如何选择红外透射窗片

傅里叶变换红外光谱仪因为宽光谱的特点，对红外窗口材料的选择比较严格。目前，荧飒光学有十多种不同的红外窗片材料可供选择，每种材料都有其自身的特性。在选择适合您应用需求的窗片材料时，需要考虑以下几个因素：要研究的光谱范围、样品与窗片的化学性质、窗片的物理性质，以及针对特定需求下的相对成本。

影响透射池（不包括样品）能量透过率的因素有：窗片的透射范围、窗片的有效厚度、窗片表面反射引起的能量损失，以及使用过程中的能量损耗，如划痕和起雾等。下面列出的有效透射范围是在单个窗片的透射水平下降到50%时确定的。相同材料的情况下，薄的窗片可以透射到更低的波数。当使用具有高折射率的窗片时，由于窗片的反射，会有显著的能量损失，并且会出现强烈的正弦波，称为干涉条纹。这些干涉条纹是由红外光透射样品池平行窗片材料的内反射相互干涉引起的。条纹的强度由材料的折射率决定，折射率越大，条纹越强。池内窗片之间的空气间隙决定了条纹的频率，小间隙（比如0.015毫米光程池）会产生高频条纹，大间隙（比如0.50毫米光程池）会产生低频条纹。干涉条纹对于计算透射池的光程非常有用。

在选择特定应用的合适窗片时，需要考虑的一个重要因素是样品和窗片的化学性质。与池内窗片发生反应的样品会侵蚀内表面。相对水溶性以及会侵蚀窗片表面的常见样品或溶剂通常会在属性列表中列出。溶解度数据是在室温并处于平衡条件下，每100毫升水中能溶解的该材料的克数。另外，不能将水中的溶解度与窗片材料的吸湿性程度混淆。吸湿性材料容易从大气中吸收水分，导致窗片起雾或变得不透明。

理想的窗片材料还必须与样品的物理性能相兼容，例如硬度。对于非常硬的样品，不应使用软质的窗片材料。大多数测量硬度的方法都是基于用规定形状的压头并以一定压力按压材料。压头的形状决定了该方法的类别，一般分为为布氏（Brinell）、维氏（Vickers）、努氏（Knoop）等硬度测试方法。硬度测量值会随着施加的压力、压力持续时间以及加压和释放的速度而有所不同。这种可变性取决于材料的蠕变、冷流和微小裂纹缓解应力的特性。一些较软的材料，如溴化钾和氯化钠，在被腐蚀或划伤后可以手工重新抛光。而像硅和蓝宝石这类非常硬的材料，虽然可以抵抗划痕，但手工重新抛光却极其困难。

透射池一般分为两种：密封固定光程池、可拆卸池。

密封池具有精确对齐的窗口，光程固定。它由一个钻孔窗口和一个未钻孔窗口密封在一起组成。窗片之间由一个金属垫片隔开，该垫片决定了光程长度。窗口平行，光程长度固定，因此可以轻松对其进行校准，以进行定量测量和其他精确的光谱分析。密封池可以用于高挥发性的样品，而没有泄漏的风险。

可拆卸池是密封池的一种实用且经济的替代品，能够轻松更换池中的的窗片。这些池同样由一个钻孔窗片、一个未钻孔窗片、一个间隔垫片（通常为Teflon材料）和一个密封圈组成。当用于测量粘稠或难以清洁的样品时，可拆卸池的价值就体现了，因为它们可以很容易地拆卸、清洁和重新组装。当有些应用所需的光程长度未知，需要进行实验来确定时，可拆卸池是非常好的选择。可拆卸池可以通过更换间隔垫片来改变其光程长度。

硫系玻璃是制造中红外光纤的最佳材料。这种硫系光纤由AsSeTe玻璃组成，具有化学惰性和中红外透过性。其适用的pH范围为1-9。

AMTIR（Amorphous Material Transmitting Infrared Radiation非晶态红外透射材料）GeAsSe玻璃不溶于水，在酸性溶液中具有很强的耐腐蚀能力。如果长期暴露（一周），它会在碱性溶液中溶解。该材料最高可使用温度达300°C。是一种良好的衰减全反射（ATR）材料。

氟化钡（BaF₂）的透射范围比氟化钙（CaF₂）更宽。由于氟化钡容易因热冲击或机械冲击而发生解离，因此在使用时须小心谨慎。与氟化钙相比，氟化钡的使用温度范围较窄，在500°C时会与空气发生反应，最高使用至800°C（在干燥的空气中）。此外，氟化钡不应与铵盐溶液一起使用。氟化钡常被用于红外透射池窗口。

氟化钙（CaF₂）是已知最坚硬的晶体材料之一，特别适用于高压池。它能耐受大多数酸和碱的腐蚀。在室温下，氟化钙不吸湿，但在高温下会与空气发生反应。若保持干燥状态，该晶体可以在900°C高温下使用。需要注意的是，氟化钙不应与铵盐溶液一起使用。氟化钙常用于红外透射池窗口。

碲化镉易受到氧化剂的侵蚀，并且微溶于酸。碲化镉硬度比硫化锌（ZnS）和硒化锌（ZnSe）低。碲化镉适用于红外透射窗口和衰减全反射（ATR）元件。

光学型CVD生长钻石在4000至400 cm^-1的红外波段具有良好的透光性，其光谱中存在清晰的2600至1600 cm^-1的本征分子振动特征峰和指纹区。这种金刚石特别适用于高压和强腐蚀性工作环境。

锗是一种坚硬且脆的物质。由于高反射损耗，它的透光率较低。锗可溶于热硫酸和王水，但不溶于水，是良好的衰减全反射（ATR）材料。

KRS-5经常用于衰减全反射（ATR）晶体，因为它具有较宽的光谱范围、高折射率且不易断裂。它微溶于水，可溶于碱，不溶于酸。这种材料不应与铵盐溶液一起使用。KRS-5是有毒的，但只有是在吸入粉尘或伤口接触到粉尘时才会产生危害。KRS-5可窗口材料和ATR材料。

溴化钾是一种非常有用的材料，因为它覆盖的光谱范围比氯化钠（NaCl）更宽。溴化钾具有良好的抗热冲击性和机械冲击性能。虽然KBr窗片易于抛光加工，但相比NaCl更容易受潮。溴化钾常用于红外透射池窗口的制作。

石英主要用于紫外-可见（UV-Vis）和近红外（NIR）光谱区域。红外级石英具有高纯度和极低的羟基（OH）含量。石英不溶于水。

蓝宝石，单晶氧化铝，是一种非常坚硬的材料，化学性质稳定，具有双折射特性。蓝宝石会受到浓酸和浓碱的侵蚀。

光学级硅（Si）与锗（Ge）非常相似，具有更好的抗机械冲击和热冲击性能。硅可溶于氢氟酸和硝酸的混合溶液。硅被用作衰减全反射（ATR）材料以及红外透射池窗口材料。

硫化锌材料主要有两种类型。第一种是通过化学气相沉积法制备的硫化锌（CVD ZnS），它在1640 cm^-1处有一个水吸收带，这会对衰减全反射（ATR）测试产生干扰。第二种专用于衰减全反射（ATR）和漫反射晶体，因为它没有水吸收带。硫化锌不溶于水，但易受到强氧化剂侵蚀。硫化锌具有良好的抗热冲击性和机械冲击性能。