第三章光学玻璃.ppt

第三章光学玻璃,应用于光学仪器的一种光学材料，绝大多数的光学零件如各种球面或非球面的透镜、棱镜和反射镜等都是由光学玻璃制成。,光学玻璃的特征：高度透明性；物理及化学上的高度均匀性；特定的光学常数；较高的机械强度和热稳定性。,近年来，随着光电子技术、原子能技术、航空航天技术、光通信、红外技术和激光技术以及其他尖端技术领域的飞速发展，对光学玻璃材料提出了全新的要求，促使研制和开发各种功能的新型光学玻璃。,光学玻璃分类：无色光学玻璃；有色光学玻璃；红外紫外光学玻璃；特种光学玻璃；眼镜玻璃。,一.无色光学玻璃,按照阿贝数大小分为冕牌和火石玻璃两大类。分界线为阿贝数v=50.其中v大于50的玻璃规定为冕牌玻璃（K）；小于50的玻璃定为火石玻璃(F)。,阿贝数是德国物理学家恩斯特*阿贝发明的物理学数,也称“V-数”,用来衡量介质的光线色散程度.由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异，而白光又是由不同波长的各色光组成的，因此透明物质在折射白光时会发生色散这一特殊现象。阿贝数就是用以表示透明物质色散能力的反比例指数，数值越小色散现象越厉害。总的来说有这样一个规律：材料的折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低。,折射率电磁波在玻璃中传播速度的降低。折射率与光波长、玻璃密度、温度、热历史及玻璃成分有关。（1）极化率的影响极化率大的离子，配位数也高，影响密度，影响折射率。（2）热力史的影响快冷玻璃，折射率低。,一般来讲，冕牌玻璃属于碱硅酸盐系统，而绝大多数火石玻璃则属于铅硅酸盐系统。,生产工艺,（1）原料和配料原料纯度要求严格（物理化学性质、透明性）。如铁、钴、镍、铜、铬、锰等在可见光区域具有吸收带，若引入玻璃中将因着色而降低透过率，故严格限制引入。难熔颗粒要小些，易熔和密度小的颗粒可适当大些。混料时间恰当。过小不均，过长分层。,光谱,（2）光学玻璃的熔炼需要采取严格的熔炼制度，用来克服玻璃中的气泡、条纹、结石等常见缺陷，保证产量和质量。熔炼方法分坩埚法和池窑连续生产法。,不同熔制情况采取的熔制速度不同。对于使用耐火材料坩埚熔制的玻璃，如果采取高速搅拌，会增加玻璃液对坩埚的侵蚀；对于使用铂坩埚熔炼时，适当增加搅拌速度有利于均化过程。,连续熔制将几个坩埚串联起来，使玻璃的形成、澄清、均化以及冷却四个阶段同时在不同的坩埚中进行，具有产量大、周期短、成品率高等优点。是目前光学玻璃生产工艺的主要发展趋势。如熔化部采用陶瓷坩埚、均化部采用铂坩埚池炉、冷却部采用陶瓷坩埚。,（3）光学玻璃的精密压型,破埚法（古典法）熔炼后，坩埚连带玻璃一起从炉中取出，打破坩埚，取出玻璃。质量高，均匀性好，但成品率低。,浇注加压法与上一法相比，成品率高，适于制备大块光学玻璃。,漏料成型法粘度107-1011帕秒。又称一次压型，提高了生产效率。,二.有色光学玻璃,对光谱具有选择吸收或能透射各种颜色的光学玻璃，又称滤光玻璃。是在无色玻璃组成中引入了能使玻璃着色的原料（着色剂），在一定条件下熔制的具有各种颜色的玻璃。有色玻璃所具有的选择吸收或透射的性质，主要取决于着色剂的性质和数量。一般，基础玻璃多采用碱硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃。其着色机理可分为离子着色、金属胶体着色和硫硒化合物着色。,玻璃的着色,两类：一为选择性吸收，如离子着色、硫硒化物着色；另一为微细分散状态的金属对光大选择性吸收而着色。就单纯选择性吸收而言，只要满足E1-E2能量差、处于可见光范围时，相应波长的光就被吸收，从而呈现颜色。金属着色而言，是由于金属颗粒的光散射而引起。如金红、银黄、铜红等玻璃，其颜色很大程度决定于金属粒子的大小。,有色光学玻璃（滤光玻璃）的应用：在彩色电影摄影中，用作滤光器可改变景物的色调、明暗反差和制造某种气氛。如采用红色滤光器可创造出晨曦、黄昏的气氛;采用蓝色滤光器可创造出夜景或暴风雨气氛；采用黄色滤光器可增强反差和表现云彩。资源卫星、气象卫星用的高级彩色摄影机，遗传学中研究细胞内部结构用的荧光显微镜，激光全息摄影装置，各类光谱仪器以及仪器仪表显示装置等都需要特殊性能的有色光学玻璃。现代有色光学玻璃还用于航天测距和光通信方面。,有色玻璃熔制举例,（1）碳黄色玻璃,硫碳着色。即元素硫、硫化物或硫酸钠；石墨或焦炭作为还原剂。原料要求含水量低，熔制温度通常较低，采用氯化物或氟化物作为澄清剂。,（2）硒红宝石玻璃,硒和硫化镉着色。二者的挥发、氧化。硒加料；硫化镉，氧化锌。熔制温度不超过1400，澄清剂不能采用氧化砷或氧化锑，而要采用氟化物。,（3）金红宝石玻璃,以金为着色剂的胶体着色玻璃。以铅硅酸盐玻璃为基质最适宜，因为金在铅玻璃中最易溶解。着色原料通常采用金氯酸的水溶液。熔制温度越高、铅含量越高，金的溶解度越大，因而能产生强烈的着色。,三.红外光学玻璃,能透过红外线的玻璃。红外玻璃大都在某一波段内透过红外线。包括熔融石英玻璃、铝酸钙玻璃、碲酸盐玻璃、非氧化物玻璃等。,被动式红外监控探测器依靠接收人体发出的红外辐射来进行监控报警。任何温度在绝对零摄氏度以上的物体都会不断地向外界辐射红外线，人体的表面温度为36，其大部分辐射能量集中在8-12m的波长范围内。在监控探测区域内，人体透过衣服的红外辐射能量被探测器的菲涅耳透镜聚焦于热释电传感器上。当人体（入侵者）在这一探测范围中运动时，顺次地进入菲涅耳透镜的某一视区，传感器输出信号的频率大约为0.1-10Hz，这一频率范围由探测器中的菲涅尔透镜、人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定。,3.1铝酸钙玻璃透红外线极限达5-6微米。软化温度高于800，具有良好的力学性能，是耐高温红外整流罩的良好材料。,整流罩,主要组成中CaO、Al2O3均为难熔氧化物，熔炼温度可达1400-1550。为了便于熔制，可添加GeO2、BaO等，降低折射率和热胀系数，扩展红外透过极限，并且使玻璃耐急热急冷，不宜炸裂。,卫星整流罩用于保护卫星及其它有效载荷,以防止卫星受气动力,气动加热及声振等有害环境的影响。它是运载火箭的重要组成部分。一旦火箭出现异常时（39公里以下），上半部整流罩又要充当逃逸系统的承载结构件。,3.2碲酸盐玻璃,单纯的TeO2难以形成玻璃，为八面体。当引入其他氧化物时，即可形成碲酸盐玻璃。如BaO-TeO2、BaO-ZnO-TeO2、PbO-TeO2系统玻璃，具有软化点低，为450，熔化温度为800-820，折射率高，可作为截止红外光及近红外光，而良好地透过2.5-3.5微米的红外滤光材料。,3.3特种光学玻璃,（1）稀土发光玻璃由于外界激励，玻璃中电子跃迁，回复时以光的形式产生辐射的发光过程的一类玻璃。辐射延续时间即余辉持续时间。稀土发光玻璃是在基质玻璃中以少量稀土元素作为激活剂的发光材料，大多数稀土以三价离子的形式形成发光中心。不同稀土激活剂可以发出不同颜色的光。,为了提高发光亮度，一方面探索人眼比较敏感的绿光材料，如同时掺杂Yb3+和Er3+的玻璃，吸收近红外线而发出绿光，这是由于两种稀土原子间发生了能量传递过程，Yb3+起光感作用，吸收红外线，并将能量传给Er3+。另一方面则设法把发光效率高的玻璃发出的红光或红外线转换成高亮度的光。,稀土的作用,在两伊战争中，为什么美国的“爱国者”导弹能够轻易击毁俄制“飞毛腿”导弹？原因在于爱国者的制导系统中使用了大约4公斤的钐、钕等稀土元素，实现了高效电子聚焦。在美国攻打伊拉克时，为什么美军的M-1坦克能够先于敌人发现险情？M-1装备的夜视仪可以精确到4000米（稀土镧），而T-72能到2000米就不错了。,美军M-1坦克,伊拉克T-72坦克,（2）耐辐射光学玻璃,经过射线、射线照射后，可见光透过率下降很小的玻璃。在反应堆、高能物理及放射试验场合下，如果使用普通玻璃，会很快变成棕色，甚至发黑而失去透光能力。高能辐射会引起玻璃中高能自由电子，致使玻璃中的阳离子改变价态或还原，也可被网络结构中的负离子缺位所捕获而成为色心，因而导致透明度下降。强辐射还能导致玻璃中原子核位移，断键和新键生成，玻璃结构发生变化。当玻璃中存在可变价的多价离子时，辐射引起的自由电子先于离子反应，使价态改变，而不引起色心的建立，有防止辐射变色的作用。如Ce4+、As5+、Pb2+等本身及其价态改变都是无色的。耐辐射玻璃中最常用的是CeO2。,（3）光致变色玻璃,玻璃受紫外线或日光辐照后，在可见光谱内产生吸收而自动变暗，光照停止后又可逆地恢复到初始的透明状态（退色）。,广泛用于眼镜玻璃、汽车挡风玻璃、建筑工程玻璃等。由于写入和擦除简单而试验用作光存储材料。目前已用于全息照相记录介质、三维光学信息存储显示、光开关等领域。,基础玻璃组成为Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系统。目前实用玻璃多采用卤化银玻璃。其着色机理如下：经过熔化、成型和热处理后，卤化银亚微晶体聚集成一定大小（10-25纳米），在紫外线或太阳光等短波长照射下，引起光分解，产生胶态银原子，当银原子聚集成一定程度，就形成银胶体，产生着色。光分解后的卤素不能从玻璃基体的晶格逃逸，因此，停止辐照后，受长波长光作用，银原子与卤素再度结合，又回到卤化银的状态。由于卤素和氧化硼都易挥发，所以熔制温度和时间不易过长，采用弱氧化气氛。,（4）光学纤维,玻璃纤维中能够以波导结构传输光波者称为光学纤维。用于光通讯时要求良好的透光性（低损耗），长距离传输后仍能识别信号（低色散），满足这些要求可称为光通讯光纤，简称光纤。光纤中的损耗来自于紫外吸收极限、红外吸收极限、瑞利散射、缺陷、微结晶和条纹、杂质、OH-基引起的吸收等。因此，消除光损耗主要取决于制造技术。色散取决于玻璃材料和波导结构。,光纤的结构,光纤的结构主要由纤芯、包层和涂敷层（也可是缓冲层和保护层）构成。纤芯直径一般5-62.5微米。光传输信号能量主要集中在纤芯中，涂敷层主要其保护光纤和提高光纤强度的作用。,光纤的传光机理,入射到两种折射率不同的介质界面上的光，一部分反射，另一部分折射透射出去，当光的入射角度变大以致入射角度成90时，造成入射光在界面上的全反射。,入射光纤的光，能满足芯和皮玻璃界面上全反射的条件下，在光纤内不断向前反射，沿轴向传输。,石英玻璃本征损耗低，状态稳定，但是通常高温制造，而杂质易在高温挥发。因此，控制折射率的掺杂物不易引入，难以制成波导结构。但是，化学气相沉积法（CVD，ChemicalVaporDeposition）使得掺杂石英玻璃的合成变为现实。此法可实现超高强度和波导结构的精密控制。,光纤的制造,预制棒的制造、拉丝和涂敷、成缆。,a.预制棒的制造管内气相沉积法、轴向气相沉积法、外气相沉积法。,（1）管内气相沉积法石英管内不断通入各种超纯的原料气体以及反应气体氧气。石英管在固定车床上每分钟几十转运动。氢氧焰来回加热石英管，高温促使管内气体发生反应，生成物沉积在管内壁，为多层玻璃状物质。然后把石英管高温烧熔成密实的实心棒，就得到了光纤的预制棒。,（2）轴向气相沉积法,SiCl4+2H2O=SiO2+4HCl,SiCl4气化后经氢氧焰烧成的玻璃颗粒形成粉尘。喷灯上面置有一根玻璃棒，粉尘在其顶部沉积，随着玻璃棒旋转和提拉，在石英棒下方就形成了多孔的预制棒。最后加热至1500-1700，烧熔成透明度预制棒。,（3）外气相沉积法,原料气体通过氢氧焰喷嘴，高温分解合成的玻璃粉尘，一层层沉积在耐火材料实心棒的表面，形成多孔的预制棒。拔去实心棒后，再