Оптическое стекло, фундаментальный материал в области фотоники и информационных технологий, быстро развивается в таких областях, как передача света, оптическое хранение и фотоэлектрические дисплеи. Этот прогресс во многом обусловлен интеграцией оптики с электронной информатикой и новыми материалами, что делает оптическое стекло краеугольным камнем в развитии информационных технологий, особенно в области фотонной информации.

1. Перспективы

Оптическое стекло является важнейшим компонентом отрасли фотонных технологий. С 1990-х годов слияние оптики с электронной информатикой и новыми материалами способствовало использованию оптического стекла в светопередаче, оптическом хранении и фотоэлектрическом отображении. Это сделало оптическое стекло основополагающим элементом в информационном обществе, особенно в фотонных информационных технологиях. Непрерывный и стабильный рост внутренней экономики стимулировал быстрое развитие китайской отрасли производства оптического стекла. Ориентированная в первую очередь на внутренние продажи, отрасль продемонстрировала устойчивость к финансовому кризису, сохранив сильную траекторию роста.

2. Введение

Оптическое стекло используется для изготовления линз, призм, зеркал и окон для оптических приборов или механических систем. Оно включает бесцветное оптическое стекло (обычно называемое оптическим стеклом), цветное оптическое стекло, радиационно-стойкое оптическое стекло, антирадиационное стекло и оптическое кварцевое стекло. Оптическое стекло характеризуется высокой прозрачностью, химической и физической однородностью и определенными оптическими константами. Его можно разделить на ряды силикатов, боратов, фосфатов, фторидов и халькогенидов. Разнообразие обширно и в первую очередь классифицируется на основе их положения на диаграмме показатель преломления (nD)-число Аббе (VD). Традиционно стекла с nD > 1.60 и VD > 50, а также nD < 1.60 и VD > 55 классифицируются как стекла типа «крон» (K), в то время как другие классифицируются как стекла типа «флинт» (F). Стекла типа «крон» обычно используются для выпуклых линз, а стекла типа «флинт» — для вогнутых линз. Стекла типа «крон» обычно относятся к щелочно-боросиликатной системе, легкие стекла типа «крон» — к алюмосиликатной системе, тяжелые стекла типа «крон» и бариевые стекла типа «флинт» — к бесщелочной боросиликатной системе, а большинство стекол типа «флинт» — к свинцово-калиевой силикатной системе. По мере расширения областей применения оптического стекла увеличивается и его разновидности, включающие в себя практически все элементы периодической таблицы.

3. Классификация оптического стекла

• Бесцветное оптическое стекло: Требуются определенные оптические константы с высокой пропускаемостью в видимой области и без селективной окраски поглощения. Классифицируются по числу Аббе на крон и флинт стекла, каждое из которых далее делится по показателю преломления. Обычно используются в телескопах, микроскопах и камерах для линз, призм и зеркал.
• Оптическое стекло с защитой от радиации: Высокая поглощающая способность для высокоэнергетического излучения, включая стекло с высоким содержанием свинца и стекло системы CaO-B2O2. Первое защищает от γ-лучей и рентгеновских лучей, второе поглощает медленные и тепловые нейтроны, используется в ядерной промышленности и медицине в качестве защитных и смотровых материалов для окон.
• Радиационно-стойкое оптическое стекло: Минимальное изменение пропускания видимой области при облучении γ-лучами и рентгеновским излучением, разновидности и сорта, аналогичные бесцветному оптическому стеклу, используемому в оптических приборах с высокоэнергетическим излучением и смотровых окнах.
• Цветное оптическое стекло: Также известно как фильтрующее стекло, селективно поглощает и пропускает определенные длины волн в УФ, видимом и ИК диапазонах. Классифицируется по спектральным характеристикам на селективно поглощающие, отсекающие и нейтрально-серые типы, а по механизму окраски на ионную окраску, металлоколлоидную окраску и окраску селенидом серы, в основном используется в производстве фильтров.
• Оптическое стекло для УФ и ИК-диапазона: Определенные оптические константы и высокая пропускаемость в УФ- или ИК-диапазонах, используются в УФ- и ИК-оптических приборах или в качестве оконных материалов.
• Оптическое кварцевое стекло: В основном состоит из диоксида кремния, характеризуется высокой термостойкостью, низким коэффициентом расширения, высокой механической прочностью и хорошими химическими свойствами, используется в призмах, линзах, окнах и зеркалах с особыми требованиями к пропусканию. Кроме того, используется в крупномасштабном производстве интегральных схем, ЖК-панелей и подложек оптических дисков.

4. Классификация дисперсии

Классифицируется по дисперсии на классы крон (К) и кремень (F):

• Корона оптического стекла: Включает фторидную коронку (FK), легкую коронку (QK), фосфатную коронку (PK), тяжелую фосфатную коронку (ZPK), коронку (K), тяжелую коронку (ZK), бариевую коронку (BaK), лантановую коронку (LaK), титановую коронку (TiK) и специальную коронку (TK).
• Кремневое оптическое стекло: Включает легкий кремень (QF), кремень (F), тяжелый кремень (ZF), бариевый кремень (BaF), тяжелый бариевый кремень (ZBaF), лантановый кремень (LaF), тяжелый лантановый кремень (ZLaF), титановый кремень (TiF), крончатый кремень (KF) и специальный кремень (TF).

5. Радиационная стойкость

Радиационно-стойкое стекло — это обширная категория оптического стекла, включающая антирадиационное и радиационно-стойкое стекло.

• Стекло антирадиационное: В первую очередь поглощает γ-лучи и рентгеновские лучи. Когда γ-лучи или рентгеновские лучи попадают в стекло, внутренние фотоэлектрические эффекты генерируют электронно-позитронные пары, снижая энергию и проникновение лучей, обеспечивая защиту. Увеличение плотности антирадиационного стекла повышает его экранирующие свойства, обычно при плотности ≥4.5 г/см³.
• Радиационно-стойкое оптическое стекло: Устойчив к окрашиванию под воздействием γ-излучения. Назван по сортам оптического стекла с дополнительной радиационной стойкостью в единицах рентген, например, K509 может выдерживать 10 рентген γ-излучения. CeO2 вводится для захвата электронов, предотвращая образование центров окраски, но избыточное количество CeO2 может вызвать пожелтение из-за расширенных полос поглощения УФ- и ИК-излучения.

6. Сырье

Высококачественный кварцевый песок является основным сырьем, дополняемым другими материалами. Редкоземельные элементы с высокими показателями преломления, низкой дисперсией и хорошей химической стабильностью используются для производства оптического стекла для высококачественных камер, камкордеров и телескопов. Например, лантановое стекло с 60% La2O3 и 40% B2O3 необходимо для высококачественных объективов камер и перископов. Радиационная стойкость редкоземельных элементов также используется в производстве антирадиационного стекла.

7. Холодная обработка

Метод, использующий химическую паровую термообработку и натриево-кальциево-силикатное стекло для изменения молекулярной структуры без влияния на цвет и пропускание, достигая сверхтвердых стандартов для огнестойкого стекла. Процесс включает резку и шлифовку кромок натриево-кальциево-силикатного стекла, химическую паровую термообработку, огнестойкое покрытие и специальную физическую закалку.

8. развитие

Развитие оптического стекла тесно связано с оптическими приборами. Новые реформы в оптических системах часто приводят к прогрессу в оптическом стекле, а новые сорта стекла могут, в свою очередь, способствовать развитию оптических приборов. Первоначально для оптических компонентов использовались природные кристаллы, а стекло стало основным материалом с 16 века. В 17 веке в стекло был введен оксид свинца, что привело к классификации крон и флинт стекол. В 19 веке был отмечен значительный прогресс с введением новых оксидов, расширением разновидностей стекла и созданием более сложных оптических приборов. После Второй мировой войны введение редкоземельных и редких оксидных элементов еще больше разнообразило оптическое стекло, отвечая требованиям современных оптических приборов.

Будущие направления:

1. Разработка стекла со сверхвысоким показателем преломления.
2. Создание стекла с особой относительной частичной дисперсией.
3. Расширяющееся инфракрасное и ультрафиолетовое оптическое стекло.
4. Замена вредных компонентов, таких как ThO2, BeO и Sb2O3.
5. Повышение химической стабильности.
6. Повышение прозрачности и предотвращение окрашивания под воздействием радиации.
7. Совершенствование производственных процессов с целью снижения себестоимости новых сортов стекла.