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解析光學(xué)玻璃技術(shù)原理及發(fā)展發(fā)現(xiàn)

文章出處：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2014-12-31 09:06【大中小】

能改變光的傳播方向，並能改變紫外、可見(jiàn)或紅外光的相對(duì)光譜分布的玻璃。狹義的光學(xué)玻璃是指無(wú)色光學(xué)玻璃；廣(guǎng)義的光學(xué)玻璃還包括有色光學(xué)玻璃、雷射玻璃、石英光學(xué)玻璃、抗輻射玻璃、紫外紅外光學(xué)玻璃、纖維光學(xué)玻璃、聲光玻璃、磁光玻璃和光變色玻璃。光學(xué)玻璃可用於製造光學(xué)儀器中的透鏡、稜鏡、反射鏡及窗口等。由光學(xué)玻璃構(gòu )成的部件是光學(xué)儀器中的關(guān)鍵性元件。

1、前景

光學(xué)玻璃是光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和重要組成部分。特別是在20世紀(jì)90年代以後，隨著光學(xué)與電子信息科學(xué)、新材料科學(xué)的不斷融合，作為光電子基礎(chǔ)材料的光學(xué)玻璃在光傳輸(shū)、光儲(chǔ)存和光電顯示三大領(lǐng)域的應(yīng)用更是突飛猛進(jìn)，成為社會(huì)信息化尤其是光電信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件之一。

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，中國(guó)光學(xué)玻璃製造行業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局數(shù)據(jù)顯示，2010年，光學(xué)玻璃製造行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)量達(dá)246家，行業(yè)全年實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入為234.05億元，同比增長(zhǎng)53.70%;實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)15.37億元，同比增長(zhǎng)87.10%;資產(chǎn)規(guī)模達(dá)到264.50億元，同比增長(zhǎng)77.49%。由於光學(xué)玻璃製造行業(yè)以國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售為主，金融危機(jī)對(duì)其影響相對(duì)較小，行業(yè)依然表現(xiàn)出較好的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

2、簡(jiǎn)介

用於製造光學(xué)儀器或機(jī)械系統(tǒng)的透鏡、稜鏡、反射鏡、窗口等的玻璃材料。包括無(wú)色光學(xué)玻璃(通常簡(jiǎn)稱(chēng)光學(xué)玻璃)、有色光學(xué)玻璃、耐輻射光學(xué)玻璃、防輻射玻璃和光學(xué)石英玻璃等。光學(xué)玻璃具有高度的透明性、化學(xué)及物理學(xué)(結(jié)構(gòu )和性能)上的高度均勻性，具有特定和精確的光學(xué)常數(shù)。它可分為矽酸鹽、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(lái)分類(lèi)。傳統(tǒng)上nD>1.60，VD>50和nD<1.60，vd>55的各類(lèi)玻璃定為冕(K)玻璃，其餘各類(lèi)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。通常冕玻璃屬於含鹼硼矽酸鹽體系，輕冕玻璃屬於鋁矽酸鹽體系，重冕玻璃及鋇火石玻璃屬於無(wú)鹼硼矽酸鹽體系，絕大部分的火石玻璃屬於鉛鉀矽酸鹽體系。隨著光學(xué)玻璃的應(yīng)用領(lǐng)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(guò)折射、反射、透過(guò)方式傳遞光線(xiàn )或通過(guò)吸收改變光的強(qiáng)度或光譜分布的一種無(wú)機(jī)玻璃態(tài)材料。具有穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)和高度光學(xué)均勻性。

3、光學(xué)玻璃分類(lèi)

無(wú)色光學(xué)玻璃

對(duì)光學(xué)常數(shù)有特定要求，具有可見(jiàn)區(qū)高透過(guò)、無(wú)選擇吸收著色等特點(diǎn)。按阿貝數(shù)大小分為冕類(lèi)和火石類(lèi)玻璃，各類(lèi)又按折射率高低分為若干種，並按折射率大小依次排列。多用作望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)等的透鏡、稜鏡、反射鏡等。

防輻照光學(xué)玻璃

對(duì)高能輻照有較大的吸收能力，有高鉛玻璃和CaO-B2O2系統(tǒng)玻璃，前者可防止γ射線(xiàn )和X射線(xiàn )輻照，後者可吸收慢中子和熱中子，主要用於核工業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等作為屏蔽和窺視窗口材料。

耐輻照光學(xué)玻璃

在一定的γ射線(xiàn )、X射線(xiàn )輻照下，可見(jiàn)區(qū)透過(guò)率變化較少，品種和牌號(hào)與無(wú)色光學(xué)玻璃相同，用於製造高能輻照下的光學(xué)儀器和窺視窗口。

有色光學(xué)玻璃

又稱(chēng)濾光玻璃。對(duì)紫外、可見(jiàn)、紅外區(qū)特定波長(zhǎng)有選擇吸收和透過(guò)性能，按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰3類(lèi)；按著色機(jī)理分為離子著色、金屬膠體著色和硫硒化物著色3類(lèi)，主要用於製造濾光器。

紫外和紅外光學(xué)玻璃

在紫外或紅外波段具有特定的光學(xué)常數(shù)和高透過(guò)率，用作紫外、紅外光學(xué)儀器或用作窗口材料。

光學(xué)石英玻璃

以二氧化矽為主要成分，具有耐高溫、膨脹係數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能好等特點(diǎn)，用於製造對(duì)各種波段透過(guò)有特殊要求的稜鏡、透鏡、窗口和反射鏡等。此外，還有用於大規(guī)模集成電路製造的光掩膜板、液晶顯示器面板、影像光碟盤(pán)基薄板玻璃；光沿著磁力線(xiàn )方向通過(guò)玻璃時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的磁光玻璃；光按一定方向通過(guò)傳輸(shū)超聲波的玻璃時(shí)，發(fā)生光的衍射、反射、匯聚或光頻移的聲光玻璃等。

4、色散分類(lèi)

按色散又分為兩(liǎng)類(lèi)：色散較小的為冕類(lèi)(K)，色散較大的為火石類(lèi)(F)。

①冕類(lèi)光學(xué)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(lèi)光學(xué)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與色散係數(shù)v的關(guān)係圖像（見(jiàn)圖）中分布在不同的領(lǐng)域。

5、抗輻射

抗輻射玻璃是廣(guǎng)義光學(xué)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(duì)γ射線(xiàn )和X射線(xiàn )有較大吸收能力的玻璃。當(dāng)γ射線(xiàn )或X射線(xiàn )進(jìn)入防護(hù)玻璃時(shí)，由於玻璃內(nèi)部產(chǎn)生光電效應(yīng)、生成正負(fù)電子對(duì)，同時(shí)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)和自由態(tài)電子，使射入的γ射線(xiàn )或X射線(xiàn )能量減小，穿透力下降，起到了防護(hù)作用。

當(dāng)防輻射玻璃的密度增加時(shí)，屏蔽能力也相應(yīng)增加。防γ射線(xiàn )的玻璃的密度通常不小於4.5g/cm。近年來(lái)，已開(kāi)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(xué)玻璃主要指在γ射線(xiàn )作用下不易著色的光學(xué)玻璃。耐輻射光學(xué)玻璃牌號(hào)的命名，仍根據(jù)光學(xué)玻璃牌號(hào)，註明能耐輻射的倫琴數(shù)，例如，K509耐輻射光學(xué)玻璃的光學(xué)常數(shù)同K9,且能耐10倫琴劑量的γ射線(xiàn )。普通玻璃受高能射線(xiàn )輻射後產(chǎn)生自由電子，它與玻璃內(nèi)部的缺位結(jié)合，形成色心。同時(shí)也可使原子核移位，破壞了正常的結(jié)構(gòu )，也產(chǎn)生色心，使玻璃著色。

耐輻射光學(xué)玻璃中引入了CeO2，在高能γ射線(xiàn )輻照後，由於式①,能俘獲電子，不使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生色心,且因Ce和Ce的吸收帶在紫外區(qū)。當(dāng)CeO2含量過(guò)高時(shí)，在紫外、紅外的吸收帶延伸到可見(jiàn)光區(qū)，使可見(jiàn)光的藍(lán)色區(qū)域吸收增加，導(dǎo )致玻璃呈黃色。同時(shí)，也會(huì)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、製作原料

以優(yōu)質(zhì)石英砂為主料。適當(dāng)加入輔料。由於稀土具有高的折射率，低的色散和良好

的化學(xué)穩(wěn)定性，可生產(chǎn)光學(xué)玻璃，用於製造高級(jí)照相機(jī)、攝像機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等高級(jí)光學(xué)儀器的鏡頭。例如一種含氧化鑭lao360%，氧化硼b2o340%的具有優(yōu)良光學(xué)性質(zhì)的鑭玻璃，是製造高級(jí)照相機(jī)的鏡頭和潛望鏡的鏡頭的不可缺少的光學(xué)材料。另外，利用一些稀土元素的防輻射特性，可生產(chǎn)防輻射玻璃。

7、冷加工

一種利用化學(xué)氣相熱處理手段以及單片鈉鈣矽玻璃來(lái)改變其原來(lái)分子結(jié)構(gòu )而不影響玻璃原有顏色及透光率，使其達(dá)到超硬度標(biāo)準(zhǔn)，在高溫火焰衝擊下以滿(mǎn)足防火要求的超硬度防火玻璃及其製造方法、專(zhuān)用設(shè)備。它是由下述重量配比的組份製成：鉀鹽蒸氣(72%～83%)、氬氣(7%～10%)、氣態(tài)氯化銅(8%～12%)、氮氣(2%～6%)。它包含以下工藝流程：以鈉鈣矽玻璃為基片進(jìn)行切割，精磨邊的冷加工→對(duì)冷加工後的鈉鈣矽玻璃進(jìn)行化學(xué)氣相熱處理→將鈉鈣矽玻璃表面進(jìn)行鍍防火保護(hù)膜的處理→將鈉鈣矽玻璃表面進(jìn)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(yīng)釜構(gòu )成專(zhuān)用熱分解氣化設(shè)備。

8、發(fā)展

光學(xué)玻璃的發(fā)展和光學(xué)儀器的發(fā)展是密不可分的。光學(xué)系統(tǒng)新的改革往往向光學(xué)玻璃提出新的要求，因而推動(dòng)了光學(xué)玻璃的發(fā)展，同樣，新品種玻璃的試製成功也也往往反過(guò)來(lái)促進(jìn)了光學(xué)儀器的發(fā)展。

最早被人們用來(lái)製作光學(xué)零件的光學(xué)材料是天然晶體，據(jù)稱(chēng)古代亞西利亞用水晶作透鏡，而在古代中國(guó)則應(yīng)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(guó)時(shí)代）人們已能製造玻璃。但是玻璃作為眼鏡和鏡子還是十三世紀(jì)在威尼斯開(kāi)始的。恩格斯在“自然辨證法”中對(duì)此曾給予很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是當(dāng)時(shí)的卓越發(fā)明之一。此後由於天文學(xué)家與航海學(xué)的發(fā)展需要，伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃製造瞭望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡。從十六世紀(jì)開(kāi)始玻璃已成為製造光學(xué)零件的主要材料了。

到了十七世紀(jì)，光學(xué)系統(tǒng)的消色差成為光學(xué)儀器的中心問(wèn)題。這時(shí)由於改進(jìn)了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化鉛，赫爾才於1729年獲得第一對(duì)消色差透鏡，從此，光學(xué)玻璃就被分為冕牌和燧石玻璃兩(liǎng)個(gè)大類(lèi)。

1768年紀(jì)南在法國(guó)首先用粘土棒攪拌的方法製得了均勻的光學(xué)玻璃，從而開(kāi)始建立了獨(dú)立的光學(xué)玻璃製造工業(yè)。在十九世紀(jì)中葉，幾個(gè)發(fā)達(dá)的資本主義國(guó)家都先後建立了自己的光學(xué)玻璃工廠(chǎng)，如法國(guó)帕臘-芒圖公司（1872年）、英國(guó)錢斯公司（1848）、德國(guó)蕭特公司(1848)等。

十九世紀(jì)光學(xué)儀器有很大發(fā)展。第一次世界大戰前夕，德國(guó)為了迅速發(fā)展軍用光學(xué)儀器，要求打破光學(xué)玻璃品種貧乏的限制。這時(shí)，著名物理學(xué)家阿員參加了蕭特廠(chǎng)的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO，B2O3,ZnO，P2O3等，並且研究了它他對(duì)玻璃光學(xué)常數(shù)的影響。在這基礎(chǔ)上，發(fā)展了鋇冕、硼冕、鋅冕等類(lèi)型玻璃，同時(shí)也開(kāi)始試製了特殊相對(duì)部分色散的燧石玻璃。在這時(shí)期內(nèi)，光學(xué)玻璃品種有了很大的擴展，因而在光學(xué)儀器方面出現(xiàn)了較完整的照相機(jī)及顯微鏡物鏡。

直至二十世紀(jì)三十年代以前，大部分工作仍在蕭特廠(chǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行。到1934年獲得了一系列重冤玻璃，如德國(guó)號(hào)SK-16（620/603）及SK-18（639/555）等。到此為止，可以認(rèn)為是光學(xué)玻璃發(fā)展的一個(gè)階段。

二次世界大戰前後，隨著各種光學(xué)儀器如航空攝影，紫外與紅外光譜儀器、高級(jí)照相物鏡等的發(fā)展，對(duì)光學(xué)玻璃又產(chǎn)生了新的需要。這時(shí)，光學(xué)玻璃也就相應(yīng)地有了新的發(fā)展。1942年，美國(guó)摩萊（Morey）及以後蘇聯(lián)與德國(guó)的科學(xué)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(xué)玻璃，如德國(guó)LaK,LaF，蘇聯(lián)CTK及ТЬФ等品種系列。與此同時(shí)，也進(jìn)行了低折射率大色散玻璃的研究並得到一系列氟鈦矽酸鹽系統(tǒng)的光學(xué)玻璃。

由於各種新品種光學(xué)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(xué)玻璃領(lǐng)域的同時(shí)，還針對(duì)改善各種新品種光學(xué)玻璃的物理和物理化學(xué)性質(zhì)。以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了許多工作。

綜觀(guān)以上歷史發(fā)展的過(guò)程，可以預言今後光學(xué)玻璃的發(fā)展方向是：

①製得特別高折射率的玻璃；

②製得特殊相對(duì)部分色散的玻璃；

③發(fā)展紅外及紫外光學(xué)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(xué)穩(wěn)定性；

⑥提高玻璃透明度和防止玻璃輻射著色；

⑦改進(jìn)工藝過(guò)程，降低新品種玻璃價(jià)格。

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