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深度解析光學玻璃

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2018-06-28 08:50:00 來源:光電資訊

定義

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。光學玻璃可用於製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。

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幹種,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、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,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。

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。

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。

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

以二氧化矽為主要成分,具有耐高溫、膨脹系數低、機械強度高、化學性能好等特點,用於製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、彙聚或光頻移的聲光玻璃等。

光學玻璃冷加工技術及質量要求

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。

其冷加工技術是利用化學氣相熱處理手段以及單片鈉鈣矽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:以鈉鈣矽玻璃為基片進行切割,精磨邊的冷加工→對冷加工後的鈉鈣矽玻璃進行化學氣相熱處理→將鈉鈣矽玻璃表面進行鍍防火保護膜的處理→將鈉鈣矽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。

對光學玻璃質量有以下要求:

一、特定的光學常數以及同一批玻璃光學常數的一緻性

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采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系。光學玻璃對某一波長光線的透明度以光吸收系數Kλ表示。光線通過一系列棱鏡和透鏡後,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系數。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系數小於0.01(即厚度為1厘米的玻璃對光透過率大於99%)。

三階非線性光學玻璃

非線性光學玻璃由於與現有的光纖系統具有相容性和較快的響應速度,因而引起人們的極大興趣。目前的研究工作集中於各種不同的玻璃系統,利用不同的非線性機製來提高非線性性能。由於光頻隨材料中電子的轉移或躍遷會表現出共振和非共振兩種情況,故三階非線性光學玻璃材料也可分為共振型和非共振型兩類。

1、非共振型

雖然均質玻璃的值較低,但由於其具有較小的吸收系數和較短的響應時間而使其品質因數較高而格外引人注目。其中為非線性折射率,為響應時間或1皮秒(取其長者),是線性吸收系數。

在所有均質玻璃中,都或多或少存在三階非線性光學效應。通常具有高密度﹑高線性折射率的玻璃具有較高的非線性極化率。要獲得高密度﹑高折射率玻璃的方法是向玻璃中添加具有高折射度的調整體或引入易極化的重金屬氧化物,如PbO﹑Bi2O3﹑Nb2O3﹑TeO2、R2O3(R=La,Pr,Nd,Sm)等,或引入重金屬鹵化物,如KX(X=Cl,Br,I)、PbCl2等。硫系玻璃通常具有相對較大的三階非線性極化率,最大值As-S-Se為1.4×10-11esu,差不多是SiO2玻璃的500倍。

然而由於硫系玻璃的本征吸收最小值位於4~6mm,在1.06mm波長測得的有相當部分屬於共振吸收分量,且通訊領域主要使用1.31和1.55mm兩個窗口作為通信通道,而使其全光開關應用受到限製。但最近研究表明,重金屬鹵化物的引入會使硫系玻璃透射區同時向長波和短波方向擴展,如GeS2-Ga2S3-KX(X=Cl,Br)系光透過範圍在0.45~11.5mm之間,且透過率高達80%以上(4mm樣品),由於重金屬鹵化物具有大的極化率,硫系玻璃引入鹵化物會增加玻璃結構的堆積密度,從而使玻璃具有很好的三階非線性光學性能,而使新型硫鹵玻璃成為全光開關的最佳候選材料之一。

另外在氧化物玻璃中,Bi2O3基玻璃和碲酸鹽玻璃的三階非線性極化率較高,由於其本征吸收最小值靠近通信信道波長,也被認為是全光開關的最佳候選材料之一。

為了在長的作用範圍保持高功率密度,波導結構予以考慮,光波導結構以低維形狀(纖維或薄膜)出現,並使集成化而將成為全光開關、光放大器等光子器件的物質基礎。據報道,日本科學家Asobe等人在1.5mm波長處已實現了100GHZ信號處理的響應時間小於5皮秒的As2S3單模光纖應用於光學克爾開關,光纖長度約1m。

一個最常見的利用硫系玻璃光纖的光學轉換開關是非線性光學迴路鏡,它是利用改變非線性光學折射率的原理來產生兩個光波間的幹涉,能很好的減小全光開關的轉換功率。為了更好的減小開關功率損耗,應用啁啾光柵作為群速度色散補償技術一直是科學家們努力的方向。

然而在未來光信號的高比特率處理﹑大規模光路的集成化等發展趨勢上,光纖仍有諸多不足之處。許多科學家也在努力探索用半導體製成的以微小集成電路塊為基礎的器件來取代非線性光學迴路鏡中的長光纖部分,但其主要缺陷是響應速度不是很快。

另外對一些低值的玻璃,如氟化物玻璃,其在非線性應用方面(如激光玻璃)頗有吸引力。在高能激光系統中,強光束通過介質傳播引起折射率變化,產生光束自聚焦(<0)或自散焦(>0),在這種情況下要求介質具有小的值。

2、共振型

在玻璃中摻入某些光電性能較佳的物質能顯著提高非線性光學效應,這些摻雜體常用半導體微晶、金屬顆粒及有機物等,而玻璃作為摻雜體的色散介質使用。

近年來,當半導體多量子阱和超晶格出現後,半導體及金屬顆粒摻雜玻璃的研究成為熱點。這種玻璃也叫量子點玻璃,通常摻雜顆粒尺寸小於10nm,表現出共振增強的三階非線性光學效應,響應時間約為10-11s,同時由於它們與波導製備技術相容而被拉成光纖,因此受到重視。

其產生機製可歸因為納米粒子的量子尺寸效應,即介質因光吸收產生電子-空穴,獨立的或以激子的形式封閉在顆粒的狹小空間中,電子態呈現量子化分布,從而引起顆粒周圍場強的增加和非線性光學效應的提高。1983年,Jain和Lind首先研究了摻雜CdSxSe1-x半導體微晶玻璃的非線性光學性能,發現這類玻璃表現出共振增強的三階光學非線性,可通過調節S和Se的比例控製介質的禁帶寬度,廣泛應用於截止濾光片中。

除CdSxSe1-x外,含CdS、CdSe、CdTe、CuCl、CuBr、PbS等半導體及摻Au、Ag、Cu等金屬顆粒的玻璃也表現出量子尺寸效應。通常顆粒尺寸越小,非線性效應越大。如果要獲得較小的顆粒尺寸和較高的顆粒濃度,常采用溶膠-凝膠法製備。

對有機物摻雜玻璃的研究也已成為熱點,雖然有機物本身也可表現出很高的共振非線性性能和超快響應時間,但其難以製成要求的形狀,且存在穩定性和重複性差、工作溫度低、壽命短等缺點,大大限製了使用範圍。顯然,其缺點可通過將有機物結合到具有較強機械強度及較高化學穩定性的無機材料(如玻璃)中加以克服,使有機活性組分的性能得到充分發揮。

其製備也可用sol-gel法,通常有兩種方法可將有機物摻入到玻璃中:(1)將有機物溶解到溶膠-凝膠溶液中,當凝膠形成時,有機分子被玻璃骨架捕獲,從而獲得最好的穩定性;(2)將有機物分散到多孔凝膠中,經幹燥和熱處理獲得有機-無機複合材料。但其共同缺點是難以實現光均勻複合。

為了製得光學性能均勻的複合材料,錢國棟等人采用新型的原位合成化學複合法,實現了有機物和無機物的有效複合。另外,有機改性矽酸鹽也可作為CdS微晶的框架,形成含微晶體、有機物及無機物的多組分複合非線性材料。

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,新品種玻璃的試製成功也也往往反過來促進了光學儀器的發展。

最早被人們用來製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)人們已能製造玻璃。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。此後由於天文學家與航海學的發展需要,伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃製造了望遠鏡和顯微鏡。從十六世紀開始玻璃已成為製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。這時由於改進了玻璃成分,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製得了均勻的光學玻璃,從而開始建立了獨立的光學玻璃製造工業。在十九世紀中葉,幾個發達的資本主義國家都先後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製。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,並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,同時也開始試製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。

二次世界大戰前後,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)及以後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並得到一系列氟鈦矽酸鹽系統的光學玻璃,如蘇聯ЛФ-9,ЛФ-12,德國F-16等品種。

由於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。

綜觀以上曆史發展的過程,可以預言今後光學玻璃的發展方向是:

①製得特別高折射率的玻璃;

②製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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