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0431-81702023
光学工程
光学玻璃技术原理

能改变光的传播方向,并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。狭义的光学玻璃是指无色光学玻璃;广义的光学玻璃还包括有色光学玻璃、激光玻璃、石英光学玻璃、抗辐射玻璃、紫外红外光学玻璃、纤维光学玻璃、声光玻璃、磁光玻璃和光变色玻璃。光学玻璃可用于制造光学仪器中的透镜、棱镜、反射镜及窗口等。由光学玻璃构成的部件是光学仪器中的关键性元件。

1、前景

光学玻璃是光电技术产业的基础和重要组成部分。特别是在20世纪90年代以后,随着光学与电子信息科学、新材料科学的不断融合,作为光电子基础材料的光学玻璃在光传输、光储存和光电显示三大领域的应用更是突飞猛进,成为社会信息化尤其是光电信息技术发展的基础条件之一。

随着国内经济持续、稳定发展,中国光学玻璃制造行业发展迅猛。根据国家统计局数据显示,2010年,光学玻璃制造行业规模以上企业数量达246家,行业全年实现销售收入为234.05亿元,同比增长53.70%;实现利润15.37亿元,同比增长87.10%;资产规模达到264.50亿元,同比增长77.49%。由于光学玻璃制造行业以国内销售为主,金融危机对其影响相对较小,行业依然表现出较好的增长势头。

2、简介

用于制造光学仪器或机械系统的透镜、棱镜、反射镜、窗口等的玻璃材料。包括无色光学玻璃(通常简称光学玻璃)、有色光学玻璃、耐辐射光学玻璃、防辐射玻璃和光学石英玻璃等。光学玻璃具有高度的透明性、化学及物理学(结构和性能)上的高度均匀性,具有特定和精确的光学常数。它可分为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物和硫系化合物系列。品种繁多,主要按他们在折射率(nD)-阿贝值(VD)图中的位置来分类。传统上nD>1.60,VD>50和nD<1.60,VD>55的各类玻璃定为冕(K)玻璃,其余各类玻璃定为火石(F)玻璃。冕玻璃一般作凸透镜,火石玻璃作凹透镜。通常冕玻璃属于含碱硼硅酸盐体系,轻冕玻璃属于铝硅酸盐体系,重冕玻璃及钡火石玻璃属于无碱硼硅酸盐体系,绝大部分的火石玻璃属于铅钾硅酸盐体系。随着光学玻璃的应用领域不断拓宽,其品种在不断扩大,其组成中几乎包括周期表中的所有元素。

通过折射、反射、透过方式传递光线或通过吸收改变光的强度或光谱分布的一种无机玻璃态材料。具有稳定的光学性质和高度光学均匀性。

3、光学玻璃分类

无色光学玻璃

对光学常数有特定要求,具有可见区高透过、无选择吸收着色等特点。按阿贝数大小分为冕类和火石类玻璃,各类又按折射率高低分为若干种,并按折射率大小依次排列。多用作望远镜、显微镜、照相机等的透镜、棱镜、反射镜等。

防辐照光学玻璃

对高能辐照有较大的吸收能力,有高铅玻璃和CaO-B2O2系统玻璃,前者可防止γ射线和X射线辐照,后者可吸收慢中子和热中子,主要用于核工业、医学领域等作为屏蔽和窥视窗口材料。

耐辐照光学玻璃

在一定的γ射线、X射线辐照下,可见区透过率变化较少,品种和牌号与无色光学玻璃相同,用于制造高能辐照下的光学仪器和窥视窗口。

有色光学玻璃

又称滤光玻璃。对紫外、可见、红外区特定波长有选择吸收和透过性能,按光谱特性分为选择性吸收型、截止型和中性灰3类;按着色机理分为离子着色、金属胶体着色和硫硒化物着色3类,主要用于制造滤光器。

紫外和红外光学玻璃

在紫外或红外波段具有特定的光学常数和高透过率,用作紫外、红外光学仪器或用作窗口材料。

光学石英玻璃

以二氧化硅为主要成分,具有耐高温、膨胀系数低、机械强度高、化学性能好等特点,用于制造对各种波段透过有特殊要求的棱镜、透镜、窗口和反射镜等。此外,还有用于大规模集成电路制造的光掩膜板、液晶显示器面板、影像光盘盘基薄板玻璃;光沿着磁力线方向通过玻璃时偏振面发生旋转的磁光玻璃;光按一定方向通过传输超声波的玻璃时,发生光的衍射、反射、汇聚或光频移的声光玻璃等。

4、色散分类

按色散又分为两类:色散较小的为冕类(K),色散较大的为火石类(F)。

①冕类光学玻璃分为氟冕(FK)、轻冕(QK)、磷冕(PK)、重磷冕(ZPK)、冕(K)、重冕(ZK)、钡冕(BaK)、镧冕(LaK)、钛冕(TiK)和特冕(TK)等。

②火石类光学玻璃分为轻火石(QF)、火石(F)、重火石(ZF)、钡火石(BaF)、重钡火石(ZBaF)、镧火石(LaF)、重镧火石(ZLaF)、钛火石(TiF)、冕火石(KF)和特种火石(TF)等。它们在折射率nd与色散系数v的关系图像(见图)中分布在不同的领域。

5、抗辐射

抗辐射玻璃是广义光学玻璃的一种。包括防辐射玻璃和耐辐射玻璃。

①防辐射玻璃主要是对γ射线和X射线有较大吸收能力的玻璃。当γ射线或X射线进入防护玻璃时,由于玻璃内部产生光电效应、生成正负电子对,同时产生激发态和自由态电子,使射入的γ射线或X射线能量减小,穿透力下降,起到了防护作用。

当防辐射玻璃的密度增加时,屏蔽能力也相应增加。防γ射线的玻璃的密度通常不小于4.5g/cm。近年来,已开始用密度为6.2~6.5g/cm的玻璃,常用的有ZF系列。

②耐辐射光学玻璃主要指在γ射线作用下不易着色的光学玻璃。耐辐射光学玻璃牌号的命名,仍根据光学玻璃牌号,注明能耐辐射的伦琴数,例如,K509耐辐射光学玻璃的光学常数同K9,且能耐10伦琴剂量的γ射线。普通玻璃受高能射线辐射后产生自由电子,它与玻璃内部的缺位结合,形成色心。同时也可使原子核移位,破坏了正常的结构,也产生色心,使玻璃着色。

耐辐射光学玻璃中引入了CeO2,在高能γ射线辐照后,由于式①,能俘获电子,不使玻璃内部产生色心,且因Ce和Ce的吸收带在紫外区。当CeO2含量过高时,在紫外、红外的吸收带延伸到可见光区,使可见光的蓝色区域吸收增加,导致玻璃呈黄色。同时,也会因玻璃中其他成分的影响而加深颜色,所以CeO2的含量不能太高,在K509中CeO2的含量约为0.4%~0.5%,在K709中CeO2约为1%。

6、制作原料

以优质石英砂为主料。适当加入辅料。由于稀土具有高的折射率,低的色散和良好

的化学稳定性,可生产光学玻璃,用于制造高级照相机、摄像机、望远镜等高级光学仪器的镜头。例如一种含氧化镧lao360%,氧化硼b2o340%的具有优良光学性质的镧玻璃,是制造高级照相机的镜头和潜望镜的镜头的不可缺少的光学材料。另外,利用一些稀土元素的防辐射特性,可生产防辐射玻璃。

 

7、冷加工

一种利用化学气相热处理手段以及单片钠钙硅玻璃来改变其原来分子结构而不影响玻璃原有颜色及透光率,使其达到超硬度标准,在高温火焰冲击下以满足防火要求的超硬度防火玻璃及其制造方法、专用设备。它是由下述重量配比的组份制成:钾盐蒸气(72%~83%)、氩气(7%~10%)、气态氯化铜(8%~12%)、氮气(2%~6%)。它包含以下工艺流程:以钠钙硅玻璃为基片进行切割,精磨边的冷加工→对冷加工后的钠钙硅玻璃进行化学气相热处理→将钠钙硅玻璃表面进行镀防火保护膜的处理→将钠钙硅玻璃表面进行特种物理钢化处理。由缸体及其与之相套合的缸盖、与缸盖一体连接的反应釜构成专用热分解气化设备。

8、发展

光学玻璃的发展和光学仪器的发展是密不可分的。光学系统新的改革往往向光学玻璃提出新的要求,因而推动了光学玻璃的发展,同样,新品种玻璃的试制成功也也往往反过来促进了光学仪器的发展。

最早被人们用来制作光学零件的光学材料是天然晶体,据称古代亚西利亚用水晶作透镜,而在古代中国则应用天然电气石(茶镜)和黄水晶。考古家证明公元三千年前在埃及和我们(战国时代)人们已能制造玻璃。但是玻璃作为眼镜和镜子还是十三世纪在威尼斯开始的。恩格斯在“自然辨证法”中对此曾给予很高的评价,认为这是当时的卓越发明之一。此后由于天文学家与航海学的发展需要,伽利略、牛顿、笛卡儿等也用玻璃制造了望远镜和显微镜。从十六世纪开始玻璃已成为制造光学零件的主要材料了。

到了十七世纪,光学系统的消色差成为光学仪器的中心问题。这时由于改进了玻璃成分,在玻璃中引入了氧化铅,赫尔才于1729年获得第一对消色差透镜,从此,光学玻璃就被分为冕牌和燧石玻璃两个大类。

1768年纪南在法国首先用粘土棒搅拌的方法制得了均匀的光学玻璃,从而开始建立了独立的光学玻璃制造工业。在十九世纪中叶,几个发达的资本主义国家都先后建立了自己的光学玻璃工厂,如法国帕腊-芒图公司(1872年)、英国钱斯公司(1848)、德国萧特公司(1848)等。

十九世纪光学仪器有很大发展。第一次世界大战前夕,德国为了迅速发展军用光学仪器,要求打破光学玻璃品种贫乏的限制。这时,著名物理学家阿员参加了萧特厂的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO,B2O3,ZnO,P2O3等,并且研究了它他对玻璃光学常数的影响。在这基础上,发展了钡冕、硼冕、锌冕等类型玻璃,同时也开始试制了特殊相对部分色散的燧石玻璃。在这时期内,光学玻璃品种有了很大的扩展,因而在光学仪器方面出现了较完整的照相机及显微镜物镜。

直至二十世纪三十年代以前,大部分工作仍在萧特厂基础上进行。到1934年获得了一系列重冤玻璃,如德国号SK-16(620/603)及SK-18(639/555)等。到此为止,可以认为是光学玻璃发展的一个阶段。

二次世界大战前后,随着各种光学仪器如航空摄影,紫外与红外光谱仪器、高级照相物镜等的发展,对光学玻璃又产生了新的需要。这时,光学玻璃也就相应地有了新的发展。1942年,美国摩莱(Morey)及以后苏联与德国的科学工作者都相继把稀士及稀散氧化物引入玻璃中,因而扩大了玻璃品种,得到了一系列高折射率低色散的光学玻璃,如德国LaK,LaF,苏联CTK及ТЬФ等品种系列。与此同时,也进行了低折射率大色散玻璃的研究并得到一系列氟钛硅酸盐系统的光学玻璃。

由于各种新品种光学玻璃在加工或使用性能上或多或少地存在着缺陷,因此在研究扩展光学玻璃领域的同时,还针对改善各种新品种光学玻璃的物理和物理化学性质。以及生产工艺进行了许多工作。

综观以上历史发展的过程,可以预言今后光学玻璃的发展方向是:

①制得特别高折射率的玻璃;

②制得特殊相对部分色散的玻璃;

③发展红外及紫外光学玻璃;

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提高玻璃的化学稳定性;

⑥提高玻璃透明度和防止玻璃辐射着色;

⑦改进工艺过程,降低新品种玻璃价格。

 


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