ISO 82372024 光学和光子学光学材料和部件红外光谱用硫属玻璃规范标准立项发展报告

*光学和光子学光学材料和部件红外光谱用硫属玻璃规范标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Opticsandphotonics—Opticalmaterialsandcomponents—Specificationofchalcogenideglassusedintheinfraredspectrum摘要关键词硫属玻璃；红外光谱；光学材料；国际标准化组织；ISO8237:2024；折射率温度系数；光学均匀性；抗激光损伤阈值Keywords:Chalcogenideglass；Infraredspectrum；Opticalmaterials；InternationalOrganizationforStandardization(ISO)；ISO8237:2024；Temperaturecoefficientofrefractiveindex(dn/dt)；Opticalhomogeneity；Laser-induceddamagethreshold正文1.引言红外光学系统是现代精密光电技术的核心，广泛应用于夜间监控、气象探测、生物医学诊断、工业无损检测及空间天文观测等领域。光学材料作为系统的“眼睛”，其性能直接决定了成像质量和系统极限。硫属玻璃（ChalcogenideGlass）作为一种以硫族元素（硫、硒、碲）为基础，与锗、砷、锑等元素结合形成的非晶态材料，其在中远红外（3-12μm）波段具有卓越的透光性，且展现出优良的非线性光学效应和折射率可调性，使其成为红外光学系统中不可或缺的核心元件。然而，由于不同制造商的生产工艺和配方差异，硫属玻璃在折射率均匀性、吸收系数、热稳定性及机械强度上存在显著差异，这严重制约了高精度红外部件的互换性和系统集成度。为此，国际标准化组织（ISO）发布了ISO8237:2024《光学和光子学光学材料和部件红外光谱用硫属玻璃规范》。该标准取代了旧版标准，为硫属玻璃的术语定义、性能指标、测试方法及验收规则提供了全球统一的规范性文件。2.标准立项背景与技术发展需求2.1技术痛点与行业瓶颈在ISO8237:2024发布前，行业内硫属玻璃的生产和质量控制主要依赖企业标准或行业惯例。这种非统一状态导致了三大核心痛点：-性能不可比性：不同供应商提供的“同型号”玻璃在折射率、阿贝数及dn/dt上存在偏差，导致光学设计软件模拟结果与实际加工产品差距大，增加了设计与制造的迭代成本。-供应链碎片化：缺乏统一的性能分级标准，使得下游系统集成商在采购时难以量化和比较产品，增加了国际采购的风险和复杂度。-测试方法争议：对于光学均匀性、气泡度、应力双折射等关键指标，各厂商采用不同的测试设备和判据，导致贸易纠纷频发。2.2新标准的立项驱动力随着2020年代以来红外感知产业的爆发，特别是热成像测温、碳中和监测（如甲烷泄漏检测）及自动驾驶激光雷达（LiDAR）的民用化，市场对硫属玻璃的需求量呈指数级增长。同时，军用领域对长波红外高分辨率成像系统的需求更是要求材料具备极低的本征缺陷和极高的批次一致性。为此，ISOTC172（光学与光子学技术委员会）联合全球主要光学材料生产商和研究机构，启动了对老标准的修订程序。ISO8237:2024的立项正是为了解决上述行业痛点，将“可制造性”与“性能可信性”结合起来，构建一个覆盖全生命周期的规范体系。3.标准的核心内容解读ISO8237:2024体系完整、结构严谨，其核心内容涵盖了材料分类、性能要求、测试规范及验收规则四大维度。3.1材料分类与命名标准定义了一套清晰的分类体系，以化学组成（如Ge-Sb-Se、As-Se、As-S等体系）及特征转变温度（Tg）为基础，结合不同红外波段的透光性能（如短波、中波、长波红外），对硫属玻璃进行了详细分类，确保不同系列的材料具有清晰的身份标识。3.2关键性能指标（KeyPerformanceIndicators,KPIs）本报告重点解读新标准在性能指标方面的修订与强化：-折射率与阿贝数精准度：新标准明确规定了名义折射率偏差（Δn）需控制在±0.001以内，这对于高倍率成像系统至关重要。同时定义了主红外波段的阿贝数要求，以控制色差。-折射率温度系数（dn/dt）：作为红外光学系统在宽温域环境下（-40℃至+80℃）保持焦面稳定的关键参数，标准要求提供明确的热致折射率变化数据。相较于旧版，新版强化了在不同温度点（如低温、室温、高温）下的实测要求，并要求制造商在材料报告中给出具体的dn/dt曲线。-光学均匀性（Homogeneity）：标准引入了基于干涉测量法的条纹分析机制，要求按等级划分材料的折射率梯度。对于高精度成像应用，要求全口径内折射率变化需优于2×10⁻⁵。-杂质与吸收系数：针对杂质吸收导致的透过率下降问题，标准设定了更为严格的吸收系数指标（k值），要求在特定波长（如10.6μm处）吸收系数不超过特定阈值。同时，对内部缺陷（气泡、条纹、结石）的尺寸和密度进行了分类限定。-机械与热稳定性：标准详细规定了硬度、断裂韧性、热膨胀系数（CTE）及耐热震性。特别强调了作为窗口或透镜使用时，材料在快速热冲击下的自适应能力。-抗激光损伤阈值：随着硫属玻璃在高功率光纤激光器及激光雷达系统中的应用，抗损伤能力成为关键。新标准新增了基于ISO21254标准的激光损伤阈值测试要求，为用户提供了高功率应用场景下的安全保障。3.3测试方法与校准标准明确规定了各项性能指标的标准化测试流程：-折射率测试：采用最小偏向角法或V棱镜法，结合精密测角仪，在多个红外波长下进行。-色散测试：提供基于Sellmeier方程或Schott公式的系数套件，便于用户进行色散校正。-均匀性测试：采用Fizeau干涉仪或Mach-Zehnder干涉仪，通过数字波面分析实现。-热分析：采用差示扫描量热法（DSC）和热机械分析（TMA）获取Tg、Tx及CTE。-环境适应性：包括湿热老化、盐雾测试及高低频机械振动测试，模拟国际运输及恶劣工作环境下的可靠性。4.修订的主要参与单位：肖特集团（SCHOTTAG）ISO8237:2024的修订由国际标准化组织光学与光子学技术委员会（ISO/TC172）主导，汇集了全球顶尖的光学材料研究机构、制造商及用户代表。其中，肖特集团（SCHOTTAG）作为全球光学玻璃制造的领军企业，在本次标准修订中承担了核心的技术提案与编制工作。肖特集团成立于1884年，总部位于德国美因茨，是全球特种玻璃和光学材料领域的百年巨头。在红外光学材料领域，肖特拥有深厚的研发积淀，其著名的IRG系列（红外玻璃系列）产品，如IRG201、IRG206等，已在全球军用夜视系统、太空望远镜（如詹姆斯韦伯太空望远镜的部分光学元件）及高端红外测温设备中广泛应用。在本标准的修订过程中，肖特集团发挥了以下关键作用：1.数据驱动标准：基于其三十余年大批量生产红外硫属玻璃的统计过程控制（SPC）数据，肖特向ISO技术委员会提供了关于玻璃批次间折射率容差、光学均匀性分布范型及抗激光损伤阈值的大量实测数据。这些数据直接决定了新版标准中各项性能分级的边界值，使标准具有实际可操作性。2.引入先进制造范导：肖特集团提议并牵头制定了关于玻璃的重新定形与再加工规范。在实践中，硫属玻璃通常通过精密模压（PrecisionGlassMolding,PGM）或金刚石车削直接制造非球面镜片。新版标准首次明确了模压料的直径公差、表面裂纹深度及残余应力释放要求，直接解决了“熔炼玻璃如何匹配先进成型工艺”的行业难题。3.热与机械参数的标准化提案：肖特提出并推动了将dn/dt测试的温度区间扩展至-60℃至+100℃，同时补充了玻璃的热膨胀（CTE）曲线而非单一均值。这一提案使得航空航天和低温探测领域能够更准确地进行无热化设计。4.环境与可靠性测试体系：肖特集团将其内部长期执行的“快速温变”“湿热老化”“耐辐照（特别是空间辐射环境）”等测试规范提升为国际标准建议，极大增强了硫属玻璃在国防和航天等高要求环境下的产品置信度。5.标准的应用价值与行业影响5.1对制造商的意义统一的技术规范消除了技术壁垒，降低了国际贸易中的沟通成本。制造商可以依据标准等级，合理设计生产流程和质量控制节点，从而在保证性能上限的同时提高良品率，拉开产品档次。5.2对下游用户的指导意义系统设计师和光学工程师可以参照ISO8237:2024，在全球范围内准确选择满足特定红外成像、光谱探测或激光传输功能需求的确切玻璃牌号。标准中关于“抗激光损伤阈值”和“热稳定性”等具体参数的明确规定，为国内热成像企业提供了从消费级向工业级、军用级甚至宇航级跃迁的技术保障。5.3加速新应用落地在自动驾驶领域，用于1550nm激光雷达的硫属玻璃，其对长波红外的高透光率和低dn/dt特性，能显著提升雷达在恶劣天气下的探测距离与精度。标准的出现让不同供应商提供的模压透镜具有互换性，加速了无人驾驶和智能物联网（AIoT）系统的批量部署。6.结论与展望ISO8237:2024《光学和光子学光学材料和部件红外光谱用硫属玻璃规范》的正式发布，是红外光学材料领域标准化进程的里程碑事件。它系统性地解决了硫属玻璃在全球贸易和精密制造中存在的性能不可比、测试不统一、应用参照模糊等核心问题。展望未来，随着红外光子技术向超光谱传感、片上集成光学及量子传感方向发展，对硫属玻璃的需求将从单一的透光性能向多功能复合（如高非线性、可掺杂稀土离子、低损耗波导等）演进。ISO8237:2024的框架充分预留了性能扩展接口，并明确了非线性系数、声光品质因数等前沿参数的测试基础。我们建议国内相关标准化机构和产