Szkło optyczne, podstawowy materiał w dziedzinie fotoniki i technologii informacyjnej, odnotowało szybki postęp w zastosowaniach takich jak transmisja światła, przechowywanie optyczne i wyświetlacz fotoelektryczny. Postęp ten jest w dużej mierze spowodowany integracją optyki z elektroniczną nauką informatyczną i nową nauką o materiałach, co czyni szkło optyczne kamieniem węgielnym w rozwoju technologii informacyjnej, szczególnie w technologii informacji fotonicznej.

1. Perspektywy

Szkło optyczne jest krytycznym elementem przemysłu technologii fotonicznej. Od lat 1990. połączenie optyki z elektroniczną nauką informacyjną i nową nauką o materiałach napędzało wykorzystanie szkła optycznego w transmisji światła, przechowywaniu optycznym i wyświetlaniu fotoelektrycznym. Ustanowiło to szkło optyczne jako podstawowy element społeczeństwa informacyjnego, szczególnie w technologii informacji fotonicznej. Ciągły i stabilny wzrost gospodarki krajowej pobudził szybki rozwój chińskiego przemysłu produkcji szkła optycznego. Skupiając się głównie na sprzedaży krajowej, przemysł wykazał się odpornością na kryzys finansowy, utrzymując silną trajektorię wzrostu.

2. Wstęp

Szkło optyczne jest używane do produkcji soczewek, pryzmatów, luster i okien do instrumentów optycznych lub systemów mechanicznych. Obejmuje ono bezbarwne szkło optyczne (powszechnie nazywane szkłem optycznym), kolorowe szkło optyczne, odporne na promieniowanie szkło optyczne, szkło antyradiacyjne i optyczne szkło kwarcowe. Szkło optyczne charakteryzuje się wysoką przezroczystością, jednorodnością chemiczną i fizyczną oraz określonymi stałymi optycznymi. Można je podzielić na szereg krzemianowy, boranowy, fosforanowy, fluorkowy i chalkogenkowy. Różnorodność jest duża, a podział odbywa się głównie na podstawie ich położenia na diagramie współczynnika załamania światła (nD)-liczba Abbego (VD). Tradycyjnie szkła o nD > 1.60 i VD > 50 oraz nD < 1.60 i VD > 55 są klasyfikowane jako szkła koronowe (K), podczas gdy inne są klasyfikowane jako szkła krzemowe (F). Szkła koronowe są zwykle używane do soczewek wypukłych, a szkła krzemowe do soczewek wklęsłych. Szkła koronowe ogólnie należą do systemu alkalicznego borokrzemianu, lekkie szkła koronowe do systemu glinokrzemianu, ciężkie szkła koronowe i barowe do systemu bezalkalicznego borokrzemianu, a większość szkieł krzemowych do systemu ołowiowo-potasowego. W miarę jak rozszerzają się obszary zastosowań szkła optycznego, jego odmian jest coraz więcej i obejmują one niemal wszystkie pierwiastki układu okresowego.

3. Klasyfikacja szkła optycznego

• Bezbarwne szkło optyczne: Wymagane są określone stałe optyczne, z wysoką transmisją w obszarze widzialnym i bez selektywnego barwienia absorpcyjnego. Klasyfikowane według liczby Abbego na szkła koronowe i flintowe, każde dalej podzielone według współczynnika refrakcji. Powszechnie stosowane w teleskopach, mikroskopach i aparatach fotograficznych do soczewek, pryzmatów i luster.
• Szkło optyczne antyradiacyjne: Wysoka zdolność absorpcji promieniowania wysokoenergetycznego, w tym szkło wysokoołowiowe i szkło systemowe CaO-B2O2. Pierwsze chroni przed promieniami γ i promieniami X, drugie pochłania wolne i termiczne neutrony, stosowane w przemyśle jądrowym i medycynie jako materiały osłonowe i okienne.
• Szkło optyczne odporne na promieniowanie:Minimalna zmiana współczynnika przepuszczalności w zakresie widzialnym pod wpływem promieniowania γ i rentgenowskiego, o odmianach i klasach podobnych do bezbarwnego szkła optycznego, stosowanego w instrumentach optycznych o wysokiej energii promieniowania i oknach obserwacyjnych.
• Kolorowe szkło optyczne: Znane również jako szkło filtracyjne, selektywnie pochłania i przepuszcza określone długości fal w obszarach UV, widzialnym i IR. Klasyfikowane według charakterystyki widmowej na selektywne pochłanianie, odcinanie i neutralne szare typy, a według mechanizmu barwienia na barwienie jonowe, barwienie koloidów metalicznych i barwienie selenkiem siarki, stosowane głównie w produkcji filtrów.
• Szkło optyczne UV i IR:Specyficzne stałe optyczne i wysoka transmisja w pasmach UV lub IR, stosowane w przyrządach optycznych UV i IR lub jako materiały na okna.
• Optyczne szkło kwarcowe: Składa się głównie z dwutlenku krzemu, charakteryzuje się wysoką odpornością na temperaturę, niskim współczynnikiem rozszerzalności, wysoką wytrzymałością mechaniczną i dobrymi właściwościami chemicznymi, stosowany w pryzmatach, soczewkach, oknach i lustrach ze specjalnymi wymaganiami dotyczącymi przepuszczalności. Ponadto stosowany w produkcji układów scalonych na dużą skalę, panelach LCD i podłożach dysków optycznych.

4. Klasyfikacja dyspersji

Podział ze względu na rozproszenie na klasy: koronowe (K) i krzemienne (F):

• Szkło optyczne Crown: Obejmuje koronę fluorową (FK), lekką koronę (QK), koronę fosforanową (PK), ciężką koronę fosforanową (ZPK), koronę (K), ciężką koronę (ZK), koronę barową (BaK), koronę lantanu (LaK), koronę tytanową (TiK) i specjalną koronę (TK).
• Szkło optyczne Flint: Obejmuje lekki krzemień (QF), krzemień (F), ciężki krzemień (ZF), krzemień barowy (BaF), ciężki krzemień barowy (ZBaF), krzemień lantanowy (LaF), ciężki krzemień lantanowy (ZLaF), krzemień tytanowy (TiF), krzemień koronowy (KF) i krzemień specjalny (TF).

5. Odporność na promieniowanie

Szkło odporne na promieniowanie jest szeroką kategorią szkła optycznego, obejmującą szkło antyradiacyjne i odporne na promieniowanie.

• Szkło antyradiacyjne: Przede wszystkim pochłania promienie γ i promienie X. Gdy promienie γ lub promienie X wnikają do szkła, wewnętrzne efekty fotoelektryczne generują pary elektron-pozyton, zmniejszając energię i penetrację promieni, zapewniając ochronę. Zwiększenie gęstości szkła antyradiacyjnego zwiększa jego zdolność ekranowania, zwykle przy gęstościach ≥4.5 g/cm³.
• Szkło optyczne odporne na promieniowanie: Odporny na barwienie pod wpływem promieniowania γ. Nazwa pochodzi od klas szkła optycznego z dodatkową odpornością na promieniowanie w jednostkach rentgenowskich, np. K509 może wytrzymać 10 rentgenów promieni γ. CeO2 jest wprowadzany w celu wychwytywania elektronów, zapobiegając tworzeniu się centrów barwnych, ale nadmiar CeO2 może powodować żółknięcie z powodu rozszerzonych pasm absorpcji UV i IR.

6. Surowy materiał

Wysokiej jakości piasek kwarcowy jest głównym surowcem, uzupełnianym innymi materiałami. Pierwiastki ziem rzadkich, o wysokich współczynnikach refrakcji, niskiej dyspersji i dobrej stabilności chemicznej, są używane do produkcji szkła optycznego do wysokiej klasy aparatów fotograficznych, kamer i teleskopów. Na przykład szkło lantanowe z 60% La2O3 i 40% B2O3 jest niezbędne do wysokiej klasy soczewek aparatów fotograficznych i peryskopów. Odporność na promieniowanie pierwiastków ziem rzadkich jest również wykorzystywana w produkcji szkła antyradiacyjnego.

7. Przetwarzanie na zimno

Metoda wykorzystująca obróbkę cieplną oparów chemicznych i szkło sodowo-wapniowo-krzemionkowe w celu zmiany struktury molekularnej bez wpływu na kolor i przepuszczalność, osiągająca standardy ultratwardości dla szkła ognioodpornego. Proces obejmuje cięcie i szlifowanie krawędzi szkła sodowo-wapniowo-krzemionkowego, obróbkę cieplną oparów chemicznych, powłokę ognioodporną i specjalne hartowanie fizyczne.

8. Rozwój

Rozwój szkła optycznego jest ściśle powiązany z instrumentami optycznymi. Nowe reformy w systemach optycznych często napędzają postęp w szkle optycznym, a nowe odmiany szkła mogą z kolei promować rozwój instrumentów optycznych. Początkowo do elementów optycznych stosowano naturalne kryształy, a szkło stało się podstawowym materiałem od XVI wieku. W XVII wieku wprowadzono tlenek ołowiu do szkła, co doprowadziło do klasyfikacji szkieł koronowych i krzemiennych. XIX wiek przyniósł znaczące postępy dzięki wprowadzeniu nowych tlenków, rozszerzając odmiany szkła i umożliwiając bardziej złożone instrumenty optyczne. Po II wojnie światowej wprowadzenie pierwiastków ziem rzadkich i rzadkich tlenków jeszcze bardziej zróżnicowało szkło optyczne, spełniając wymagania zaawansowanych instrumentów optycznych.

Przyszłe kierunki:

1. Opracowywanie szkła o ultra wysokim współczynniku refrakcji.
2. Tworzenie szkła o specjalnej względnej dyspersji częściowej.
3. Rozszerzające się szkło optyczne na podczerwień i ultrafiolet.
4. Zastąpienie szkodliwych składników, takich jak ThO2, BeO i Sb2O3.
5. Zwiększenie stabilności chemicznej.
6. Poprawa przejrzystości i zapobieganie przebarwieniom wywołanym promieniowaniem.
7. Udoskonalenie procesów produkcyjnych w celu obniżenia kosztów produkcji nowych rodzajów szkła.