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光学玻璃——用于光学领域的玻璃

2020-12-26 13:42:25 admin 2

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。


 概念
 传输光线的非晶态(玻璃态)光介质材料。可用以做成棱镜、透镜、滤光片等各种光学元件,光线通过后可改变传播方向、位相及强度等。根据不同的要求,可把光学玻璃分为三大类:①无色光学玻璃——在可见及近红外相当宽广波段内几乎是全透明的,是使用量最大的光学玻璃。按折射率和色散的不同有上百个牌号,可分为两个品种,即冕牌光学玻璃(以K代表)和火石光学玻璃(以F代表)。冕牌玻璃是硼硅酸盐玻璃,加入氧化铝后成为火石玻璃。二者的主要区别是火石玻璃的折射率和色散都较大,因而光谱元件多用它制造。②耐辐射光学玻璃——具有无色光学玻璃的各项性质,并能在放射性照射下基本不改变性能。用于受γ辐照的光学仪器,其品种及牌号与无色光学玻璃相同。其化学成分是在无色光学玻璃的基础上,添加少量二氧化铈来消除高能辐射在玻璃中形成的色心,使这种玻璃在受辐照后光吸收变化很小。③有色光学玻璃——对某些波长的光具有特定吸收或透射性能。亦称滤光玻璃,有百余个品种。颜色滤光片对某些颜色能选择吸收,中性滤光片对所有波长的光的吸收相同,只是减低光束强度而不改变其颜色。干涉滤光片则是根据光的干涉原理,将不需要的颜色反射掉而不是吸收。
 
 
 
 近年来又发展了一些新品种的光学玻璃,如对红外和紫外有良好透过率的玻璃;折射率或色散特高或特低的玻璃;随着光强变色的玻璃;光沿磁力线方向通过玻璃时偏振面发生旋转的磁光玻璃;在外电场作用下产生双折射的电光玻璃等等。


 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。
 
 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。


 
 
 光学分类
 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。


 
 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。


 
 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。
 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。
 
 
 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%。

 
 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。

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