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種能改變光的傳播方向,並能改變紫外、可見或紅外光的相對光譜分佈的玻璃。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。光學玻璃可用於製造光學儀器中的透鏡、稜鏡、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 光學玻璃 -正文

光學玻璃用於製造光學儀器或機械系統的透鏡、稜鏡、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

光學玻璃光學玻璃
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nD55的各類玻璃定為冕(K)玻璃,其餘各類玻璃定為火石(F)玻璃。冕玻璃一般作凸透鏡,火石玻璃作凹透鏡。通常冕玻璃屬於含鹼硼硅酸鹽體系,輕冕玻璃屬於鋁硅酸鹽體系,重冕玻璃及鋇火石玻璃屬於無鹼硼硅酸鹽體系,絕大部分的火石玻璃屬於鉛鉀硅酸鹽體系。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佈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為了使光學系統傳遞的圖像清晰、不畸變,要求玻璃具有高度的均勻性以及特定而且精確的光學常數。
1768年,法國人P.L.紀南在粘土坩堝中採用攪拌的方法首創均勻的光學玻璃。中國在50年代開始研製光學玻璃,60年代已能生產出50~60個牌號,在近10~20年來發展了特殊相對色散玻璃、熱光畸變小的光學玻璃,並改善了它們的化學穩定性和析晶性能。 

2 光學玻璃 -分類  

按光學特性分為:無色光學玻璃 、 防輻照光學玻璃、耐輻照光學玻璃、有色光學玻璃、紫外和紅外光學玻璃、光學石英玻璃

光學玻璃無色光學玻璃
①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,並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、稜鏡、反射鏡等。
②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,後者可吸收慢中子和熱中子,主要用於核工業、醫學領域等作為屏蔽和窺視窗口材料。
③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,用於製造高能輻照下的光學儀器和窺視窗口。
④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,主要用於製造濾光器。
⑤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。
光學玻璃光學石英玻璃
⑥光學石英玻璃 以二氧化硅為主要成分,具有耐高溫、膨脹係數低、機械強度高、化學性能好等特點,用於製造對各種波段透過有特殊要求的稜鏡、透鏡、窗口和反射鏡等。此外,還有用於大規模集成電路製造的光掩膜板、液晶顯示器面板、影像光碟盤基薄板玻璃;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。
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與色散係數v的關係圖像(見圖)中分佈在不同的領域。
光學玻璃光學玻璃

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,由於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於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,註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,由於光學玻璃,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%。

3 光學玻璃 -原料

以優質石英砂為主料。適當加入輔料。由於稀土具有高的折射率,低的色散和良好的化學穩定性,可生產光學玻璃,用於製造高級照相機、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,是製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。

4 光學玻璃 -生產方法

光學玻璃光學玻璃
生產光學玻璃的原料是一些氧化物、氫氧化物、硝酸鹽和碳酸鹽,並根據配方的要求,引入磷酸鹽或氟化物。為了保證玻璃的透明度,必須嚴格控制著色雜質的含量,如鐵、鉻、銅、錳、鈷、鎳等。配料時要求準確稱量、均勻混合。主要的生產過程是熔煉、成型、退火和檢驗。
①熔煉 有單坩堝間歇熔煉法和池窯(見窯)連續熔煉法。單坩堝熔煉法又可分為粘土坩堝熔煉法和鉑坩堝熔煉法。不論採用何種熔煉方式均需用攪拌器攪拌,並嚴格控制溫度和攪拌,使玻璃液達到高度均勻。粘土坩堝能熔煉絕大部分冕玻璃和火石玻璃,成本低,且在玻璃的熔化溫度超過鉑的使用溫度時採用。鉑坩堝可熔煉質量較高、對粘土坩堝有嚴重侵蝕作用的玻璃,如重冕、重鋇火石、稀土玻璃和氟磷玻璃。鉑坩堝用電加熱,一般採用硅碳棒或硅鉬棒電爐。但製造析晶傾向大、要求迅速降溫以及對氣氛有一定要求的玻璃,則可採用高頻加熱。
60年代以來,各國相繼採用內襯鉑的連續池窯熔煉,使光學玻璃的產量大大提高,質量也好,這是目前光學玻璃生產工藝發展的主要趨勢。
②成型 光學玻璃的成型法有古典破堝法、滾壓法和澆注法,但目前越來越廣泛地採用漏料成型(用單坩堝或連熔流出料液),能直接拉棒或滴料壓型或漏料成型大尺寸的毛坯,提高料滴利用率和成品率。
③退火 為了最大限度地消除玻璃的內應力,提高光學均勻性,必須制定嚴格的退火制度,進行精密退火。
④檢驗 測定的指標有:光學常數、光學均勻度、應力雙折射、條紋、氣泡等。

5 光學玻璃 -冷加工技術

光學玻璃光學玻璃
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,在高溫火焰衝擊下以滿足防火要求的超硬度防火玻璃及其製造方法、專用設備。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。

6 光學玻璃 -發展方向

光學玻璃光學玻璃

各國致力於開發新品種,主要有:①發展特殊相對色散的玻璃,更好地調整二級光譜及滿足彩色攝影、彩色電視和多光譜攝影等技術的需要,實行超全消色差設計。②發展高折射低色散光學玻璃和低折射高色散玻璃,以校正球面像差和色差,改進寬視場光學系統的成像質量。發展高折射低色散玻璃,也是為了解決廣角航空攝影鏡頭的像面彎曲問題。③發展高色散和低色散玻璃,以及高折射率和低折射率玻璃,增加阿貝值之差和增加折射率之差來消除高級球差。④發展高折射率玻璃,加大光學系統的相對孔徑。⑤在高折射率的範圍內發展更多的不同阿貝值的玻璃,消除系統的色散。⑥發展熱光穩定、畸變小的光學玻璃、紅外和紫外光學玻璃、耐高輻射劑量的光學玻璃。特殊的低熔點玻璃,可直接模壓光學元件,不需或只需少量冷加工,提供非球面設計。

7 光學玻璃 -光學玻璃的質量要求

光學玻璃和其它玻璃的不同之點在於它作為光學系統的一個組成部分,必須滿足光學成象的要求。因此,光學玻璃質量的判定也包括某些特殊的和較嚴格的指標。對光學玻璃有以下要求:
一、特定的光學常數以及同一批玻璃光學常數的一致性
每一品種光學玻璃對不同波長光線都有規定的標準折射率數值,作為光學設計者設計光學系統的依據。所以工廠生產的光學玻璃的光學常數必須在這些數值一定的容許偏差範圍以內,否則將使實際的成象質量與設計時預期的結果不符而影響光學儀器的質量。同時由於同批儀器往往採用同批光學玻璃製造,為了便於儀器的統一校正,同批玻璃的折射率容許偏差要較它們與標準值的偏差更加嚴格。
二、高度的透明性
光學系統成象的亮度和玻璃透明度成比例關係。光學玻璃對某一波長光線的透明度以光吸收係數Kλ表示。光線通過一系列稜鏡和透鏡后,其能量部分損耗於光學零件的界面反射而另一部分為介質(玻璃)本身所吸收。前者隨玻璃折射率的增加而增加,對高折射率玻璃此值甚大,如對重燧玻璃一個表面光反射損耗約6%左右。因此對於包含多片薄透鏡的光學系統,提高透過率的主要途徑在於減少透鏡表面的反射損耗,如塗敷表面增透膜層等。而對於大尺寸的光學零件如天文望遠鏡的物鏡等,由於其厚度較大,光學系統的透過率主要決定於玻璃本身的光吸收係數。通過提高玻璃原料的純度以及在從配料到熔煉的整個過程中防止任何著色性雜質混入,一般可以使玻璃的光吸收係數小於0.01(即厚度為1厘米的玻璃對光透過率大於99%)。

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