光学玻璃

一种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。

为了使光学系统传递的图像清晰、不畸变,要求玻璃具有高度的均匀性以及特定而且精确的光学常数。

1768年,法国人P.L.纪南在粘土坩埚中采用搅拌的方法首创均匀的光学玻璃。中国在50年代开始研制光学玻璃,60年代已能生产出50~60个牌号,在近10~20年来发展了特殊相对色散玻璃、热光畸变小的光学玻璃,并改善了它们的化学稳定性和析晶性能。

主要品种

有无色光学玻璃和抗辐射玻璃。

无色光学玻璃

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。

图 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/cm3。近年来,已开始用密度为6.2~6.5g/cm3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105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,由于公式 符号,能俘获电子,不使玻璃内部产生色心,且因Ce4+和Ce3+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%。

生产方法

生产光学玻璃的原料是一些氧化物、氢氧化物、硝酸盐碳酸盐,并根据配方的要求,引入磷酸盐或氟化物。为了保证玻璃的透明度,必须严格控制着色杂质的含量,如铁、铬、铜、锰、钴、镍等。配料时要求准确称量、均匀混合。主要的生产过程是熔炼、成型、退火和检验。

(1)熔炼 有单坩埚间歇熔炼法和池窑(见窑)连续熔炼法。单坩埚熔炼法又可分为粘土坩埚熔炼法和铂坩埚熔炼法。不论采用何种熔炼方式均需用搅拌器搅拌,并严格控制温度和搅拌,使玻璃液达到高度均匀。粘土坩埚能熔炼绝大部分冕玻璃和火石玻璃,成本低,且在玻璃的熔化温度超过铂的使用温度时采用。铂坩埚可熔炼质量较高、对粘土坩埚有严重侵蚀作用的玻璃,如重冕、重钡火石、稀土玻璃和氟磷玻璃。铂坩埚用电加热,一般采用硅碳棒或硅钼棒电炉。但制造析晶倾向大、要求迅速降温以及对气氛有一定要求的玻璃,则可采用高频加热。

60年代以来,各国相继采用内衬铂的连续池窑熔炼,使光学玻璃的产量大大提高,质量也好,这是目前光学玻璃生产工艺发展的主要趋势。

(2)成型 光学玻璃的成型法有古典破埚法、滚压法和浇注法,但目前越来越广泛地采用漏料成型(用单坩埚或连熔流出料液),能直接拉棒或滴料压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 为了最大限度地消除玻璃的内应力,提高光学均匀性,必须制定严格的退火制度,进行精密退火。

(4)检验 测定的指标有:光学常数、光学均匀度、应力双折射、条纹、气泡等。

发展方向

各国致力于开发新品种,主要有:

(1)发展特殊相对色散的玻璃,更好地调整二级光谱及满足彩色摄影、彩色电视和多光谱摄影等技术的需要,实行超全消色差设计。

(2)发展高折射低色散光学玻璃和低折射高色散玻璃,以校正球面像差和色差,改进宽视场光学系统的成像质量。发展高折射低色散玻璃,也是为了解决广角航空摄影镜头的像面弯曲问题。

(3)发展高色散和低色散玻璃,以及高折射率和低折射率玻璃,增加阿贝值之差和增加折射率之差来消除高级球差

(4)发展高折射率玻璃,加大光学系统的相对孔径。

(5)在高折射率的范围内发展更多的不同阿贝值的玻璃,消除系统的色散。

(6)发展热光稳定、畸变小的光学玻璃、红外和紫外光学玻璃、耐高辐射剂量的光学玻璃。特殊的低熔点玻璃,可直接模压光学元件,不需或只需少量冷加工,提供非球面设计。

参考书目
  1. 干福熹等:《光学玻璃》,中、下册,第二版,科学出版社,北京,1982、1985。