品(如KBr窗片,透过率>90%@2~25μm),校准仪器响应;
波长校准:使用标准红外滤光片(如聚苯乙烯膜,特征吸收峰在3.4μm、5.8μm、7.3μm)校准波数精度(误差≤±0.5cm⁻¹)。
装样:将样品固定在样品架上,确保表面与光束垂直(入射角≤5°,避免偏振效应);
参数设置:
扫描范围:根据玻璃类型选择(如硫系玻璃1~12μm,氟化物玻璃0.7~8μm,硅酸盐玻璃2~5μm);
分辨率:0.1~4cm⁻¹(高分辨率用于分辨玻璃的特征吸收峰,如硫系玻璃的Ge-Se键振动800~400cm⁻¹);
扫描次数:32~128次(次数越多,信噪比越高);
数据采集:启动FTIR扫描,记录透过率光谱(τ−λ曲线)。
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