Оптическое стекло, основополагающий материал в области фотоники и информационных технологий, стремительно развивается в таких областях, как передача света, оптическая память и фотоэлектрические дисплеи. Этот прогресс во многом обусловлен интеграцией оптики с электронной информатикой и новым материаловедением, что делает оптическое стекло краеугольным камнем в развитии информационных технологий, особенно фотонных информационных технологий.

1. Перспективы

Оптическое стекло - важнейший компонент индустрии фотонных технологий. Начиная с 1990-х годов, слияние оптики с электронными информационными науками и новыми науками о материалах способствовало использованию оптического стекла для передачи света, оптического хранения данных и фотоэлектрических дисплеев. Это позволило оптическому стеклу стать основополагающим элементом информационного общества, особенно в области фотонных информационных технологий. Постоянный и стабильный рост отечественной экономики способствовал быстрому развитию китайской промышленности по производству оптического стекла. Ориентируясь в первую очередь на продажи на внутреннем рынке, отрасль продемонстрировала устойчивость к финансовому кризису, сохраняя высокие темпы роста.

2. Введение

Оптическое стекло используется для изготовления линз, призм, зеркал и стекол для оптических приборов и механических систем. Оно включает в себя 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, а также специфическими оптическими константами. Его можно разделить на силикатный, боратный, фосфатный, фторидный и халькогенидный ряды. Разнообразие стекол очень велико, в основном они классифицируются по их положению на диаграмме показатель преломления (nD)-число Аббе (VD). Традиционно стекла с nD > 1,60 и VD > 50, а также nD 55 классифицируются как кроновые (K) стекла, в то время как другие классифицируются как кремневые (F) стекла. Кроновые стекла обычно используются для изготовления выпуклых линз, а кремневые - для вогнутых. Кроновые стекла обычно относятся к системе щелочных боросиликатов, легкие кроновые стекла - к системе алюмосиликатов, тяжелые кроновые и бариевые кремневые стекла - к системе бесщелочных боросиликатов, а большинство кремневых стекол - к системе свинцово-калиевых силикатов. По мере расширения областей применения оптического стекла его разновидности продолжают расти и включают в себя практически все элементы периодической таблицы.

3. Классификация оптического стекла

• Бесцветное оптическое стекло: Требуются особые оптические константы, высокое пропускание в видимой области и отсутствие селективной абсорбционной окраски. Классифицируются по числу Аббе на кроновые и кремневые стекла, которые подразделяются по показателю преломления. Обычно используются в телескопах, микроскопах и фотоаппаратах для изготовления линз, призм и зеркал.
• Антирадиационное оптическое стекло: Высокая поглощающая способность для высокоэнергетического излучения, включая высокосвинцовое стекло и стекло системы CaO-B2O2. Первое защищает от γ-лучей и рентгеновского излучения, второе поглощает медленные и тепловые нейтроны, используется в ядерной промышленности и медицине в качестве экранирующих и смотровых оконных материалов.
• Радиационно-стойкое оптическое стекло: Минимальное изменение пропускания в видимой области при облучении γ-лучами и рентгеновскими лучами, с разновидностями и сортами, аналогичными бесцветному оптическому стеклу, используется в оптических приборах, излучающих высокие энергии, и смотровых окнах.
• Цветное оптическое стекло: Также известны как фильтровальное стекло, избирательно поглощающее и пропускающее определенные длины волн в УФ, видимой и ИК областях. Классифицируется по спектральным характеристикам на селективное поглощение, отсечение и нейтрально-серый тип, а по механизму окрашивания - на ионное окрашивание, окрашивание металлическими коллоидами и окрашивание селенидом серы, в основном используется в производстве фильтров.
• УФ и ИК оптическое стекло: Специфические оптические константы и высокий коэффициент пропускания в УФ- и ИК-диапазонах, используется 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 для оптических дисков.

4. Классификация дисперсии

Классифицируются по дисперсности на корончатые (K) и кремневые (F):

• Crown Optical Glass: 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).
• Оптическое стекло Flint: 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), корончатый кремень (KF) и специальный кремень (TF).

5. Устойчивость к радиации

Радиационно-стойкое стекло - это широкая категория оптического стекла, включающая в себя антирадиационное и радиационно-стойкое стекло.

• Антирадиационное стекло: 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 экранирующую способность, обычно плотность составляет ≥4,5 г/см³.
• Радиационно-стойкое оптическое стекло: Сопротивляется окрашиванию при облучении γ-лучами. Назван по маркам оптического стекла с дополнительной радиационной стойкостью в единицах Рентгена, например, K509 выдерживает 10 Рентген γ-лучей. CeO2 вводится для захвата электронов, предотвращая образование цветовых центров, но избыток CeO2 может вызвать пожелтение из-за расширенных полос поглощения УФ- и ИК-лучей.

6. Сырьевые материалы

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

7. Холодная обработка

Метод, использующий химическую паротермическую обработку и содово-известково-кремнеземистое стекло для изменения молекулярной структуры без изменения цвета и светопропускания, что позволяет достичь стандартов сверхтвердости для огнестойкого стекла. Процесс включает в себя резку и шлифовку краев содово-известково-кремнеземного стекла, термообработку химическим паром, нанесение огнестойкого покрытия и специальную физическую закалку.

8. Развитие

Развитие оптического стекла тесно связано с оптическими приборами. Новые реформы в оптических системах часто стимулируют прогресс в оптическом стекле, а новые сорта стекла, в свою очередь, могут способствовать развитию оптических приборов. Изначально для изготовления оптических компонентов использовались природные кристаллы, а с XVI века основным материалом стало стекло. В XVII веке в стекло стали добавлять оксид свинца, что привело к классификации кроновых и кремневых стекол. XIX век ознаменовался значительным прогрессом благодаря введению новых оксидов, расширению ассортимента стекла и созданию более сложных оптических приборов. После Второй мировой войны введение редкоземельных и редкооксидных элементов еще больше разнообразило оптическое стекло, удовлетворяя потребности в передовых оптических приборах.

Будущие направления:

1. Разработка стекла со сверхвысоким коэффициентом преломления.
2. Создание стекла с особой относительной частичной дисперсией.
3. Расширение ассортимента инфракрасного и ультрафиолетового оптического стекла.
4. Замена вредных компонентов, таких как ThO2, BeO и Sb2O3.
5. Повышение химической стабильности.
6. Улучшение прозрачности и предотвращение окрашивания под воздействием радиации.
7. Совершенствование производственных процессов для снижения стоимости новых сортов стекла.