光学玻璃学术
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经过一周时间对干福喜老师的光学玻璃和几篇关于光学玻璃文献的学习。我对光学玻璃有了一定的认识。
光学玻璃除必须具有普通玻璃的一些物理化学性质(如失透性,粘度)及物理性质(如密度,硬度,脆性,弹性,热膨胀系数,电传导等),还具有特定的光学性质(如要求光学常数的一致性,高度透明性,物理化学上高度均匀性)
光学玻璃各性质之间都与玻璃的组成成分有一定的关系,也就是说,光学玻璃的组成直接影响玻璃的性质。如:光学玻璃的光学性质折射率取决于分子体积与分子折射度,即分子密度及介质的极化率决定玻璃的折射率变化。
光学玻璃的硬度随折射率增大而减小。玻璃的组成由网络结构和网络外结构组成。结构网络本身的强度对热膨胀系数影响很大,玻璃的热传导则是一种以结构网络振动为基础的声子过程,网络外体离子起阻碍作用。玻璃电导性主要决定于网络外离子浓度与活动程度。
由上面提到的玻璃组成影响玻璃的性质,所以想要获得所需性质的玻璃,则要选择合适的玻璃原料组成。如:要发展高折射率,低色散光学玻璃,以无碱硼硅酸盐玻璃为基础。而铝硅酸盐玻璃性质随PbO含量增加,玻璃折射率,色散及密度迅速上升。硼锌系统具有最低的线膨胀系数,硼镉系统具有最好的化学稳定性和最小的氧化体积,硼镧系统具有最高的折射率,且较PbO低的色散以及最好的化学稳定性。磷酸盐玻璃系统是发展低色散磷冕光学玻璃的主要系统。而氟
化物玻璃系统作为低折射率和低色散以及特殊部分色散的光学玻璃,且该系统玻璃在紫外及近红外光谱区域的透过率高而非线性折射率低,是一种良好的光学窗材料。硫系化合物玻璃系统具有半导体的性质,引入硅或锗后硬度,软化温度都得到明显的提高。
然而在最近几年由于摻铒石英光纤放大器不能满足高速容量通讯传输要求。因此为获得带宽宽,增益平坦的光纤放大器,人们开始研究了碲酸盐玻璃为基质的光纤,它具有较宽的红外透过区,较好的玻璃稳定性和抗腐蚀性能,较低的声子能量和较高的折射率。且相比之下,碲酸盐玻璃的频率比较低,适合于做稀土掺杂玻璃基质材料。所以以碲酸盐玻璃基质的光纤在实现超宽带通信具有很好的应用前景。
以碲酸盐为主组分的透红外玻璃。具有高折射率(2.1~2.3),低阿贝数(Vd=15~18),低软化点(450℃),低熔点(800~820℃)等特点。在可见光波段和6μm红外波段透过率良好。采用熔制法制取,用于
夜视仪的红外截止滤光片和探测器窗口。
在非线性光学材料中,碲酸盐系统玻璃材料凭借较高的三阶非线性光学极化率,超快光学响应,较宽的红外透过窗口,较好的化学稳定性和较低的融化温度迅速引起了人们的关注。
碲酸盐玻璃系统的结构。纯的二氧化碲的熔体极冷,很难形成玻璃。但在二氧化碲中加入其它氧化物则比较容易形成玻璃,玻璃的结构也将发生改变。当加入氧化锂或二氧化钛时,这些氧化物会提供游离氧,促使[TeO4]双三角锥体经由[TeO3+1]配位多面体中间态向[TeO3]三角锥体转变。这些配位多面体通过共顶连接而成长链或环链状结构,
这就形成了玻璃。
最后在制作玻璃的工艺上。主要可以分为熔炼,成型,退火。
熔炼过程中又分为玻璃的形成,玻璃的澄清(在形成初期提高温度加上不断搅拌去除气泡和条纹,或者运用澄清剂促进澄清),光学玻璃的均匀过程(目的在于除去玻璃中的条纹)且在熔炼过程中的连续熔炼具有生产量大,可节约能源,熔炼周期短。另外,在熔炼过程存在些缺陷,如玻璃中含有气泡,水,条纹,结石,光学玻璃的失透等。气泡和结石将使光线产生散射而减弱玻璃的透光本领。而要除去玻璃中的气泡时常在澄清阶段增大氧的分压。通过红外光谱的研究,人们发现溶解在玻璃中的水主要以OH根的形式进入结构的,所以在除水时在真空熔炼,加入卤素化合物等都可以。另外结石主要是耐火材料结石。
在光学玻璃的制作过程中,退火是非常关键的一步。光学玻璃退火的要求:1,消除内应力,2,消除一批玻璃的光学不均匀性,3,消除一块玻璃各部分的光学不确定性。
参考文献:
1,干福熹,光学玻璃,1982年
2,罗丽庆,王海波,林建,《碲酸盐系统玻璃的研究进展》, 2005年2月
3,张天杰,《碲酸盐光谱性质的研究》硕士学士论文,2005年6月。
4,王海波,林建《碲酸盐系统玻璃组成和结构对非线性光学
性能的影响》,材料报道,2003, 8,(17):8
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