Kaca optik, bahan asas dalam bidang fotonik dan teknologi maklumat, telah menyaksikan kemajuan pesat dalam aplikasi seperti penghantaran cahaya, penyimpanan optik dan paparan fotoelektrik. Kemajuan ini sebahagian besarnya disebabkan oleh penyepaduan optik dengan sains maklumat elektronik dan sains bahan baharu, menjadikan kaca optik sebagai asas dalam pembangunan teknologi maklumat, terutamanya dalam teknologi maklumat fotonik.

1. Prospek

Kaca optik adalah komponen penting dalam industri teknologi fotonik. Sejak 1990-an, gabungan optik dengan sains maklumat elektronik dan sains bahan baharu telah mendorong penggunaan kaca optik dalam penghantaran cahaya, penyimpanan optik dan paparan fotoelektrik. Ini telah menjadikan kaca optik sebagai elemen asas dalam masyarakat Maklumat, khususnya dalam teknologi maklumat fotonik. Pertumbuhan ekonomi domestik yang berterusan dan stabil telah mendorong perkembangan pesat industri pembuatan kaca optik China. Tertumpu terutamanya pada jualan domestik, industri telah menunjukkan daya tahan terhadap krisis kewangan, mengekalkan trajektori pertumbuhan yang kukuh.

2. Pengenalan

Kaca optik digunakan untuk mengeluarkan kanta, prisma, cermin, dan tingkap untuk instrumen optik atau sistem mekanikal. Ia termasuk kaca optik tidak berwarna (biasanya dirujuk sebagai kaca optik), kaca optik berwarna, kaca optik tahan sinaran, kaca anti sinaran, dan kaca kuarza optik. Kaca optik dicirikan oleh ketelusan yang tinggi, keseragaman kimia dan fizikal, dan pemalar optik tertentu. Ia boleh dikelaskan kepada siri silikat, borat, fosfat, fluorida, dan kalkogenida. Varietinya adalah luas, terutamanya dikategorikan berdasarkan kedudukannya dalam rajah indeks biasan (nD)-Abbe number (VD). Secara tradisinya, cermin mata dengan nD > 1.60 dan VD > 50, dan nD < 1.60 dan VD > 55 diklasifikasikan sebagai cermin mata mahkota (K), manakala yang lain dikelaskan sebagai cermin mata batu (F). Cermin mata mahkota biasanya digunakan untuk kanta cembung, dan cermin mata batu untuk kanta cekung. Cermin mata mahkota umumnya tergolong dalam sistem borosilikat alkali, cermin mata mahkota ringan kepada sistem aluminosilikat, mahkota berat dan gelas batu api barium kepada sistem borosilikat bebas alkali, dan kebanyakan gelas batu api kepada sistem silikat plumbum-potassium. Apabila bidang aplikasi kaca optik berkembang, jenisnya terus berkembang, menggabungkan hampir semua elemen dalam jadual berkala.

3. Klasifikasi Kaca Optik

• Kaca Optik Tidak Berwarna: Pemalar optik khusus diperlukan, dengan ketransmisian tinggi di kawasan yang boleh dilihat dan tiada pewarna penyerapan terpilih. Dikelaskan mengikut nombor Abbe kepada cermin mata mahkota dan batu api, setiap satunya dibahagikan dengan indeks biasan. Biasa digunakan dalam teleskop, mikroskop dan kamera untuk kanta, prisma dan cermin.
• Kaca Optik Anti Radiasi: Kapasiti penyerapan tinggi untuk sinaran tenaga tinggi, termasuk kaca plumbum tinggi dan kaca sistem CaO-B2O2. Yang pertama melindungi daripada sinar-γ dan sinar-X, yang kedua menyerap neutron yang perlahan dan terma, digunakan dalam industri nuklear dan bidang perubatan sebagai bahan pelindung dan melihat tingkap.
• Kaca Optik Tahan Sinaran: Perubahan minimum dalam penghantaran wilayah yang boleh dilihat di bawah sinaran γ dan sinar-X, dengan jenis dan gred serupa dengan kaca optik tidak berwarna, digunakan dalam instrumen optik sinaran tenaga tinggi dan tingkap tontonan.
• Kaca Optik Berwarna: Juga dikenali sebagai kaca penapis, secara selektif menyerap dan menghantar panjang gelombang tertentu dalam kawasan UV, boleh dilihat dan IR. Dikelaskan mengikut ciri spektrum kepada penyerapan terpilih, potong, dan jenis kelabu neutral, dan dengan mekanisme pewarnaan kepada pewarna ion, pewarna koloid logam, dan pewarna sulfur selenida, terutamanya digunakan dalam pembuatan penapis.
• Kaca Optik UV dan IR: Pemalar optik khusus dan ketransmisian tinggi dalam jalur UV atau IR, digunakan dalam instrumen optik UV dan IR atau sebagai bahan tingkap.
• Kaca Kuarza Optik: Terutamanya terdiri daripada silikon dioksida, dicirikan oleh rintangan suhu tinggi, pekali pengembangan rendah, kekuatan mekanikal yang tinggi, dan sifat kimia yang baik, digunakan dalam prisma, kanta, tingkap, dan cermin dengan keperluan penghantaran khas. Selain itu, digunakan dalam pembuatan litar bersepadu berskala besar, panel LCD dan substrat cakera optik.

4. Pengelasan Penyerakan

Dikelaskan mengikut serakan kepada kelas mahkota (K) dan batu api (F):

• Kaca Optik Mahkota: Termasuk mahkota fluorida (FK), mahkota ringan (QK), mahkota fosfat (PK), mahkota fosfat berat (ZPK), mahkota (K), mahkota berat (ZK), mahkota barium (BaK), mahkota lanthanum (LaK), mahkota titanium (TiK), dan mahkota khas (TK).
• Kaca Optik Flint: Termasuk batu api ringan (QF), batu api (F), batu api berat (ZF), batu api barium (BaF), batu api barium berat (ZBaF), batu api lanthanum (LaF), batu api lanthanum berat (ZLaF), batu api titanium (TiF), batu api mahkota (KF), dan batu api khas (TF).

5. Rintangan Sinaran

Kaca tahan sinaran ialah kategori kaca optik yang luas, termasuk kaca anti sinaran dan tahan sinaran.

• Kaca Anti Radiasi: Terutamanya menyerap sinar-γ dan sinar-X. Apabila sinar-γ atau sinar-X memasuki kaca, kesan fotoelektrik dalaman menjana pasangan elektron-positron, mengurangkan tenaga dan penembusan sinar, memberikan perlindungan. Menambahkan ketumpatan kaca anti-radiasi meningkatkan keupayaan pelindungnya, biasanya dengan ketumpatan ≥4.5g/cm³.
• Kaca Optik Tahan Sinaran: Menahan pewarna di bawah penyinaran sinar-γ. Dinamakan berdasarkan gred kaca optik dengan rintangan sinaran tambahan dalam unit Roentgen, cth, K509 boleh menahan 10 Roentgen sinar-γ. CeO2 diperkenalkan untuk menangkap elektron, menghalang pembentukan pusat warna, tetapi CeO2 yang berlebihan boleh menyebabkan kekuningan akibat jalur penyerapan UV dan IR yang dilanjutkan.

6. Bahan mentah

Pasir kuarza berkualiti tinggi adalah bahan mentah utama, ditambah dengan bahan lain. Unsur nadir bumi, dengan indeks biasan tinggi, serakan rendah, dan kestabilan kimia yang baik, digunakan untuk menghasilkan kaca optik untuk kamera, kamkoder dan teleskop mewah. Sebagai contoh, kaca lanthanum dengan 60% La2O3 dan 40% B2O3 adalah penting untuk lensa kamera dan periskop mewah. Rintangan sinaran unsur nadir bumi juga digunakan dalam pengeluaran kaca anti sinaran.

7. Pemprosesan Sejuk

Kaedah menggunakan rawatan haba wap kimia dan kaca soda-limau-silika untuk mengubah struktur molekul tanpa menjejaskan warna dan ketransmisian, mencapai piawaian ultra-kekerasan untuk kaca tahan api. Proses ini termasuk pemotongan dan pengisaran tepi kaca soda-limau-silika, rawatan haba wap kimia, salutan tahan api, dan pembajaan fizikal khas.

8. Pembangunan

Perkembangan kaca optik berkait rapat dengan instrumen optik. Pembaharuan baru dalam sistem optik sering memacu kemajuan dalam kaca optik, dan jenis kaca baru boleh, seterusnya, menggalakkan pembangunan alat optik. Pada mulanya, kristal semulajadi digunakan untuk komponen optik, dengan kaca menjadi bahan utama dari abad ke-16. Abad ke-17 menyaksikan pengenalan oksida plumbum dalam kaca, membawa kepada klasifikasi cermin mata mahkota dan batu api. Abad ke-19 menandakan kemajuan yang ketara dengan pengenalan oksida baharu, mengembangkan jenis kaca dan membolehkan instrumen optik yang lebih kompleks. Selepas Perang Dunia II, pengenalan unsur nadir bumi dan oksida nadir mempelbagaikan lagi kaca optik, memenuhi permintaan instrumen optik termaju.

Arah masa depan:

1. Membangunkan kaca indeks biasan ultra tinggi.
2. Mencipta kaca dengan penyebaran separa relatif khas.
3. Mengembangkan kaca optik inframerah dan ultraviolet.
4. Menggantikan komponen berbahaya seperti ThO2, BeO, dan Sb2O3.
5. Meningkatkan kestabilan kimia.
6. Meningkatkan ketelusan dan mencegah pewarnaan akibat sinaran.
7. Menapis proses pembuatan untuk mengurangkan kos varieti kaca baharu.