一种红外材料10.6μm光学辐射吸收系数测试装置及方法与流程

本发明属于光学材料测试技术领域，具体涉及一种红外光学材料10.6μm光学辐射吸收系数性能测试装置及测试方法，主要用来测试红外材料10.6μm光学辐射吸收系数。

背景技术：

随着红外光学系统在军用和民用领域的广泛应用，ge、zns、znse和硫系玻璃等红外材料被广泛应用于红外光学系统的透光器件，如用于工作波长10.6μm的co2激光的输出窗、透镜、半透光板（分光板）。而表征这样的光学器件质量的一个重要参数是在这种波长下的光学辐射吸收系数β。10.6μm光学辐射吸收系数作为光学材料的基本性能参数，也是光学设计时的重要参量。因此，准确测量红外材料的10.6μm光学辐射吸收系数变得越来越重要。而可见光范围内的光吸收系数测量已经有比较成熟的方法和测量仪器，其测量原理为当光束垂直入射玻璃的光强因吸收而减弱，通过测量玻璃白光的透射比来计算光吸收系数k值。

名称为一种光吸收系数测量装置及方法（201710374856.9）的中国发明专利，利用带有起偏、检偏器和半波片的激光光源、被测样品、移动平台、探测器和装有吸收系数测试程序的计算机搭建测试系统，并利用斜入射的测试方案；激光透过被测样品后会分成多数的反射光和透射光，该发明仅利用其中的第一次透射光展开测量，并针对o光和e光的不同特性分别测量，针对e光折射角不能直接计算的问题，利用迭代算法获得折射角的合理近似值，最终计算得出被测样品的吸收系数或针对o光和e光的不同吸收系数。该方法可以实现可见光光吸收系数的测试，但无法实现10.6μm波长的光吸收系数的测试。

名称为基于傅立叶变换红外光谱分析仪的半透明材料吸收系数测量方法（201310271945.2）的中国发明专利，利用试件的光谱透过率τλ与该试件材料的反射率ρλ，根据贝尔定律计算获得该试件材料的光谱吸收系数kaλ，利用该试件材料的光谱吸收系数kaλ，对全光谱进行积分，获得普朗克平均吸收系数kap和罗斯兰德平均吸收系数kar，并作为半透明材料吸收系数的测量结果。该方法只能测试半透明材料的吸收系数，而对于可见光不透的单晶ge、单晶si和硫系玻璃材料的10.6μm的吸收系数则不能测试。且由于傅立叶变化光谱仪的测试本身存在一定的误差，因此测试出的结果只能是某一波长范围的平均光吸收系数。

一般来讲，对于无色光学玻璃，由于折射率较低，相对来讲透过性能较好，因此其光吸收系数也较小；但是对于红外材料来讲，折射率都在2.5以上，透过率相对较低，10.6μm光学辐射吸收系数较大。但目前还没有准确测量10.6μm波段的光学辐射吸收系数的测量方法。据文献介绍，卤化钾和卤化钠在这个区域具有最小的吸收指数（β≈10^-4-10^-3cm^-1）但易潮解。吸收系数β为10^-2-10^-1cm^-1范围内的砷化镓单晶性能稳定，且具有良好导热性和抛光性，znse的光学辐射吸收系数为5×10^-2至5×10^-4cm^-1，这些材料及其特点使其作为co2激光器光学元件具有应用前景。但目前还没有合适的设备及测试方法来测量10.6μm光辐射吸收系数，对于红外材料的10.6μm的应用设计准确性会造成一定的影响。因此，设计一套测试红外光学材料光学辐射吸收系数测量系统，替代一般的分光光度法完成红外材料的光辐射吸收系数的测量更有应用价值和实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种适合红外光学材料10.6μm光学辐射吸收系数的测试装置及测试方法，满足红外材料10.6μm光学辐射吸收系数性能的测试，能够准确测试出红外材料10.6μm光学辐射吸收系数，为该类材料的品质的提高和客户的设计使用奠定技术基础。

本发明测试装置的技术解决方案是：一种红外光学材料10.6μm光学辐射吸收系数测试装置，其特征在于：包括控制面板、激光放置保护室、计算机处理系统、信息初始化电子模块、测试室、激光发生系统和测量系统七部分；其中，控制面板位于测试室的上部；激光发生系统由红外co2激光发生器和电源系统组成，安置在激光放置保护室中；测量系统安置在测试室内；激光放置保护室与测试室相邻且内部连通；信息初始化电子模块一端与控制面板相连接，另一端与计算机处理系统相连接。

本发明测试装置的技术解决方案中所述的测量系统由激光调准装置、激光辐射测量与装调系统、激光辐射束加宽器、样品调准支架系统、石墨档板和导向轨组成，且激光辐射测量与装调系统、激光辐射束加宽器、样品调准支架系统、石墨档板依次安装在导向轨上。

本发明测试装置的技术解决方案中所述的样品调准支架系统包括调准板和样品调准支架；样品调准支架固定在调准板上；样品调准支架由包括上、下两部分结构相同的样品固定用夹持器、调准螺丝、带有压紧机构的弹簧热传感器和信息接头组成；调准板由底座和调准螺丝组成，底板下部设计两个与导向轨匹配的凹槽，凹槽安置在导向轨上，底座上部中心位置设计一个固定立柱，样品调准支架固定在立柱中，调准螺丝安装在底板的两侧，用于调整底板的水平。

本发明测试装置的技术解决方案中所述的激光辐射测量与装调系统由带有测量头的激光辐射功率接收器和激光辐射功率衰减盘组成。

本发明测试装置的技术解决方案中所述的激光调准装置采用辐射工作波长为0.63µm～0.68µm的通用半导体激光器。

本发明测试装置的技术解决方案中所述的激光辐射束加宽器由光学部件、固定光学部件的支架、调准机构构成，光学部件由透过波长10.6μm且光吸收系数较小的红外材料透镜组组成。

本发明测试装置的技术解决方案中所述的透过波长10.6μm且光吸收系数较小的红外材料透镜组为znse晶体透镜组。

本发明测试方法的技术解决方案是：一种测试红外材料辐射吸收系数的方法，其特征在于包括以下步骤：

①用浸有乙醇的脱脂棉擦拭具有薄盘状、红外材料10.6μm的被测试样品；

②用千分尺测量被测试样品厚度，绝对误差0.05mm；

③用质量测量绝对误差为0.01g的分析天平称量被测试样品；

④将被测试样品放在样品调准支架上，使弹簧热传感器的压紧机构的固定下紧紧地压在被测试样品上；

调整激光调准装置、被测试样品位置，使被测试样品光学表面反射的调准激光落在石墨档板上；

关上测试室；

⑦在计算机处理系统中的显示器屏幕上输入吸收系数计算所必需的参数；

⑧按下控制面板中的激光电源开关后，开始测量，co2激光辐射通过被测试样品，部分辐射能量被吸收；用弹簧热传感器测量被测试样品加热温度，用信息初始化电子模块记录数据，并把数据传送到计算机处理系统中，计算机处理系统对信息进行处理；

⑨根据所记录的被测试样品升降温度与时间的关系，电脑在测量程序中按公式：

β=

计算出被测试样品在10.6μm波长下的光吸收系数；式中：m----样品质量、kg，c----样品比热容、j/（kg.k），p0----激光辐射原有功率、w，l----样品厚度、cm，----样品加热速率、k/秒⑩测量后，从测试室中取出被测试样品。

本发明的有益效果是：通过本发明设计的装置及测试方法能够快速有效的实现对红外材料10.6μm的光学辐射吸收系数的测试，设备操作简单，实现了znse、zns晶体以及红外硫系光学玻璃等红外材料10.6μm辐射光吸收系数的直接测试，为该类材料的原材料选取、熔制工艺的优化制定提供较为准确的数据基础，也为制造高品质的玻璃奠定坚实的技术基础，更为客户的设计提供了数据支撑。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图。

图2是本发明测试装置的光路图。

图中：1.控制面板；2.激光放置保护室；3.计算机处理系统；4.信息初始化电子模块；5.激光发生系统；6.测试室；7.测量系统；8.电源系统；9.红外co2激光发生器；10.激光调准装置；11.激光辐射测量与装调系统；12.激光辐射束加宽器；13.信息接头；14.弹簧热传感器；15.压紧机构；16.样品固定用夹持器；17.被测试样品；18.石墨档板；19.导向轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明红外材料10.6μm光学辐射吸收系数测试装置如图1、图2所示，包括控制面板1、激光放置保护室2、计算机处理系统3、信息初始化电子模块4、激光发生系统5、测试室6、测量系统7七个组成部分。其中，控制面板1位于测试室6的上部。激光发生系统5由红外co2激光发生器9和电源系统8组成，安置在激光放置保护室2中。测量系统7安置在测试室6内，且激光放置保护室2与测试室6相邻且内部连通。信息初始化电子模块4一端与控制面板1相连接，另一端与计算机处理系统3相连接。测量系统7由激光调准装置10、激光辐射测量与装调系统11、激光辐射束加宽器12、样品调准支架系统、石墨档板18和导向轨19组成，且激光辐射测量与装调系统11、激光辐射束加宽器12、样品调准支架系统、石墨档板18都依次安装在导向轨19上。

控制面板1安装在测试室6的正上方，主要用于测量装置正常工作的监控和电源系统的操作开关。控制面板1上包括设备状态指示器、线路电压指示器、连接模块开关、激光电源开关等。

激光发生系统5包括红外激光，如红外co2激光发生器9和电源系统8两部分，其中，红外co2激光发生器9可以辐射工作波长λ为10.6µm的激光，且要求在连续工作状态下，co2激光辐射功率不少于30w。通过控制面板1的操作来实现红外co2激光电源开关的开启。co2激光光学辐射功率的测量是通过激光辐射功率测量与测量系统7来实现的。电源系统8可以使用750w的交流或直流电源，用于给红外co2激光发生器9、计算机处理系统3、信息初始化电子模块4和激光辐射测量与装调系统11供应电源。

测试室6主要用于co2激光辐射工作波长测量红外材料光学吸收和保护维护人员避免被co2激光较强的非可视辐射的伤害和灼伤。在测试室6中装有测量系统7。其中，测量系统7包括激光调准系统10、激光辐射测量与装调系统11、激光辐射束加宽器12、样品调准支架系统和石墨档板19。其中，激光调准装置10、激光辐射束加宽器12的基本光学器件以及和激光辐射测量与装调系统11安装在各自的调准板上，而调准板安装在导向轨19上。

调准板由底座和调准螺丝组成，底板下部设计两个与导向轨匹配的凹槽，凹槽安置在导向轨上，底座上部中心位置都有一个固定立柱，用于安装固定激光调准系统10、激光辐射测量与装调系统11、激光辐射束加宽器12和样品调准支架和石墨挡板19。调准螺丝安装在底板的两侧，用于调整底板的水平。

激光调准装置10安置在测试装置的测试室6中，主要用于激光发生系统5、激光辐射测量与装调系统11和被测试样品17调准的过程中。激光调准装置10由调准螺丝、调准机构箱、调准激光、调准激光电源接头、.控制接头和信号接头组成。调准激光主要用于：光路组件调准的目视过程，红外材料测试样品调准的目视过程。激光调准装置10的调准激光采用辐射工作波长为0.63µm～0.68µm的通用的半导体激光器。

激光辐射测量与装调系统11主要用来测量co2激光辐射功率，其要安装在设备的测试室6中的导向轨19上。激光辐射测量与装调系统11由带有测量头的激光辐射功率接收器和激光辐射功率衰减系统组成。激光辐射功率衰减系统主要是用于测量co2激光辐射功率时红外辐射强度的衰减和co2激光辐射的中止。其由激光辐射功率衰减器电机、激光辐射中止用反转镜、辐射功率衰减器盘和反转镜位置控制元件组成。激光辐射功率测量的工作原理是通过接收测量头吸收功率已衰减的co2激光辐射并将其转化为等值的热电动势，该热电动势值被信息初始化电子模块4记录。信息初始化电子模块4一端与控制面板1相连，另一端与计算机处理系统3连接，为了进行这些测量，计算机处理系统3中设计了专用测量计算软件。在测试设备的调整和调准过程和红外材料测试样品中光学辐射吸收系数测量过程中，co2激光辐射功率会成比例的将热电动势记录下来，且为了进行这些测量，也会使用上述专用测量计算软件。

激光辐射束加宽器12安置在量热装置的测试室6中，其由光学部件、固定光学部件的支架、调准机构构成。而光学部件应选用能够透过10.6μm波长且光吸收系数相对较小的红外材料制造成透镜组，如znse晶体。而调准机构主要是用来调整镜头组的位置，使激光发生系统发出的激光处于镜头组的中心，且在激光经过透镜组后形成加宽的红外辐射束通过测试样品，从而使其在测量具有薄盘状的红外材料样品的光学辐射吸收系数时减少测量误差。

样品调准支架系统包括调准板和样品调准支架。样品调准支架由包括上、下两部分结构相同的样品固定用夹持器16、调准螺丝、弹簧热传感器14、信息接头13、压紧机构15组成，用于红外材料被测试样品17的固定，保证它们在两个相互垂直平面上平稳回转。样品调准支架系统安置在测量室6中，样品调准支架安装在调准板上，调准板固定在导向轨19上。调准板由底座和调准螺丝组成,底板下部设计两个与导向轨19匹配的凹槽，凹槽安置在导向轨19上，底座上部中心位置设计一个固定立柱，样品调准支架固定在立柱中，调准螺丝安装在底板的两侧，用于调整底板的水平。在调准样品支架上装有弹簧热传感器14，以便与被测试样品17的侧面形成可靠的热接触。

导向轨19紧紧地固定在测试装置的机座上。在导向轨19上的调准板上分别安装激光辐射测量与装调系统11光学器件，以及激光调准装置10，从而保证它们在装置调整和调准时就能形成单一的光路。在这条光路上安放有样品调准支架，在它上面固定有被测试样品17。

信息初始化电子模块4一端与控制面板1相连接，另一端与计算机处理系统3相连接。信息初始化电子模块4由控制板、电源系统、与电脑相连的连接头和与程序编制器连接头组成，信息初始化电子模块4主要用来处理激光辐射测量与装调系统11接收单元测量头、弹簧热传感器14、激光发生系统5状态信息、电源系统8控制和激光辐射测量与装调系统11等的信息。因此测量装置的信息初始化电子模块4与计算机处理系统3一起在测量红外材料光学辐射吸收系数过程中使用。为了方便测量工作，使用专用的测量计算软件。

一种采用上述制造装置测试红外材料辐射吸收系数的方法包括以下步骤：

①用浸有乙醇的脱脂棉擦拭具有薄盘状、红外材料10.6μm的被测试样品17；

②用千分尺测量被测试样品17厚度，绝对误差0.05mm；

③用质量测量绝对误差为0.01g的分析天平称量被测试样品17；

④将被测试样品17放在样品调准支架上，使弹簧热传感器14的压紧机构15的固定下紧紧地压在被测试样品17上；

调整激光调准装置10、被测试样品17位置，使被测试样品17光学表面反射的调准激光落在石墨档板18上；

关上测试室6；

⑦在计算机处理系统3中的显示器屏幕上输入吸收系数计算所必需的参数；

⑧按下控制面板1中的激光电源开关（“start”按钮）后，co2激光辐射通过被测试样品17，部分辐射能量被吸收；弹簧热传感器14测量被测试样品17加热温度，用信息初始化电子模块4记录数据，并把数据传送到计算机处理系统3中，计算机处理系统3对信息进行处理；

⑨根据所记录的被测试样品17升降温度与时间的关系，电脑在测量程序中按公式：

β=

计算出被测试样品17在10.6μm波长下的光吸收系数；式中：m----样品质量、kg，c-----样品比热容、j/(kg.k)，p0----激光辐射原有功率、w，l------样品厚度、cm，---样品加热速率、k/秒；

⑩测量后，从测试室6中取出被测试样品17。

本发明测试装置测试znse单晶的10.6um的光学辐射吸收系数表1，从上面结果来看：=0.0052，其标准偏差δ=8.66667e-08。与znse单晶的10.6um的光学辐射吸收系数标准0.005cm^-1基本一致。

表1znse单晶光吸收系数

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