光學玻璃

簡介

包括無色光學玻璃(通常簡稱光學玻璃)、有色光學玻璃、耐輻射光學玻璃、防輻射玻璃和光學石英玻璃等。光學玻璃具有高度的透明性、化學及物理學(結(jié)構(gòu)和性能)上的高度均勻性，具有特定和精確的光學常數(shù)。它可分為硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟化物和硫系化合物系列。品種繁多，主要按他們在折射率(nD)-阿貝值(VD)圖中的位置來分類。傳統(tǒng)上nD>1.60，VD>50和nD<1.60，VD>55的各類玻璃定為冕(K)玻璃，其余各類玻璃定為火石(F)玻璃。冕玻璃一般作凸透鏡，火石玻璃作凹透鏡。通常冕玻璃屬于含堿硼硅酸鹽體系，輕冕玻璃屬于鋁硅酸鹽體系，重冕玻璃及鋇火石玻璃屬于無堿硼硅酸鹽體系，絕大部分的火石玻璃屬于鉛鉀硅酸鹽體系。隨著光學玻璃的應用領域不斷拓寬，其品種在不斷擴大，其組成中幾乎包括周期表中的所有元素。

 通過折射、反射、透過方式傳遞光線或通過吸收改變光的強度或光譜分布的一種無機玻璃態(tài)材料。具有穩(wěn)定的光學性質(zhì)和高度光學均勻性。

按光學特性分為

①無色光學玻璃。對光學常數(shù)有特定要求，具有可見區(qū)高透過、無選擇吸收著色等特點。按阿貝數(shù)大小分為冕類和火石類玻璃，各類又按折射率高低分為若干種，并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。

②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(tǒng)玻璃，前者可防止γ射線和X射線輻照，后者可吸收慢中子和熱中子，主要用于核工業(yè)、醫(yī)學領域等作為屏蔽和窺視窗口材料。

③耐輻照光學玻璃。在一定的γ射線、X射線輻照下，可見區(qū)透過率變化較少，品種和牌號與無色光學玻璃相同，用于制造高能輻照下的光學儀器和窺視窗口。

④有色光學玻璃。又稱濾光玻璃。對紫外、可見、紅外區(qū)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，主要用于制造濾光器。

⑤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(shù)和高透過率，用作紫外、紅外光學儀器或用作窗口材料。

⑥光學石英玻璃。以二氧化硅為主要成分，具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、機械強度高、化學性能好等特點，用于制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，還有用于大規(guī)模集成電路制造的光掩膜板、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(fā)生旋轉(zhuǎn)的磁光玻璃；光按一定方向通過傳輸超聲波的玻璃時，發(fā)生光的衍射、反射、匯聚或光頻移的聲光玻璃等。

光學玻璃的發(fā)展

光學玻璃的發(fā)展和光學儀器的發(fā)展是密不可分的。光學系統(tǒng)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(fā)展，同樣，新品種玻璃的試制成功也也往往反過來促進了光學儀器的發(fā)展。

最早被人們用來制作光學零件的光學材料是天然晶體，據(jù)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?？脊偶易C明公元三千年前在埃及和我們（戰(zhàn)國時代）人們已能制造玻璃。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(fā)明之一。此后由于天文學家與航海學的發(fā)展需要，伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃制造了望遠鏡和顯微鏡。從十六世紀開始玻璃已成為制造光學零件的主要材料了。

到了十七世紀，光學系統(tǒng)的消色差成為光學儀器的中心問題。這時由于改進了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化鉛，赫爾才于1729年獲得第一對消色差透鏡，從此，光學玻璃就被分為冤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制得了均勻的光學玻璃，從而開始建立了獨立的光學玻璃制造工業(yè)。在十九世紀中葉，幾個發(fā)達的資本主義國家都先后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(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)前夕，德國為了迅速發(fā)展軍用光學儀器，要求打破光學玻璃品種貧乏的限制。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，并且研究了它他對玻璃光學常數(shù)的影響。在這基礎上，發(fā)展了鋇冤、硼冤、鋅冤等類型玻璃，同時也開始試制了特殊相對部分色散的燧石玻璃。在這時期內(nèi)，光學玻璃品種有了很大的擴展，因而在光學儀器方面出現(xiàn)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(fā)展的一個階段。 

二次世界大戰(zhàn)前后，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(fā)展，對光學玻璃又產(chǎn)生了新的需要。這時，光學玻璃也就相應地有了新的發(fā)展。1942年，美國摩萊（Morey）及以后蘇聯(lián)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(lián)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并得到一系列氟鈦硅酸鹽系統(tǒng)的光學玻璃，如蘇聯(lián)ЛФ-9，ЛФ-12，德國F-16等品種。

由于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(zhì)。以及生產(chǎn)工藝進行了許多工作。

綜觀以上歷史發(fā)展的過程，可以預言今后光學玻璃的發(fā)展方向是：

①制得特別高折射率的玻璃；

②制得特殊相對部分色散的玻璃；

③發(fā)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(wěn)定性；

⑥提高玻璃透明度和防止玻璃幅射著色；

⑦改進工藝過程，降低新品種玻璃價格。