شهد الزجاج البصري، وهو مادة أساسية في مجالي الفوتونيات وتكنولوجيا المعلومات، تطورات سريعة في تطبيقات مثل نقل الضوء، والتخزين الضوئي، والعرض الكهروضوئي. ويعود هذا التقدم بشكل كبير إلى دمج البصريات مع علم المعلومات الإلكترونية وعلوم المواد الجديدة، مما يجعل الزجاج البصري حجر الزاوية في تطوير تكنولوجيا المعلومات، وخاصةً تكنولوجيا المعلومات الفوتونية.

1. الآفاق

يُعدّ الزجاج البصري مكونًا أساسيًا في صناعة التكنولوجيا الفوتونية. منذ تسعينيات القرن الماضي، دفع اندماج علم البصريات مع علم المعلومات الإلكترونية وعلوم المواد الجديدة استخدام الزجاج البصري في نقل الضوء، والتخزين الضوئي، والعرض الكهروضوئي. وقد رسّخ هذا الدمج مكانة الزجاج البصري كعنصر أساسي في مجتمع المعلومات، وخاصةً في تكنولوجيا المعلومات الفوتونية. وقد حفّز النمو المستمر والمستقر للاقتصاد المحلي التطور السريع لصناعة تصنيع الزجاج البصري في الصين. وقد أظهرت هذه الصناعة، التي تركز بشكل رئيسي على المبيعات المحلية، قدرة على الصمود في وجه الأزمة المالية، محافظةً على مسار نمو قوي.

2. مقدمة

يُستخدم الزجاج البصري في تصنيع العدسات والمناشير والمرايا والنوافذ للأجهزة البصرية أو الأنظمة الميكانيكية. ويشمل الزجاج البصري عديم اللون (يُشار إليه عادةً بالزجاج البصري)، والزجاج البصري الملون، والزجاج البصري المقاوم للإشعاع، والزجاج المضاد للإشعاع، و زجاج الكوارتز البصرييتميز الزجاج البصري بشفافية عالية، وتجانس كيميائي وفيزيائي، وثوابت بصرية محددة. يمكن تصنيفه إلى سلاسل سيليكات، وبورات، وفوسفات، وفلورايد، وكالكوجينيد. تنوعه واسع، ويُصنف أساسًا بناءً على موقعه في مخطط معامل الانكسار (nD)-عدد آبي (VD). تقليديًا، تُصنف العدسات ذات معامل الانكسار nD > 1.60 ومعامل الانكسار VD > 50، ومعامل الانكسار nD < 1.60 ومعامل الانكسار VD > 55 على أنها عدسات تاجية (K)، بينما تُصنف أنواع أخرى على أنها عدسات صوانية (F). تُستخدم عدسات التاج عادةً للعدسات المحدبة، بينما تُستخدم عدسات الصوان للعدسات المقعرة. تنتمي عدسات التاج عمومًا إلى نظام البورسليكات القلوي، بينما تنتمي عدسات التاج الخفيفة إلى نظام الألومينوسيليكات، وتنتمي عدسات التاج الثقيلة وصوان الباريوم إلى نظام البورسليكات الخالي من القلويات، ومعظم عدسات الصوان إلى نظام سيليكات الرصاص والبوتاسيوم. مع توسع مجالات تطبيق الزجاج البصري، تستمر أنواعه في النمو، لتشمل جميع العناصر الموجودة في الجدول الدوري تقريبًا.

3. تصنيف الزجاج البصري

• زجاج بصري عديم اللون:تتطلب ثوابت بصرية محددة، مع نفاذية عالية في المنطقة المرئية وعدم وجود تلوين امتصاصي انتقائي. تُصنف حسب رقم آبي إلى زجاج تاجي وزجاج صوان، وكل منهما مقسم حسب معامل الانكسار. تُستخدم عادةً في التلسكوبات والمجاهر والكاميرات للعدسات والمناشير والمرايا.
• زجاج بصري مضاد للإشعاعقدرة امتصاص عالية للإشعاعات عالية الطاقة، بما في ذلك الزجاج عالي الرصاص وزجاج نظام CaO-B2O2. يحمي الأول من أشعة غاما والأشعة السينية، بينما يمتص الثاني النيوترونات البطيئة والحرارية، ويُستخدم في الصناعة النووية والمجالات الطبية كدروع ونوافذ رؤية.
• زجاج بصري مقاوم للإشعاع:تغيير طفيف في نفاذية المنطقة المرئية تحت أشعة جاما والأشعة السينية، مع أصناف ودرجات مماثلة للزجاج البصري عديم اللون، المستخدم في الأدوات البصرية ذات الإشعاع عالي الطاقة ونوافذ العرض.
• زجاج بصري ملونيُعرف أيضًا باسم زجاج الترشيح، ويمتص وينقل أطوالًا موجية محددة بشكل انتقائي في مناطق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء. يُصنف حسب خصائصه الطيفية إلى أنواع امتصاص انتقائي، وقطع، ورمادي محايد، وحسب آلية التلوين إلى تلوين أيوني، وتلوين غرواني معدني، وتلوين سيلينيد الكبريت، ويُستخدم بشكل رئيسي في تصنيع المرشحات.
• زجاج بصري للأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء:ثوابت بصرية محددة ونفاذية عالية في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية أو تحت الحمراء، تستخدم في الأجهزة البصرية للأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء أو كمواد نافذة.
• زجاج الكوارتز البصرييتكون بشكل رئيسي من ثاني أكسيد السيليكون، ويتميز بمقاومته العالية لدرجات الحرارة، ومعامل تمدده المنخفض، ومتانته الميكانيكية العالية، وخواصه الكيميائية الممتازة. يُستخدم في المنشورات، والعدسات، والنوافذ، والمرايا ذات متطلبات نفاذية خاصة. كما يُستخدم في تصنيع الدوائر المتكاملة واسعة النطاق، وشاشات LCD، وركائز الأقراص الضوئية.

4. تصنيف التشتت

يتم تصنيفها حسب التشتت إلى فئتين: التاج (K) والصوان (F):

• التاج البصري للزجاج:تشمل تاج الفلورايد (FK)، والتاج الخفيف (QK)، وتاج الفوسفات (PK)، وتاج الفوسفات الثقيل (ZPK)، والتاج (K)، والتاج الثقيل (ZK)، وتاج الباريوم (BaK)، وتاج اللانثانوم (LaK)، وتاج التيتانيوم (TiK)، والتاج الخاص (TK).
• زجاج بصري فلينت:يشمل الصوان الخفيف (QF)، والصوان (F)، والصوان الثقيل (ZF)، والصوان الباريوم (BaF)، والصوان الباريوم الثقيل (ZBaF)، والصوان اللانثانوم (LaF)، والصوان اللانثانوم الثقيل (ZLaF)، والصوان التيتانيوم (TiF)، والصوان التاجي (KF)، والصوان الخاص (TF).

5. مقاومة الإشعاع

الزجاج المقاوم للإشعاع هو فئة واسعة من الزجاج البصري، بما في ذلك الزجاج المضاد للإشعاع والزجاج المقاوم للإشعاع.

• زجاج مضاد للإشعاعيمتصّ الزجاج بشكل أساسي أشعة غاما والأشعة السينية. عند دخول أشعة غاما أو الأشعة السينية إلى الزجاج، تُولّد التأثيرات الكهروضوئية الداخلية أزواجًا من إلكترون-بوزيترون، مما يُقلّل من طاقة الأشعة ونفاذيتها، مُوفّرًا بذلك حمايةً. تُعزّز زيادة كثافة الزجاج المُضاد للإشعاع قدرته على الحماية، عادةً بكثافات ≥4.5 غ/سم³.
• زجاج بصري مقاوم للإشعاعيقاوم التلون تحت أشعة غاما. سُمي بهذا الاسم نسبةً إلى درجات الزجاج البصري ذات المقاومة الإشعاعية الإضافية بوحدات رونتجن، على سبيل المثال، يتحمل زجاج K509 10 رونتجن من أشعة غاما. يُستخدم أكسيد السيريوم (CeO2) لالتقاط الإلكترونات، مما يمنع تكوين مركز اللون، إلا أن الإفراط في استخدام أكسيد السيريوم قد يُسبب الاصفرار بسبب امتداد نطاقات امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء.

6. مواد أولية

رمل الكوارتز عالي الجودة هو المادة الخام الرئيسية، بالإضافة إلى مواد أخرى. تُستخدم العناصر الأرضية النادرة، ذات معامل الانكسار العالي، والتشتت المنخفض، والثبات الكيميائي الجيد، في إنتاج الزجاج البصري للكاميرات وكاميرات الفيديو والتلسكوبات المتطورة. على سبيل المثال، يُعد زجاج اللانثانوم، الذي يحتوي على 60% La2O3 و40% B2O3، ضروريًا لعدسات الكاميرات والمناظير المتطورة. كما تُستخدم مقاومة العناصر الأرضية النادرة للإشعاع في إنتاج الزجاج المضاد للإشعاع.

7. المعالجة الباردة

طريقة تستخدم المعالجة الحرارية بالبخار الكيميائي وزجاج الصودا والجير والسيليكا لتغيير البنية الجزيئية دون التأثير على اللون أو النفاذية، مما يحقق معايير صلابة فائقة للزجاج المقاوم للحريق. تشمل العملية قطع وطحن حواف زجاج الصودا والجير والسيليكا، والمعالجة الحرارية بالبخار الكيميائي، والطلاء المقاوم للحريق، والمعالجة الفيزيائية الخاصة.

8. تطوير

يرتبط تطوير الزجاج البصري ارتباطًا وثيقًا بالأدوات البصرية. غالبًا ما تُحفّز الإصلاحات الجديدة في الأنظمة البصرية تطوراتٍ في الزجاج البصري، ويمكن لأنواع الزجاج الجديدة، بدورها، أن تُعزّز تطوير الأدوات البصرية. في البداية، استُخدمت البلورات الطبيعية في المكونات البصرية، وأصبح الزجاج المادة الأساسية بدءًا من القرن السادس عشر. شهد القرن السابع عشر إدخال أكسيد الرصاص في الزجاج، مما أدى إلى تصنيف زجاج التاج وزجاج الصوان. شهد القرن التاسع عشر تطوراتٍ كبيرةً مع إدخال أكاسيد جديدة، مما أدى إلى توسّع أنواع الزجاج، وإتاحة أدوات بصرية أكثر تعقيدًا. بعد الحرب العالمية الثانية، أدى إدخال العناصر الأرضية النادرة وأكاسيدها النادرة إلى تنويع الزجاج البصري، مما لبى متطلبات الأدوات البصرية المتقدمة.

الاتجاهات المستقبلية:

1. تطوير الزجاج ذو معامل الانكسار العالي للغاية.
2. إنشاء زجاج ذو تشتت جزئي نسبي خاص.
3. توسيع الزجاج البصري للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.
4. استبدال المكونات الضارة مثل ThO2 و BeO و Sb2O3.
5. تعزيز الاستقرار الكيميائي.
6. تحسين الشفافية ومنع التلوين الناجم عن الإشعاع.
7. تحسين عمليات التصنيع لتقليل تكاليف أنواع الزجاج الجديدة.