Fotonik ve bilgi teknolojisi alanlarında temel bir malzeme olan optik cam, ışık iletimi, optik depolama ve fotoelektrik ekran gibi uygulamalarda hızlı ilerlemeler kaydetmiştir. Bu ilerleme büyük ölçüde optiğin elektronik bilgi bilimi ve yeni malzeme bilimi ile entegrasyonundan kaynaklanmaktadır ve optik camı bilgi teknolojisinin, özellikle de fotonik bilgi teknolojisinin gelişiminde bir köşe taşı haline getirmektedir.

1. Beklentiler

Optik cam, fotonik teknoloji endüstrisinin kritik bir bileşenidir. 1990'lardan bu yana, optik biliminin elektronik bilgi bilimi ve yeni malzeme bilimi ile birleşmesi, optik camın ışık iletimi, optik depolama ve fotoelektrik ekranda kullanımını teşvik etmiştir. Bu durum, optik camı Bilgi toplumunda, özellikle de fotonik bilgi teknolojisinde temel bir unsur haline getirmiştir. Yerel ekonominin sürekli ve istikrarlı büyümesi, Çin'in optik cam üretim endüstrisinin hızlı gelişimini teşvik etmiştir. Öncelikle yurt içi satışlara odaklanan sektör, güçlü bir büyüme yörüngesini koruyarak mali krize karşı dayanıklılık göstermiştir.

2. Giriş

Optik cam, optik aletler veya mekanik sistemler için lensler, prizmalar, aynalar ve pencereler üretmek için kullanılır. Renksiz optik cam (genellikle optik cam olarak adlandırılır), renkli optik cam, radyasyona dayanıklı optik cam, anti-radyasyon camı ve optik kuvars cam. Optik cam, yüksek şeffaflık, kimyasal ve fiziksel homojenlik ve spesifik optik sabitler ile karakterize edilir. Silikat, borat, fosfat, florür ve kalkojenit serileri olarak sınıflandırılabilir. Çeşitlilik oldukça geniştir ve öncelikle kırılma indisi (nD)-Abbe sayısı (VD) diyagramındaki konumlarına göre kategorize edilirler. Geleneksel olarak, nD > 1.60 ve VD > 50 ve nD 55 olan camlar taç (K) camlar olarak sınıflandırılırken, diğerleri çakmaktaşı (F) camlar olarak sınıflandırılır. Taç camlar tipik olarak dışbükey mercekler için, çakmaktaşı camlar ise içbükey mercekler için kullanılır. Taç camlar genellikle alkali borosilikat sistemine, hafif taç camlar alüminosilikat sistemine, ağır taç ve baryum çakmaktaşı camlar alkali içermeyen borosilikat sistemine ve çakmaktaşı camların çoğu kurşun-potasyum silikat sistemine aittir. Optik camın uygulama alanları genişledikçe, periyodik tablodaki neredeyse tüm elementleri içeren çeşitleri de artmaya devam etmektedir.

3. Optik Camların Sınıflandırılması

• Renksiz Optik Cam: Görünür bölgede yüksek geçirgenliğe sahip ve seçici emilim renklendirmesi olmayan spesifik optik sabitler gereklidir. Abbe numarasına göre taç ve çakmaktaşı camlar olarak sınıflandırılır ve her biri kırılma indisine göre ayrılır. Teleskoplarda, mikroskoplarda ve kameralarda lensler, prizmalar ve aynalar için yaygın olarak kullanılır.
• Anti-Radyasyon Optik Cam: Yüksek kurşunlu cam ve CaO-B2O2 sistem camı dahil olmak üzere yüksek enerjili radyasyon için yüksek absorpsiyon kapasitesi. İlki γ-ışınlarına ve X-ışınlarına karşı korur, ikincisi yavaş ve termal nötronları emer, nükleer endüstride ve tıbbi alanlarda koruyucu ve görüntüleme penceresi malzemeleri olarak kullanılır.
• Radyasyona Dayanıklı Optik Cam: γ-ışını ve X-ışını ışınlaması altında görünür bölge geçirgenliğinde minimum değişiklik, renksiz optik cama benzer çeşit ve kalitelerde, yüksek enerjili radyasyon optik aletlerinde ve görüntüleme pencerelerinde kullanılır.
• Renkli Optik Cam: Filtre camı olarak da bilinir, UV, görünür ve IR bölgelerindeki belirli dalga boylarını seçici olarak emer ve iletir. Spektral özelliklerine göre seçici absorpsiyon, kesme ve nötr gri tiplerine ve renklendirme mekanizmasına göre iyon renklendirme, metal kolloid renklendirme ve sülfür selenid renklendirme olarak sınıflandırılır, esas olarak filtre üretiminde kullanılır.
• UV ve IR Optik Cam: UV ve IR optik cihazlarda veya pencere malzemesi olarak kullanılan UV veya IR bantlarında spesifik optik sabitler ve yüksek geçirgenlik.
• Optik Kuvars Cam: Esas olarak silikon dioksitten oluşur, yüksek sıcaklık direnci, düşük genleşme katsayısı, yüksek mekanik mukavemet ve özel geçirgenlik gereksinimleri olan prizmalar, lensler, pencereler ve aynalarda kullanılan iyi kimyasal özellikler ile karakterize edilir. Ayrıca, büyük ölçekli entegre devre üretiminde, LCD panellerde ve optik disk alt tabakalarında kullanılır.

4. Dağılım Sınıflandırması

Dağılıma göre taç (K) ve çakmaktaşı (F) sınıflarına ayrılmıştır:

• Taç Optik Cam: Florür kron (FK), hafif kron (QK), fosfat kron (PK), ağır fosfat kron (ZPK), kron (K), ağır kron (ZK), baryum kron (BaK), lantan kron (LaK), titanyum kron (TiK) ve özel kron (TK) içerir.
• Flint Optik Cam: Hafif çakmaktaşı (QF), çakmaktaşı (F), ağır çakmaktaşı (ZF), baryum çakmaktaşı (BaF), ağır baryum çakmaktaşı (ZBaF), lantan çakmaktaşı (LaF), ağır lantan çakmaktaşı (ZLaF), titanyum çakmaktaşı (TiF), taç çakmaktaşı (KF) ve özel çakmaktaşı (TF) içerir.

5. Radyasyon Direnci

Radyasyona dayanıklı cam, anti-radyasyon ve radyasyona dayanıklı cam dahil olmak üzere geniş bir optik cam kategorisidir.

• Anti-Radyasyon Camı: Öncelikle γ-ışınlarını ve X-ışınlarını emer. γ-ışınları veya X-ışınları cama girdiğinde, iç fotoelektrik etkiler elektron-pozitron çiftleri oluşturarak ışınların enerjisini ve nüfuzunu azaltır ve koruma sağlar. Anti-radyasyon camının yoğunluğunun artırılması, tipik olarak ≥4,5 g/cm³ yoğunluklarla koruma kapasitesini artırır.
• Radyasyona Dayanıklı Optik Cam: γ-ışını ışınlaması altında renklenmeye karşı dirençlidir. Röntgen birimi cinsinden radyasyon direnci eklenmiş optik cam sınıflarına göre adlandırılır, örneğin K509 10 Röntgen γ-ışınına dayanabilir. CeO2 elektronları yakalayarak renk merkezi oluşumunu önler, ancak aşırı CeO2, UV ve IR absorpsiyon bantlarının uzaması nedeniyle sararmaya neden olabilir.

6. Hammaddeler

Yüksek kaliteli kuvars kumu, diğer malzemelerle desteklenen ana hammaddedir. Yüksek kırılma indisleri, düşük dağılım ve iyi kimyasal stabiliteye sahip nadir toprak elementleri, üst düzey kameralar, video kameralar ve teleskoplar için optik cam üretmek için kullanılır. Örneğin, 60% La2O3 ve 40% B2O3 içeren lantan camı, üst düzey kamera ve periskop lensleri için gereklidir. Nadir toprak elementlerinin radyasyon direnci de anti-radyasyon cam üretiminde kullanılmaktadır.

7. Soğuk İşleme

Renk ve geçirgenliği etkilemeden moleküler yapıyı değiştirmek için kimyasal buhar ısıl işlemi ve soda-kireç-silika camı kullanan ve yangına dayanıklı cam için ultra sertlik standartlarına ulaşan bir yöntem. Süreç, soda-kireç-silika camının kesilmesi ve kenar taşlaması, kimyasal buhar ısıl işlemi, yangına dayanıklı kaplama ve özel fiziksel temperlemeyi içerir.

8. Gelişim

Optik camın gelişimi optik aletlerle yakından bağlantılıdır. Optik sistemlerdeki yeni reformlar genellikle optik camdaki gelişmeleri yönlendirir ve yeni cam çeşitleri de optik alet gelişimini teşvik edebilir. Başlangıçta optik bileşenler için doğal kristaller kullanılırken, 16. yüzyıldan itibaren cam birincil malzeme haline gelmiştir. 17. yüzyılda camda kurşun oksit kullanılmaya başlanmış, bu da taç ve çakmaktaşı camların sınıflandırılmasına yol açmıştır. 19. yüzyılda yeni oksitlerin kullanılmaya başlanması, cam çeşitlerinin artması ve daha karmaşık optik aletlerin kullanılmaya başlanmasıyla önemli gelişmeler kaydedilmiştir. İkinci Dünya Savaşı sonrasında nadir toprak ve nadir oksit elementlerinin kullanılmaya başlanması optik camı daha da çeşitlendirmiş ve gelişmiş optik aletlerin taleplerini karşılamıştır.

Geleceğe Yönelim:

1. Ultra yüksek kırılma indisli cam geliştirilmesi.
2. Özel bağıl kısmi dağılımlı cam oluşturma.
3. Genişleyen kızılötesi ve ultraviyole optik cam.
4. ThO2, BeO ve Sb2O3 gibi zararlı bileşenlerin değiştirilmesi.
5. Kimyasal stabilitenin artırılması.
6. Şeffaflığın artırılması ve radyasyon kaynaklı renklenmenin önlenmesi.
7. Yeni cam çeşitlerinin maliyetlerini düşürmek için üretim süreçlerinin iyileştirilmesi.