O vidro ótico, um material fundamental nos domínios da fotónica e da tecnologia da informação, tem registado rápidos avanços em aplicações como a transmissão de luz, o armazenamento ótico e o ecrã fotoelétrico. Este progresso deve-se em grande parte à integração da ótica com a ciência da informação eletrónica e a ciência dos novos materiais, fazendo do vidro ótico uma pedra angular no desenvolvimento da tecnologia da informação, especialmente na tecnologia da informação fotónica.

1. Perspectivas

O vidro ótico é um componente essencial da indústria da tecnologia fotónica. Desde os anos 90, a fusão da ótica com a ciência da informação eletrónica e a ciência dos novos materiais impulsionou a utilização do vidro ótico na transmissão da luz, no armazenamento ótico e no ecrã fotoelétrico. O vidro ótico tornou-se, assim, um elemento fundamental na sociedade da informação, em especial na tecnologia da informação fotónica. O crescimento contínuo e estável da economia nacional estimulou o rápido desenvolvimento da indústria de fabrico de vidro ótico na China. Centrada principalmente nas vendas no mercado interno, a indústria demonstrou resistência à crise financeira, mantendo uma forte trajetória de crescimento.

2. Introdução

O vidro ótico é utilizado no fabrico de lentes, prismas, espelhos e janelas para instrumentos ópticos ou sistemas mecânicos. Inclui o vidro ótico incolor (vulgarmente designado por vidro ótico), o vidro ótico colorido, o vidro ótico resistente à radiação, o vidro anti-radiação e o vidro vidro de quartzo ótico. O vidro ótico caracteriza-se por uma elevada transparência, uniformidade química e física e constantes ópticas específicas. Pode ser classificado em séries de silicatos, boratos, fosfatos, fluoretos e calcogenetos. A variedade é extensa, categorizada principalmente com base na sua posição no diagrama do índice de refração (nD)-número de Abbe (VD). Tradicionalmente, os vidros com nD > 1,60 e VD > 50, e nD 55 são classificados como vidros crown (K), enquanto outros são classificados como vidros flint (F). Os vidros crown são normalmente utilizados para lentes convexas, e os vidros flint para lentes côncavas. Os vidros de coroa pertencem geralmente ao sistema do borossilicato alcalino, os vidros de coroa leves ao sistema do aluminossilicato, os vidros de coroa pesados e os vidros de sílex de bário ao sistema do borossilicato sem álcalis e a maior parte dos vidros de sílex ao sistema do silicato de chumbo-potássio. medida que os campos de aplicação do vidro ótico se expandem, as suas variedades continuam a crescer, incorporando quase todos os elementos da tabela periódica.

3. Classificação do vidro ótico

• Vidro ótico incolor: São necessárias constantes ópticas específicas, com elevada transmitância na região visível e sem coloração de absorção selectiva. Classificados pelo número de Abbe em vidros crown e flint, cada um deles dividido pelo índice de refração. Normalmente utilizados em telescópios, microscópios e câmaras para lentes, prismas e espelhos.
• Vidro ótico anti-radiação: Elevada capacidade de absorção de radiações de alta energia, incluindo vidro com alto teor de chumbo e vidro com sistema CaO-B2O2. O primeiro protege contra os raios γ e os raios X, o segundo absorve os neutrões lentos e térmicos, sendo utilizado na indústria nuclear e nos domínios médicos como material de proteção e de visualização.
• Vidro ótico resistente à radiação: Variação mínima da transmitância na região visível sob irradiação de raios γ e de raios X, com variedades e graus semelhantes ao vidro ótico incolor, utilizado em instrumentos ópticos de radiação de alta energia e em janelas de visualização.
• Vidro ótico colorido: Também conhecido como vidro de filtro, absorve e transmite seletivamente comprimentos de onda específicos nas regiões UV, visível e IV. Classificado por caraterísticas espectrais em absorção selectiva, corte e tipos de cinzento neutro, e por mecanismo de coloração em coloração iónica, coloração de coloide metálico e coloração de seleneto de enxofre, utilizado principalmente no fabrico de filtros.
• Vidro ótico UV e IR: Constantes ópticas específicas e elevada transmitância nas bandas UV ou IR, utilizadas em instrumentos ópticos UV e IR ou como materiais para janelas.
• Vidro de quartzo ótico: Composto principalmente por dióxido de silício, caracterizado por resistência a altas temperaturas, baixo coeficiente de expansão, elevada resistência mecânica e boas propriedades químicas, utilizado em prismas, lentes, janelas e espelhos com requisitos especiais de transmissão. Além disso, é utilizado no fabrico de circuitos integrados em grande escala, painéis LCD e substratos de discos ópticos.

4. Classificação da dispersão

Classificadas por dispersão em classes de coroa (K) e de sílex (F):

• Vidro ótico Crown: Inclui a coroa de flúor (FK), a coroa leve (QK), a coroa de fosfato (PK), a coroa de fosfato pesado (ZPK), a coroa (K), a coroa pesada (ZK), a coroa de bário (BaK), a coroa de lantânio (LaK), a coroa de titânio (TiK) e a coroa especial (TK).
• Vidro ótico Flint: Inclui o sílex leve (QF), o sílex (F), o sílex pesado (ZF), o sílex de bário (BaF), o sílex de bário pesado (ZBaF), o sílex de lantânio (LaF), o sílex de lantânio pesado (ZLaF), o sílex de titânio (TiF), o sílex de coroa (KF) e o sílex especial (TF).

5. Resistência às radiações

O vidro resistente às radiações é uma categoria alargada de vidro ótico, incluindo o vidro anti-radiação e o vidro resistente às radiações.

• Vidro anti-radiação: Absorve principalmente os raios γ e os raios X. Quando os raios γ ou os raios X penetram no vidro, os efeitos fotoeléctricos internos geram pares de electrões-pósitrões, reduzindo a energia e a penetração dos raios, proporcionando proteção. O aumento da densidade do vidro anti-radiação aumenta a sua capacidade de proteção, normalmente com densidades ≥4,5g/cm³.
• Vidro ótico resistente à radiação: Resiste à coloração sob irradiação de raios γ. Nome baseado nos graus de vidro ótico com resistência à radiação adicionada em unidades Roentgen, por exemplo, o K509 pode suportar 10 Roentgen de raios γ. O CeO2 é introduzido para capturar electrões, impedindo a formação de centros de cor, mas o excesso de CeO2 pode causar amarelecimento devido a bandas de absorção de UV e IV alargadas.

6. Matérias-primas

A areia de quartzo de alta qualidade é a principal matéria-prima, complementada com outros materiais. Os elementos de terras raras, com índices de refração elevados, baixa dispersão e boa estabilidade química, são utilizados para produzir vidro ótico para câmaras fotográficas, câmaras de vídeo e telescópios topo de gama. Por exemplo, o vidro de lantânio com 60% La2O3 e 40% B2O3 é essencial para lentes de câmaras e periscópios topo de gama. A resistência à radiação dos elementos de terras raras é também utilizada na produção de vidro anti-radiação.

7. Processamento a frio

Um método que utiliza tratamento térmico por vapor químico e vidro de soda-cal-sílica para alterar a estrutura molecular sem afetar a cor e a transmitância, atingindo padrões de ultra-dureza para vidro resistente ao fogo. O processo inclui o corte e a retificação dos bordos do vidro de soda-cal-sílica, o tratamento térmico por vapor químico, o revestimento resistente ao fogo e a têmpera física especial.

8. Desenvolvimento

O desenvolvimento do vidro ótico está intimamente ligado aos instrumentos ópticos. As novas reformas nos sistemas ópticos impulsionam frequentemente os avanços no vidro ótico e as novas variedades de vidro podem, por sua vez, promover o desenvolvimento de instrumentos ópticos. Inicialmente, eram utilizados cristais naturais para componentes ópticos, tendo o vidro passado a ser o principal material a partir do século XVI. O século XVII assistiu à introdução do óxido de chumbo no vidro, o que levou à classificação dos vidros de coroa e de sílex. O século XIX marcou avanços significativos com a introdução de novos óxidos, alargando as variedades de vidro e permitindo instrumentos ópticos mais complexos. Após a Segunda Guerra Mundial, a introdução de elementos de terras raras e de óxidos raros diversificou ainda mais o vidro ótico, satisfazendo a procura de instrumentos ópticos avançados.

Direcções futuras:

1. Desenvolvimento de vidro com índice de refração ultra-elevado.
2. Criação de vidros com dispersão parcial relativa especial.
3. Expansão do vidro ótico infravermelho e ultravioleta.
4. Substituição de componentes nocivos como ThO2, BeO e Sb2O3.
5. Melhoria da estabilidade química.
6. Melhorar a transparência e prevenir a coloração induzida pela radiação.
7. Aperfeiçoamento dos processos de fabrico para reduzir os custos das novas variedades de vidro.