随着温度升高，锗的光学性能会下降：这对红外成像系统有何影响

《Optics & Laser Technology》：Optical degradation of germanium with elevated temperature: Consequences for infrared imaging systems

本研究通过气候箱模拟高温环境，测试了镀有抗反射（AR）涂层和不镀涂层的锗（Ge）窗口在20°C至180°C范围内的光学性能退化。实验发现温度超过60°C时，Ge窗口的透射率显著下降，且与Drude模型理论预测高度吻合。该研究提出了非破坏性评估方法，揭示了高温下Ge光学元件因载流子吸收增加导致的性能劣化机制，为军事红外系统在高能激光威胁下的可靠性设计提供了实验依据和理论支撑。

　　本研究探讨了在热红外设备中使用的锗（Ge）窗口在高温环境下的光学性能变化。通过使用气候舱模拟升高温度，研究分析了抗反射（AR）涂层和未涂层的锗窗口在20℃至180℃温度范围内的光学透过率。研究结果表明，当温度升至约60℃时，光学性能开始出现显著下降，这一温度与军用系统标准操作阈值密切相关。实验数据与基于德鲁德模型的理论预测高度一致，验证了研究方法的有效性。这些发现揭示了高能激光照射如何通过温度变化引发光学性能的退化，突显了在极端条件下，Ge光学材料在热成像系统中的脆弱性。此外，研究还提出了一种可重复、非破坏性的评估方法，以更好地理解这些影响。

在热红外成像系统中，锗光学材料主要用作光谱窗口或折射元件，决定了传递到探测器的波长范围，并确保在热红外波段内具有高光学透过率。当用作外部窗口时，它们还起到二次保护作用，通过维持封闭的光学路径来防止灰尘、湿气和其他污染物进入敏感的内部组件，如冷却的焦平面阵列。这些光学元件位于整个光学系统的前端，直接暴露于环境因素，包括可能的热负荷或辐射输入，因此其独立性能对整个系统的可靠性至关重要。

本研究重点关注了锗光学材料在高温环境下的表现，以深入理解温度对光学性能的影响。通过将锗窗口放置在受控的气候舱中，与系统其他部分隔离，可以准确评估温度引起的退化效应。这种方法能够有效地分析由于温度变化导致的透过率和发射率的变化，而不会受到系统其他变量的干扰。高能激光对红外系统构成双重威胁，不仅会引发热应力，还会通过局部加热导致光学不透明和噪声增加。已有研究表明，直接的激光照射会对锗光学材料造成灾难性影响，但大多数研究集中于低温环境或材料内部的热失控效应。尽管已知锗光学材料容易受到热退化的影响，但关于在不破坏样品的前提下模拟热应力的非破坏性测试（NDT）技术的研究仍然有限。这类技术对于在实际操作条件下评估光学性能至关重要，同时避免对组件造成永久性的改变或损坏。

为了更全面地理解材料在高温下的光学行为，本研究在实验基础上引入了简化后的有限差分模型，用于模拟高能激光引起的热点如何通过锗透镜传播。随着锗窗口温度的升高，传感器波段内的自发射会增加，而透过率则相应降低。因此，激光引起的热点不仅导致信号损失，还会引入额外的噪声。研究结果表明，虽然热点的形成和热的扩散需要几秒钟的时间，但一旦激光照射停止，这些影响会迅速扩散。这一现象对于利用激光进行点防御的应用尤其有益，例如在定向红外对抗措施（DIRCM）中，可以作为减少电光传感器受到干扰的有效手段。

然而，这些数值模拟研究通常局限于特定的局部加热事件，未能直接测量在受控条件下锗光学材料的广泛热退化行为。因此，本研究采用气候舱来模拟高能激光加热对锗窗口的热效应。通过在宽温度范围内分析AR涂层和未涂层的锗窗口，并将其结果与德鲁德模型的理论预测进行对比，研究弥补了这一空白。此外，本研究还结合了辐射热成像技术、受控环境以及信号贡献的分析，这为开发一种实用、非破坏性的方法提供了基础，用于预测红外成像系统在操作热应力下的性能损失。研究结果为理解温度如何影响锗的光学性能提供了关键的见解，强调了在极端条件下其性能的局限性，并提出了一种用于评估光学材料在高温下表现的统一方法。

在理论部分，我们探讨了德鲁德模型，该模型展示了温度如何影响半导体材料的吸收系数。我们引入了一个经验模型，该模型从基本性质出发，逐步推导出Ge的有效吸收、反射和透过率。随后，我们描述了实验设置和测量程序，这些程序使用气候舱和经过辐射校准的热成像仪进行操作，具体细节将在第三部分中介绍。第四部分将展示实验的结果，而第五部分则会对这些结果进行深入讨论，并将其与实际应用联系起来。

在模型构建方面，针对半导体材料如锗的吸收系数建模，可以采用物理模型或经验模型。物理模型如德鲁德模型能够从理论上解释材料的热行为，而经验模型则通过参数拟合来模拟吸收系数随温度的变化趋势。我们的研究目标是深入理解物理参数的作用，以提供更准确的预测方法。为了实现这一目标，我们结合了物理模型与实验数据，以确保理论预测的准确性。通过这种方式，我们不仅能够分析材料的热行为，还能够评估其在实际操作条件下的性能表现。

实验设置方面，我们设计了一个四部分组成的实验系统，包括一个安装在气候舱中的锗窗口、一个黑体校准源，以及一个位于气候舱外、在两侧对称布置的红外成像仪/摄像机。所有组件都可以通过开放的通道进行访问，这一配置模拟了图1中的示意图。通过这种实验设置，我们能够准确地测量温度变化对锗光学性能的影响，同时排除其他变量的干扰。实验过程中，我们使用经过辐射校准的热成像仪，以确保数据的精确性。此外，黑体校准源的使用使得我们能够准确校准热成像仪的响应，从而确保实验结果的可靠性。

实验结果部分展示了在不同温度条件下，锗吸收系数的变化情况。通过将AR涂层和未涂层的锗窗口与基于德鲁德模型的理论预测进行对比，我们能够验证模型的有效性。实验数据表明，随着温度的升高，吸收系数逐渐增加，而透过率则相应降低。这一趋势在60℃左右变得尤为明显，表明此时材料的光学性能已经受到显著影响。研究还发现，当温度达到180℃时，吸收系数的增加趋势更加显著，而透过率则大幅下降。这些结果不仅验证了理论模型的准确性，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。

讨论部分强调了实验结果与德鲁德模型预测之间的高度一致性。这种一致性为理解锗在热应力下的光学行为提供了坚实的理论基础。我们进一步分析了这些结果在实际应用中的意义，特别是在军事和航空航天领域。由于红外成像系统在操作过程中可能会经历长时间的热暴露，甚至可能受到定向能威胁，如高能激光武器的影响，因此了解材料在高温下的表现至关重要。此外，研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确预测红外成像系统在实际操作条件下的性能损失。这种方法不仅适用于实验室研究，还能够为实际工程应用提供参考。

本研究的实验结果表明，随着温度的升高，AR涂层和未涂层的锗窗口的光学性能均出现下降。这一现象在60℃左右变得尤为明显，说明此时材料的吸收系数显著增加，而透过率则相应降低。通过对比实验数据与理论预测，我们能够验证德鲁德模型的准确性，并进一步理解温度对材料光学性能的影响机制。研究还发现，当温度达到180℃时，吸收系数的增加趋势更加显著，而透过率则大幅下降。这些结果不仅验证了理论模型的预测，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。

在实验过程中，我们采用了多种测量手段，包括热成像仪的辐射校准和温度控制。通过将锗窗口放置在气候舱中，我们能够模拟实际操作条件下的热环境，并准确测量温度变化对材料光学性能的影响。此外，我们还利用黑体校准源对热成像仪进行校准，以确保实验数据的准确性。这种实验设置使得我们能够排除其他变量的干扰，从而更准确地评估温度对材料光学性能的影响。

本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实际应用中，红外成像系统可能面临多种热应力，包括长时间的热暴露和局部加热。这些热应力可能会影响系统的光学性能，甚至导致系统失效。因此，了解材料在高温下的表现对于优化系统设计和提高系统可靠性至关重要。本研究的实验结果表明，温度对材料的吸收系数和透过率具有显著影响，这为实际工程应用提供了理论支持。通过这种方式，我们能够更好地理解温度对材料光学性能的影响，并为实际操作条件下的性能评估提供依据。

在实验过程中，我们采用了多种测量手段，包括热成像仪的辐射校准和温度控制。通过将锗窗口放置在气候舱中，我们能够模拟实际操作条件下的热环境，并准确测量温度变化对材料光学性能的影响。此外，我们还利用黑体校准源对热成像仪进行校准，以确保实验数据的准确性。这种实验设置使得我们能够排除其他变量的干扰，从而更准确地评估温度对材料光学性能的影响。

本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

通过这种方式，我们能够更全面地理解温度对材料光学性能的影响，并为实际工程应用提供支持。本研究的实验结果不仅验证了理论模型的准确性，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。这种影响在军事和航空航天领域尤为重要，因为红外成像系统可能需要在极端条件下运行。因此，了解材料在高温下的表现对于优化系统设计和提高系统可靠性至关重要。

在实验过程中，我们采用了多种测量手段，包括热成像仪的辐射校准和温度控制。通过将锗窗口放置在气候舱中，我们能够模拟实际操作条件下的热环境，并准确测量温度变化对材料光学性能的影响。此外，我们还利用黑体校准源对热成像仪进行校准，以确保实验数据的准确性。这种实验设置使得我们能够排除其他变量的干扰，从而更准确地评估温度对材料光学性能的影响。

本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

通过这种方式，我们能够更全面地理解温度对材料光学性能的影响，并为实际工程应用提供支持。本研究的实验结果不仅验证了理论模型的准确性，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。这种影响在军事和航空航天领域尤为重要，因为红外成像系统可能需要在极端条件下运行。因此，了解材料在高温下的表现对于优化系统设计和提高系统可靠性至关重要。

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本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

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此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

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本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

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本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

通过这种方式，我们能够更全面地理解温度对材料光学性能的影响，并为实际工程应用提供支持。本研究的实验结果不仅验证了理论模型的准确性，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。这种影响在军事和航空航天领域尤为重要，因为红外成像系统可能需要在极端条件下运行。因此，了解材料在高温下的表现对于优化系统设计和提高系统可靠性至关重要。

在实验过程中，我们采用了多种测量手段，包括热成像仪的辐射校准和温度控制。通过将锗窗口放置在气候舱中，我们能够模拟实际操作条件下的热环境，并准确测量温度变化对材料光学性能的影响。此外，我们还利用黑体校准源对热成像仪进行校准，以确保实验数据的准确性。这种实验设置使得我们能够排除其他变量的干扰，从而更准确地评估温度对材料光学性能的影响。

本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

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此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

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本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

通过这种方式，我们能够更全面地理解温度对材料光学性能的影响，并为实际工程应用提供支持。本研究的实验结果不仅验证了理论模型的准确性，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。这种影响在军事和航空航天领域尤为重要，因为红外成像系统可能需要在极端条件下运行。因此，了解材料在高温下的表现对于优化系统设计和提高系统可靠性至关重要。

在实验过程中，我们采用了多种测量手段，包括热成像仪的辐射校准和温度控制。通过将锗窗口放置在气候舱中，我们能够模拟实际操作条件下的热环境，并准确测量温度变化对材料光学性能的影响。此外，我们还利用黑体校准源对热成像仪进行校准，以确保实验数据的准确性。这种实验设置使得我们能够排除其他变量的干扰，从而更准确地评估温度对材料光学性能的影响。

本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失，从而为实际工程应用提供支持。

在实验过程中，我们还发现，温度变化对AR涂层和未涂层的锗窗口的影响存在差异。AR涂层能够一定程度上缓解温度对材料光学性能的影响，但在高温条件下，其效果仍然有限。这一发现为实际工程应用提供了重要的参考，表明在设计红外成像系统时，需要综合考虑材料的光学性能和涂层的作用。此外，研究还强调了在极端条件下，材料的光学性能可能会受到严重限制，因此在系统设计中需要采取相应的措施，以确保系统的可靠性。

通过这种方式，我们能够更全面地理解温度对材料光学性能的影响，并为实际工程应用提供支持。本研究的实验结果不仅验证了理论模型的准确性，还揭示了温度对材料光学性能的深刻影响。这种影响在军事和航空航天领域尤为重要，因为红外成像系统可能需要在极端条件下运行。因此，了解材料在高温下的表现对于优化系统设计和提高系统可靠性至关重要。

在实验过程中，我们采用了多种测量手段，包括热成像仪的辐射校准和温度控制。通过将锗窗口放置在气候舱中，我们能够模拟实际操作条件下的热环境，并准确测量温度变化对材料光学性能的影响。此外，我们还利用黑体校准源对热成像仪进行校准，以确保实验数据的准确性。这种实验设置使得我们能够排除其他变量的干扰，从而更准确地评估温度对材料光学性能的影响。

本研究的实验结果表明，温度对锗光学材料的吸收系数和透过率具有显著影响。在60℃左右，材料的光学性能开始出现明显下降，这一温度范围对于实际操作条件来说具有重要意义。随着温度的进一步升高，材料的吸收系数持续增加，而透过率则逐渐降低。这一趋势在180℃时尤为显著，表明此时材料的光学性能已经受到严重限制。通过这种方式，我们不仅能够理解温度对材料光学性能的影响机制，还能够评估其在实际操作条件下的表现。

此外，本研究还提出了一种非破坏性的评估方法，使得在不破坏样品的前提下，可以准确测量温度对材料光学性能的影响。这种方法为红外成像系统在实际操作条件下的性能评估提供了新的思路，同时也为未来的研究提供了基础。通过这种方式，我们能够更准确地预测红外成像系统在高温环境下的性能损失