玻璃由於具備透光性(xìng)與反射性(xìng),而且容易上色,經常被運用於對光照(zhào)與色彩有(yǒu)一定要求的場合,例如光學儀器與各種藝術裝飾之中。
現代技術給玻璃行業帶來了新的生機與精力,同時也使玻璃的性能(néng)有了很大的提升。我們將簡單介紹什麽是(shì)光學玻璃,說明常見的光(guāng)學玻璃都有哪些。
一、什(shí)麽是光(guāng)學玻璃
光學玻璃是能改變光的傳播方向,並能改變紫外、可見或紅外(wài)光的相對光譜分布的玻璃(lí)。狹(xiá)義的光學玻璃是指無色光學玻璃;
廣義的光學玻璃還(hái)包括有色光學玻璃、激光玻璃、UVC紫外石(shí)英玻璃、抗輻射玻璃、紫(zǐ)外(wài)紅外光學玻璃、纖維光學玻璃、聲光玻璃、磁光玻璃和光變色玻璃。
高潮视频在线快速多人光電光學玻璃(lí)可用於製造光學儀器中的透(tòu)鏡、棱鏡、反射鏡及窗口等。由光學玻璃構成的部件是(shì)光學儀器中的關(guān)鍵性元件。
光學玻璃分為(wéi)有色光學玻璃和無色光學玻璃(lí)兩大類.
有色光(guāng)學玻璃分為磷(lín)酸鹽玻璃、矽酸鹽(yán)玻璃.采用硒鎘著色、離子著色的中(zhōng)性(暗色)玻璃離子著色的選擇性吸收玻璃.
二、常見的光學(xué)玻璃都有哪些
1、無色光學玻璃
對光學常數有特定要(yào)求,具有可見區高透過、無選擇吸收著色等特點.按阿(ā)貝數大小分為冕類(lèi)和火石類玻璃,各類又按折射(shè)率高低分為若幹種,
並按折射率大小依次排(pái)列.多用作望遠鏡、顯微鏡、照(zhào)相機等的透鏡、棱鏡、反射鏡等
2、防輻照(zhào)光(guāng)學(xué)玻璃
對高能輻照有非常大的吸收能力,有(yǒu)高鉛玻璃和CaO-B2O2係統玻璃,前者可防止γ射線和X射線輻照,後者可吸收慢中子(zǐ)和熱中子,主要用於核工業、
醫(yī)學領域等作為屏蔽和窺(kuī)視窗口材料.
3、耐輻照光學玻璃
在一(yī)定的γ射線、X射線輻照下(xià),可見區透過率變化較少,品(pǐn)種和(hé)牌號與無色光學(xué)玻璃相同,用於製造高能(néng)輻照下的光(guāng)學儀器和窺視窗(chuāng)口.
4、有色光學玻璃
光學玻璃
光學玻璃(optical glass),是用於製造光學儀器或機械係統的透鏡、棱鏡、反射鏡、窗口等(děng)的玻璃材料。
包括無色光學玻璃(通常簡稱光學玻璃)、
有(yǒu)色光學玻璃、耐輻射光學玻(bō)璃、防輻(fú)射玻璃和光學石英玻璃等。光學玻璃具(jù)有高度的透明性、化學(xué)及物理學(結構和性能)上的高(gāo)度均勻性(xìng),
具有(yǒu)特定和準確的光學常數。它可分為矽酸鹽、硼酸鹽(yán)、磷酸鹽、氟(fú)化物和硫係化合物係列。
光(guāng)學材料(liào)的分類
◆按照用途(tú):光介質材料(liào)、光學纖維、光學薄膜和其它光學材料(liào)。
◆光介質材料是指傳輸光線的材(cái)料,因此也可(kě)叫透射材料。入射(shè)的光線經過光介質材料(liào)折射、反射會改變其方向、相位或偏振態,
還可以經過光介質材料(liào)的吸收或散射改變其強度和光譜(pǔ)成分。因此可以製成透鏡、棱鏡、反射(shè)鏡、偏振器、窗口、光學纖維和光學薄膜等器件。經(jīng)過特殊(shū)燒結的(de)陶瓷可以對紅外線透明,有的陶瓷對可見光也透明。
◆光(guāng)學纖維是一種新型信息、能量傳輸材料。
◆光學薄膜是附加在光學器件表麵用於提(tí)高或實現器件光學性能的(de)一類(lèi)薄膜材料,在許多方麵有廣泛的應用。
◆其它光學材料(liào):包括發光材料、著色材料、激(jī)光材料以及光信息存儲、顯(xiǎn)示、處理材料(liào)等,在現代光學領域有非常重要的地位。
光學器件常用的(基板)材料
一、玻璃----在光學應用上最(zuì)重要
二、陶瓷
三(sān)、光學晶體(tǐ)
四、光學塑(sù)料(如PC、PMMA等)
五、金屬
光學基底(dǐ)材料及(jí)其特性
◆三大光學材料:光學玻璃、光學晶體、光學塑料。
◆光學玻璃應用最廣泛;
◆人工(gōng)晶體生長困難,尺寸受限製(zhì),隻有在玻璃不能滿足的情況下才使用,如紅外、紫外、偏振、閃爍等方麵,以及激光(guāng)技術、非線性晶體等;
◆光學塑料(liào)屬於有機高分子化合物,具(jù)有價格(gé)低、容易成型、質量輕等特點,近來(lái)獲得廣泛應用。
1、光學玻璃
◆光學玻璃與普通玻璃(lí)的主要區別是:具有更高的透明度,並在(zài)物(wù)理和化學(xué)特性上具有高度的均勻性以及特定和精確的光學常數。
◆光學玻(bō)璃的(de)成分與工藝都嚴格保密。一般主要成(chéng)分是二氧化矽。它(tā)比玻璃的機械強度高、化學穩定性好、熱膨脹係數小、但熔點高(1700以上)。
◆一般光學玻璃能透過波長為(wéi)230nm-2.5μm的各色光,超出該波長(zhǎng)範圍的光被強烈吸收(shōu)。
◆日常窗戶用普通玻璃僅僅(jǐn)由砂子、純堿和石灰石(shí)組成( SiO2 - Na2O-CaO )。
◆光學玻璃則由Si、B、P、Pb、K、Na、Ba、As、Al等元素的氧化物按一定的配方在高溫時形成鹽溶液(熔(róng)融(róng)體),
經過冷卻得到的一種過冷的(de)無定型熔融體。大多數光學玻璃是以SiO2為主要成分,屬於矽酸鹽(yán)玻璃;其次,以B2O3為(wéi)主要成分,
屬於硼酸鹽玻璃;以P2O5為主(zhǔ)要(yào)成分,屬於磷酸鹽玻璃。
◆為改善玻璃性能和滿足光學器件的需要,需要加入其它成分:如氧化鋁(提(tí)高穩定性與機械強度(dù))、氧化鉛
(增大折射(shè)率,但化學穩定性下降)、氧化納(降低熔煉溫度(dù),但穩定性和機械性能下降),等等。
光學玻璃還具有其它特性:
(1)各(gè)向同性
由於(yú)玻璃的均一結構,其內部沿任何(hé)方向度量的物理性能(折射率、硬度、彈性模量、熱膨脹係(xì)數、導電係(xì)數等(děng))相同。
(2)穩定性
常溫下,玻璃態(tài)具有較高的黏度,阻止玻璃態向晶態的轉變(biàn)。
(3)從熔融態向固態轉(zhuǎn)變過程連續可逆
玻璃從熔融態冷卻到固態在一個相當寬的溫度範圍(wéi)內完成(chéng),變(biàn)化過程(chéng)連續可逆,沒有固化點,隻有固化溫(wēn)度範圍(wéi)。這個性質對玻璃的熱處(chù)理工藝非常重要。
光學玻璃可以分為:
(1)、無(wú)色光學玻璃
(2)、有色光學玻璃(lí)
(3)、特殊玻璃等
(1)、無色光學玻璃:分類
根據化學成分,無色光學(xué)玻璃可(kě)以分為兩類(lèi):
(a)、冕牌玻璃----K帶頭的(de)玻璃,折(shé)射率(lǜ)n較小,色散係數大(dà),可分(fèn)為(wéi)氟(fú)冕(miǎn)(FK)、磷冕(PK)、輕冕(QK)、鋇冕(BaK)、重冕(miǎn)(ZK)、鑭冕(LaK)、特冕(TK)等;
(b)、火石玻璃----F帶頭(tóu)的玻璃,折射率n較大。色散係數大,可(kě)分為冕火石(KF)、輕火石(QF)、鋇火(huǒ)石(shí)(BaF)、重火石(ZF)、鑭H火石(LaF)等。
共有160多種之多。
K9玻璃
◆K9玻(bō)璃是用K9料製成(chéng)的玻璃製品,用於光學鍍(dù)膜等領域。
◆K9料屬於光學玻璃(lí),由於它晶瑩剔透,所以衍生了很多以K9料為加工對象的(de)工廠,加工出來的產品,被稱為水晶玻璃製品。
◆K9的組成(chéng)如下: SiO2=69.13%, B2O3=10.75%,BaO=3.07%, Na2O=10.40%, K2O=6.29% ,As2O3=0.36%
◆它的光學常數為:折射率=1.51630 ,色散=0.00806 ,阿貝(bèi)數=64.06
◆光學玻璃國家標準按阿貝數分類,阿貝數≥50的玻璃為(wéi)冕牌玻璃,用“K”來表示;阿貝數<50的玻璃為火石玻璃,用“F”來表示。
在這兩大類下還用輕“Q”、重“Z”、特“T”和化學元素符號(hào)加前綴,數字加(jiā)後綴進行(háng)細分,共分為18大類,141個牌號。如:QF8(輕火石)、BaK11(鋇冕)、K9(冕)。
◆一般冕牌屬(shǔ)堿矽酸(suān)鹽係(xì)統,絕大多數火石玻璃屬鉛矽酸鹽係統。
無色光學玻璃一些(xiē)技(jì)術指標
(a)、nd----指(zhǐ)587.7nm(氦黃線)處的折射率;
(b)、nD----指589.3nm(鈉黃線)處的折射率;
(c)、相對色散(阿貝數) υd、 υD
----由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)確定:
υd= (nd -1)/(nf - nc)
υD= (nD -1)/(nf - nc)
無色光學玻璃的分級
玻(bō)璃按下列各項質量指標分類(lèi)和分級:
a.折射率、色散係數與(yǔ)標準數值的允許差值;
b.同一批中(zhōng),折(shé)射率及色散係數(shù)的一致性;
c.光學均勻性;
d.應力(lì)雙折射;
e.條(tiáo)紋度;
f.氣泡度(dù);
g.光吸收係數;
h.耐輻射性能(néng)(N係列玻璃)。
根據折射率與標準數值的允許差值,玻璃按下表分為6類。
類(lèi)別 | 折射率(lǜ)nd允許差值 | 類別 | 折射(shè)率nd允許差(chà)值(zhí) |
00 | ±2×10-4 | 2 | ±7×10-4 |
0 | ±3×10-4 | 3 | ±10×10-4 |
1 | ±5×10-4 | 4 | ±20×10-4 |
玻璃的光學均勻性以一塊(kuài)玻璃中各(gè)部位間的折射率微差(chà)最大值△nmax表示時,按下表分(fèn)為4類。
類別 | 折射率最大微差,△nmax |
H1 | ±2×10-6 |
H2 | ±5×10-6 |
H3 | ±1×10-5 |
H4 | ±2×10-5 |
(2)、有色玻璃
有色玻璃指對特定波長的可(kě)見光、紫外光或紅外光具有選擇(zé)性吸收或透過性能的光學玻璃,又稱為光學濾光玻璃。
主(zhǔ)要用於製作觀察、照相、紫外、紅(hóng)外等(děng)光學儀器的濾光片(piàn),以(yǐ)改變(biàn)光的(de)強度或光譜成分,
達到提高儀器(qì)的能見度或滿足某些特(tè)定要求(qiú),有時替代鍍膜(mó),有時與薄膜組合使用。
有色光學玻(bō)璃是在無色光學(xué)玻璃(lí)原料(liào)中加入(rù)適量的著色劑(jì)製成。按照著色原理可以分為膠態著色和(hé)離子著色有色玻璃兩類(lèi)。
著色劑分別在玻璃(lí)種(zhǒng)以膠體或者離子狀態存在。
有色玻璃按照光譜特性可分為選擇性吸收型(xíng)、截止型、中性灰型三種光學濾光(guāng)玻璃。
國際、國內(nèi)均有一些專業有色玻璃生產商:如藍玻璃就是一(yī)種有(yǒu)色玻璃,HOYA叫CM5000,肖特叫BG38、BG39等。
(3)、特殊玻璃
其它特殊玻璃(lí)可以包括
A、耐輻射玻璃
B、石英玻璃
C、隔熱玻璃(lí)
D、微晶玻璃
E、耐熱玻璃
F、硬質玻璃
G、光學眼鏡玻璃等。
石英玻璃
光學石英(yīng)玻璃是用純水晶做原料製得的玻璃態二氧化矽(SiO2),也稱為熔融石英。其SiO2含量大(dà)於99.9%,故具有優異性能:
(1)光譜特性好(hǎo),在200nm-4.7um高透過率;
(2)熱膨脹係數小,比普通(tōng)玻(bō)璃小兩個量級,具極高的熱(rè)穩定(dìng)性;
(3)耐熱性極好;
(4)耐(nài)極冷極熱性能好(hǎo);
(5)化(huà)學穩定性好,耐酸(suān)性優(yōu)於所有光(guāng)學材料;
(6)機械性能好;
(7)硬度高,表麵不易(yì)劃傷;
(8)耐輻射性能好;
(9)密度小,為2.21g/cm3;
石英玻璃用途廣(guǎng)泛,但熔製困難(nán),價格昂貴。
2、光學晶體及其特性
在光學(xué)上應用的單晶體稱為光學晶體。光學晶(jīng)體內(nèi)部的不同部位具有(yǒu)相同的性質,即均一性;各向異性、
晶體的性質相對(duì)於晶軸的對稱性、穩定性等。
光學晶體按用途分為紫外、紅外晶體、激光晶(jīng)體、偏振晶體(tǐ)、複消色差晶體(tǐ)等;按工藝性能分為硬質晶體
(莫(mò)氏硬度7~9,如石(shí)英晶體、紅寶石、釔鋁石榴(liú)石等)、
軟(ruǎn)質晶體(莫氏(shì)硬度2~4,如螢石、方解石等 )和水溶(róng)性晶體(如氯化納、氯化鉀、ADP、KDP等)。
螢石的硬度低、脆性大,加工時容易損傷表麵和破裂,水溶性晶體具(jù)有(yǒu)潮解性,加工困難(nán)。
什麽(me)叫做晶體(tǐ)?
晶體對我們(men)來說既熟悉又陌生,包括食鹽、糖以及一些藥物等均是;
晶體具(jù)有規(guī)則(zé)的幾何多(duō)麵體(tǐ)形狀,它是具(jù)有格子構造的固體。
晶(jīng)體包括三大晶族(zú)七大晶係,如下表:
晶族(zú) | 晶係 | 特征 | |
軸單位(wèi) | 軸角 | ||
低族(zú)晶係 | 三斜 | a0≠b0 ≠ c0 | α0 ≠ β0 ≠ γ0 ≠ 90° |
單軸 | a0 ≠ b0 ≠ c0 | α0 = γ0 = 90°, β0 ≠ 90° | |
正交 | a0 ≠ b0 ≠ c0 | α0 = β0 = γ0 = 90° | |
中(zhōng)級晶係 | 四方 | a0=b0 ≠ c0 | α0 = β0 = γ0 = 90° |
六方 | a0=b0 ≠ c0 | α0 = β0 = 90°, γ0 = 120° | |
三方(fāng) | a0=b0=c0 | α0 = β0 = γ0 ≠ 90 | |
立方(fāng)晶(jīng)係 | 立(lì)方 | a0=b0=c0 | α0 = β0 = γ0 = 90° |
光學晶體常用中級晶族和高級晶族,石英(yīng)是六方晶係
晶體的基本性質(zhì)
1、均(jun1)一(yī)性:內部質點的性質和排(pái)列方式一致;
2、各向異性:點陣性質和排列方式在方(fāng)向(xiàng)上(shàng)不一致;
3、對稱性:在特定方(fāng)向上異向同性,這個方向就是晶軸;
4、自範(fàn)性:能自(zì)發形成封閉幾何多麵體;
5、最小內能性:具有確定的熔點,以及特(tè)有穩定(dìng)性;
6、穩定性:最小內能性的必然結果,不能自發轉化為其它(tā)狀態,非(fēi)晶態則隨時有結晶傾向。
晶體的幾(jǐ)個重(chóng)要的物理性質
1、解理性:受到定(dìng)向外力作用時,能按照(zhào)一定的方(fāng)向破裂,形成光(guāng)滑的平麵,此為解理性。
2、硬度:常用莫氏硬度,指甲(jiǎ)可劃(huá)的為1~2.5,小刀能刻畫的為5~5.5,銼刀為6~7,銼刀都不能的(de)為8~9,石英(yīng)晶(jīng)體為7,天然金(jīn)剛石為9
3、溶(róng)解度
4、雙折射:高級(jí)晶族沒(méi)有,中級有,會將一束光分為2束,為尋常光和非尋常(cháng)光(guāng),相應的折射率用no和ne表(biǎo)示
5、旋光性
光學晶體的性能特點
1、光譜透過範圍寬:尤其是在長波段,可達60um。
2、折射率和(hé)色散變化範圍寬:可滿足各種不同應用場合;
3、熔點高、熱穩定性好:有利於在高溫下(xià)使(shǐ)用;
4、雙折射:
5、旋光性:
6、吸(xī)收性和多色性:吸收率(lǜ)的各向異性。即隨著入射光線(xiàn)的偏振(zhèn)方向不(bú)同,光學晶體對光的吸(xī)收程度也不(bú)一(yī)樣(yàng)。
因(yīn)此,除等軸晶係(高級(jí)晶族)外,在同(tóng)一晶體的不同方向上呈現不同的顏色,光學晶體的這(zhè)種性質叫(jiào)多色性(xìng)。
光學晶體(tǐ)按用途分為如下類型
1、紫外、紅(hóng)外晶體:用於宇宙飛船、人造衛星(xīng)、導彈等的窗口,包括石(shí)英、矽(guī)、鍺等
2、複消色差晶體:用於(yú)高級(jí)複消色(sè)差(chà)物鏡
3、偏振晶體:製作偏(piān)振器件
4、激光晶體:用(yòng)於製造激光器
5、電光晶體、聲光(guāng)晶體以及非線性(xìng)晶體等
3、光學塑料及其特性
光學塑料是有機高分(fèn)子聚合物,利用其(qí)一(yī)定的光學、機械、化學性能的優點,滿足光學器件設計要求,
從而在眼鏡片、棱鏡、透鏡DVD、VCD、CD-ROM光頭、照(zhào)相機等光電儀器中得到廣(guǎng)泛使用。
塑料是什麽?
塑料是一(yī)種以(yǐ)合成樹脂或天然樹脂(一般為高分子聚合物)為(wéi)基本(běn)成分,在加工過程中,可塑製成型,
產品最終能保持形狀不變(biàn)的材(cái)料。
光學塑料是一種可以與玻璃競爭的透明塑料。它具有一定的光學特(tè)性、機械特性和(hé)化(huà)學特(tè)性,
能滿足光學零件的要求,從而逐漸構成光學三大基本材料之一(光學玻璃、光學晶體和光學塑料)。
(1)、光學塑料的應用(yòng)
目前,光學塑料的應用大致分為三大類:
A、塑(sù)料透鏡(包括工業、儀器用透鏡、眼鏡、非球麵(miàn)透鏡、棱鏡和菲涅耳透鏡等);
B、光盤及(jí)光學纖維;
C、其它功能性光學塑(sù)料元件。其應用範圍越來越廣泛;
(2)、 常見的光學塑料
在世界範圍內,光(guāng)學塑料品種(zhǒng)已有上百種,但真正用到工業開發,應用麵廣(guǎng)的品種並不多,據統計約十多種,
如PMMA、PS、PC、SAN、CR-39、TPX等。
各(gè)種(zhǒng)文獻報道的(de)新品種非常(cháng)多,日本就有s-16、KT-153、TS-26等。最近日本開發出一種聚烯經樹脂,
是(shì)用作光盤的新材料,它的相對密度小,僅1.01,耐熱性好(Tg為140℃),透光率為90%。光學塑料的發展日新月異。
(3)、光學塑料的類型
據受熱後的性能變化,光學塑料可分為兩大類:
①熱(rè)塑性光(guāng)學塑料:熱塑性(xìng)塑料是指可以多次反複加熱仍有可塑(sù)性的塑料(liào),如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(zhǐ)(PS)均屬熱塑性塑料。
②熱固性光(guāng)學塑料:熱固性(xìng)塑料是由加熱固化的合成樹脂製成的塑料,常見的如(rú)CR-39樹(shù)脂(zhī)鏡片,環氧光學塑料。
(4)、光學塑(sù)料的優點
A、成型方(fāng)便、成(chéng)本低(約為玻璃(lí)的1/10~1/30);
B、耐衝擊強度高(光學(xué)塑料的衝擊強度達25x103N·m/m2,比光學玻(bō)璃大10倍.經得起撞擊和跌落,不易破(pò)損)
C、相對密度小,重量輕:光學塑料的相對密(mì)度(dù)為0.83-1.46,而玻璃的相對密度為2.5-3.0,即塑料比玻璃輕一倍,這對軍用光學儀器有特殊意義。
D、透光率好(可見區和玻(bō)璃(lí)一樣,在紫外和紅外區比玻璃好)
E、抗溫度(dù)驟變能力強:在溫度低於塑料的軟化溫度時,不論溫度如何驟然變化,其光學性能(néng)不(bú)會有多大變化。
F、工藝性好,成(chéng)本低。
(5)、光學塑料的(de)缺(quē)點
①拆射率溫度(dù)梯度大.約為2×10-4/℃,對光(guāng)學係統特別不利;
②熱(rè)膨脹係數比玻璃(lí)大10>倍(bèi)左右;
③導熱性和耐熱性差,軟化溫度低,易變形,加(jiā)熱時會變形(xíng)和分解;
⑦不耐有機溶劑;
⑧耐磨性差;
⑥吸濕性嚴重;
⑦光學塑(sù)料的(de)折射率和色散係(xì)數沒有玻璃寬,因(yīn)此,選用(yòng)的餘地(dì)受限製。
◆主要內容(róng)
光學(xué)材料(liào)
光學玻璃、光學晶體、光學(xué)塑料