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0431-81702023
光學工程
光學玻璃技術原理

能改變光的傳播方向,并能改變紫外、可見或紅外光的相對光譜分布的玻璃。狹義的光學玻璃是指無色光學玻璃;廣義的光學玻璃還包括有色光學玻璃、激光玻璃、石英光學玻璃、抗輻射玻璃、紫外紅外光學玻璃、纖維光學玻璃、聲光玻璃、磁光玻璃和光變色玻璃。光學玻璃可用于制造光學儀器中的透鏡、棱鏡、反射鏡及窗口等。由光學玻璃構成的部件是光學儀器中的關鍵性元件。

1、前景

光學玻璃是光電技術產業的基礎和重要組成部分。特別是在20世紀90年代以后,隨著光學與電子信息科學、新材料科學的不斷融合,作為光電子基礎材料的光學玻璃在光傳輸、光儲存和光電顯示三大領域的應用更是突飛猛進,成為社會信息化尤其是光電信息技術發展的基礎條件之一。

隨著國內經濟持續、穩定發展,中國光學玻璃制造行業發展迅猛。根據國家統計局數據顯示,2010年,光學玻璃制造行業規模以上企業數量達246家,行業全年實現銷售收入為234.05億元,同比增長53.70%;實現利潤15.37億元,同比增長87.10%;資產規模達到264.50億元,同比增長77.49%。由于光學玻璃制造行業以國內銷售為主,金融危機對其影響相對較小,行業依然表現出較好的增長勢頭。

2、簡介

用于制造光學儀器或機械系統的透鏡、棱鏡、反射鏡、窗口等的玻璃材料。包括無色光學玻璃(通常簡稱光學玻璃)、有色光學玻璃、耐輻射光學玻璃、防輻射玻璃和光學石英玻璃等。光學玻璃具有高度的透明性、化學及物理學(結構和性能)上的高度均勻性,具有特定和精確的光學常數。它可分為硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟化物和硫系化合物系列。品種繁多,主要按他們在折射率(nD)-阿貝值(VD)圖中的位置來分類。傳統上nD>1.60,VD>50和nD<1.60,VD>55的各類玻璃定為冕(K)玻璃,其余各類玻璃定為火石(F)玻璃。冕玻璃一般作凸透鏡,火石玻璃作凹透鏡。通常冕玻璃屬于含堿硼硅酸鹽體系,輕冕玻璃屬于鋁硅酸鹽體系,重冕玻璃及鋇火石玻璃屬于無堿硼硅酸鹽體系,絕大部分的火石玻璃屬于鉛鉀硅酸鹽體系。隨著光學玻璃的應用領域不斷拓寬,其品種在不斷擴大,其組成中幾乎包括周期表中的所有元素。

通過折射、反射、透過方式傳遞光線或通過吸收改變光的強度或光譜分布的一種無機玻璃態材料。具有穩定的光學性質和高度光學均勻性。

3、光學玻璃分類

無色光學玻璃

對光學常數有特定要求,具有可見區高透過、無選擇吸收著色等特點。按阿貝數大小分為冕類和火石類玻璃,各類又按折射率高低分為若干種,并按折射率大小依次排列。多用作望遠鏡、顯微鏡、照相機等的透鏡、棱鏡、反射鏡等。

防輻照光學玻璃

對高能輻照有較大的吸收能力,有高鉛玻璃和CaO-B2O2系統玻璃,前者可防止γ射線和X射線輻照,后者可吸收慢中子和熱中子,主要用于核工業、醫學領域等作為屏蔽和窺視窗口材料。

耐輻照光學玻璃

在一定的γ射線、X射線輻照下,可見區透過率變化較少,品種和牌號與無色光學玻璃相同,用于制造高能輻照下的光學儀器和窺視窗口。

有色光學玻璃

又稱濾光玻璃。對紫外、可見、紅外區特定波長有選擇吸收和透過性能,按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰3類;按著色機理分為離子著色、金屬膠體著色和硫硒化物著色3類,主要用于制造濾光器。

紫外和紅外光學玻璃

在紫外或紅外波段具有特定的光學常數和高透過率,用作紫外、紅外光學儀器或用作窗口材料。

光學石英玻璃

以二氧化硅為主要成分,具有耐高溫、膨脹系數低、機械強度高、化學性能好等特點,用于制造對各種波段透過有特殊要求的棱鏡、透鏡、窗口和反射鏡等。此外,還有用于大規模集成電路制造的光掩膜板、液晶顯示器面板、影像光盤盤基薄板玻璃;光沿著磁力線方向通過玻璃時偏振面發生旋轉的磁光玻璃;光按一定方向通過傳輸超聲波的玻璃時,發生光的衍射、反射、匯聚或光頻移的聲光玻璃等。

4、色散分類

按色散又分為兩類:色散較小的為冕類(K),色散較大的為火石類(F)。

①冕類光學玻璃分為氟冕(FK)、輕冕(QK)、磷冕(PK)、重磷冕(ZPK)、冕(K)、重冕(ZK)、鋇冕(BaK)、鑭冕(LaK)、鈦冕(TiK)和特冕(TK)等。

②火石類光學玻璃分為輕火石(QF)、火石(F)、重火石(ZF)、鋇火石(BaF)、重鋇火石(ZBaF)、鑭火石(LaF)、重鑭火石(ZLaF)、鈦火石(TiF)、冕火石(KF)和特種火石(TF)等。它們在折射率nd與色散系數v的關系圖像(見圖)中分布在不同的領域。

5、抗輻射

抗輻射玻璃是廣義光學玻璃的一種。包括防輻射玻璃和耐輻射玻璃。

①防輻射玻璃主要是對γ射線和X射線有較大吸收能力的玻璃。當γ射線或X射線進入防護玻璃時,由于玻璃內部產生光電效應、生成正負電子對,同時產生激發態和自由態電子,使射入的γ射線或X射線能量減小,穿透力下降,起到了防護作用。

當防輻射玻璃的密度增加時,屏蔽能力也相應增加。防γ射線的玻璃的密度通常不小于4.5g/cm。近年來,已開始用密度為6.2~6.5g/cm的玻璃,常用的有ZF系列。

②耐輻射光學玻璃主要指在γ射線作用下不易著色的光學玻璃。耐輻射光學玻璃牌號的命名,仍根據光學玻璃牌號,注明能耐輻射的倫琴數,例如,K509耐輻射光學玻璃的光學常數同K9,且能耐10倫琴劑量的γ射線。普通玻璃受高能射線輻射后產生自由電子,它與玻璃內部的缺位結合,形成色心。同時也可使原子核移位,破壞了正常的結構,也產生色心,使玻璃著色。

耐輻射光學玻璃中引入了CeO2,在高能γ射線輻照后,由于式①,能俘獲電子,不使玻璃內部產生色心,且因Ce和Ce的吸收帶在紫外區。當CeO2含量過高時,在紫外、紅外的吸收帶延伸到可見光區,使可見光的藍色區域吸收增加,導致玻璃呈黃色。同時,也會因玻璃中其他成分的影響而加深顏色,所以CeO2的含量不能太高,在K509中CeO2的含量約為0.4%~0.5%,在K709中CeO2約為1%。

6、制作原料

以優質石英砂為主料。適當加入輔料。由于稀土具有高的折射率,低的色散和良好

的化學穩定性,可生產光學玻璃,用于制造高級照相機、攝像機、望遠鏡等高級光學儀器的鏡頭。例如一種含氧化鑭lao360%,氧化硼b2o340%的具有優良光學性質的鑭玻璃,是制造高級照相機的鏡頭和潛望鏡的鏡頭的不可缺少的光學材料。另外,利用一些稀土元素的防輻射特性,可生產防輻射玻璃。

 

7、冷加工

一種利用化學氣相熱處理手段以及單片鈉鈣硅玻璃來改變其原來分子結構而不影響玻璃原有顏色及透光率,使其達到超硬度標準,在高溫火焰沖擊下以滿足防火要求的超硬度防火玻璃及其制造方法、專用設備。它是由下述重量配比的組份制成:鉀鹽蒸氣(72%~83%)、氬氣(7%~10%)、氣態氯化銅(8%~12%)、氮氣(2%~6%)。它包含以下工藝流程:以鈉鈣硅玻璃為基片進行切割,精磨邊的冷加工→對冷加工后的鈉鈣硅玻璃進行化學氣相熱處理→將鈉鈣硅玻璃表面進行鍍防火保護膜的處理→將鈉鈣硅玻璃表面進行特種物理鋼化處理。由缸體及其與之相套合的缸蓋、與缸蓋一體連接的反應釜構成專用熱分解氣化設備。

8、發展

光學玻璃的發展和光學儀器的發展是密不可分的。光學系統新的改革往往向光學玻璃提出新的要求,因而推動了光學玻璃的發展,同樣,新品種玻璃的試制成功也也往往反過來促進了光學儀器的發展。

最早被人們用來制作光學零件的光學材料是天然晶體,據稱古代亞西利亞用水晶作透鏡,而在古代中國則應用天然電氣石(茶鏡)和黃水晶。考古家證明公元三千年前在埃及和我們(戰國時代)人們已能制造玻璃。但是玻璃作為眼鏡和鏡子還是十三世紀在威尼斯開始的。恩格斯在“自然辨證法”中對此曾給予很高的評價,認為這是當時的卓越發明之一。此后由于天文學家與航海學的發展需要,伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃制造了望遠鏡和顯微鏡。從十六世紀開始玻璃已成為制造光學零件的主要材料了。

到了十七世紀,光學系統的消色差成為光學儀器的中心問題。這時由于改進了玻璃成分,在玻璃中引入了氧化鉛,赫爾才于1729年獲得第一對消色差透鏡,從此,光學玻璃就被分為冕牌和燧石玻璃兩個大類。

1768年紀南在法國首先用粘土棒攪拌的方法制得了均勻的光學玻璃,從而開始建立了獨立的光學玻璃制造工業。在十九世紀中葉,幾個發達的資本主義國家都先后建立了自己的光學玻璃工廠,如法國帕臘-芒圖公司(1872年)、英國錢斯公司(1848)、德國蕭特公司(1848)等。

十九世紀光學儀器有很大發展。第一次世界大戰前夕,德國為了迅速發展軍用光學儀器,要求打破光學玻璃品種貧乏的限制。這時,著名物理學家阿員參加了蕭特廠的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO,B2O3,ZnO,P2O3等,并且研究了它他對玻璃光學常數的影響。在這基礎上,發展了鋇冕、硼冕、鋅冕等類型玻璃,同時也開始試制了特殊相對部分色散的燧石玻璃。在這時期內,光學玻璃品種有了很大的擴展,因而在光學儀器方面出現了較完整的照相機及顯微鏡物鏡。

直至二十世紀三十年代以前,大部分工作仍在蕭特廠基礎上進行。到1934年獲得了一系列重冤玻璃,如德國號SK-16(620/603)及SK-18(639/555)等。到此為止,可以認為是光學玻璃發展的一個階段。

二次世界大戰前后,隨著各種光學儀器如航空攝影,紫外與紅外光譜儀器、高級照相物鏡等的發展,對光學玻璃又產生了新的需要。這時,光學玻璃也就相應地有了新的發展。1942年,美國摩萊(Morey)及以后蘇聯與德國的科學工作者都相繼把稀士及稀散氧化物引入玻璃中,因而擴大了玻璃品種,得到了一系列高折射率低色散的光學玻璃,如德國LaK,LaF,蘇聯CTK及ТЬФ等品種系列。與此同時,也進行了低折射率大色散玻璃的研究并得到一系列氟鈦硅酸鹽系統的光學玻璃。

由于各種新品種光學玻璃在加工或使用性能上或多或少地存在著缺陷,因此在研究擴展光學玻璃領域的同時,還針對改善各種新品種光學玻璃的物理和物理化學性質。以及生產工藝進行了許多工作。

綜觀以上歷史發展的過程,可以預言今后光學玻璃的發展方向是:

①制得特別高折射率的玻璃;

②制得特殊相對部分色散的玻璃;

③發展紅外及紫外光學玻璃;

④取代玻璃中某些不良的成分如放射性的THO2,有毒的BcO,Sb2O3等;

⑤提高玻璃的化學穩定性;

⑥提高玻璃透明度和防止玻璃輻射著色;

⑦改進工藝過程,降低新品種玻璃價格。

 


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