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光学玻璃是怎么制造的?(工艺步骤和分解)

发布时间:2023/11/10

光学玻璃可以通过将其定义为一组专门用于制造光学元件(如透镜、棱镜、分束器和光学窗口)的玻璃配方来进行描述。光学玻璃与钠钙玻璃等普通玻璃的区别在于,光学玻璃需要具有与其透光能力相关的特定性能特征,并且不会引入可能损害使用玻璃的系统的像差。制造光学玻璃的关键是仔细控制组成玻璃配方的化学成分,因为这些添加剂的存在将最终决定玻璃的光学性能,从而决定其性能。

光学玻璃

本文将介绍光学玻璃的制造方法,并回顾常用的光学玻璃的工艺步骤和类型。要了解更多关于其他类型玻璃的信息,请参阅我们的相关指南,了解玻璃的类型、性能和制造,钠钙玻璃与硼硅酸盐玻璃有什么区别?什么是硼硅酸盐玻璃及其用途?

光学玻璃性能

光学玻璃的特殊性能源于对与其应用相关的特定光学性能特性的需求。如果你考虑可以用来生产容器的普通玻璃,比如用来装饮料的水罐,那么玻璃在该应用中的预期性能可能与材料承受冰箱低温的能力有关。但几乎没有必要定义以这种方式使用的玻璃的具体光学特性。没有人关心光通过水罐玻璃的透射率,也没有人关心光线是否分散以及分散到什么程度。

然而,当你考虑光学玻璃的预期用途时,如摄影镜头、望远镜镜头和激光分束器,光学特性变得非常重要。性能差的摄影镜头会沿着从亮到暗的光强度边界产生彩色条纹,这当然不是摄影师认为的理想特征或高性能的标志。因此,光学玻璃的制造目标必须是从光的传输角度确保特定水平的性能,而其他类型的玻璃没有考虑到这一点。

在描述光学玻璃的制造方法之前,回顾一些与光行为和光学特性相关的术语并解释这些术语的含义是有用的。

光的性质和光学性质

我们知道光是电磁能的一种形式,它的行为可以像波或粒子。在考虑光学玻璃的设计时,光的波动通常被视为理解光学玻璃的性质及其对入射光能量影响的主要模型。

光学玻璃加工

光学玻璃制造工艺

光学玻璃的制造采用多步骤工艺,首先选择原材料化学元素,然后对这些化学元素进行测量和组合以形成玻璃配方。根据所制造的光学玻璃的具体类型及其预期应用,该工艺可能会有所不同,但从一般工艺的角度来看,用于制造光学玻璃的步骤可以概括为以下主要操作:

原料配料

融化

精炼/脱气

同质化

成型

退火

最初的原材料步骤包括选择、测量和组合特定光学玻璃配方所需的化学品。必须关注化学元素的纯度,因为铁等常见污染物会影响成品的光学性能。例如,这可能表现为对特定感兴趣波长的光的不需要的吸收,这种情况导致不可接受的性能,尤其是在涉及单色光源(例如激光器)的应用中。化学品的正确混合也至关重要,因为配方的不均匀性可能会导致玻璃折射率的变化或波动。

光学玻璃加工2

一旦化学物质被分批和混合,熔化过程就开始,混合物的温度升高,使化学物质混合到初始玻璃熔体中。随着温度升高,将形成对流,这将有助于液态玻璃熔体的一定程度的混合。

在熔化过程最高温度的精炼阶段,液态玻璃熔体表现出低粘度,这使得任何气泡都可以上升到表面。在此阶段可将精炼剂添加到玻璃中,玻璃会分解并产生氧气泡。氧气气泡将通过与熔体中的其他溶解气体结合来协助脱气过程,从而形成更大的气泡,这些气泡将更快地上升到熔体表面,从而更容易去除。高质量的光学玻璃必须不含气泡,因此精炼阶段在去除残留气体的过程中至关重要。

在均化阶段,降低温度,并连续搅拌熔体,以使所有组分均匀分布在整个玻璃熔体批料中。这里的目标是消除条纹,条纹代表材料内折射率与周围玻璃略有不同的局部区域。如前所述,光学玻璃性能是根据折射率来衡量的,其变化是控制成品玻璃所需光学性能的关键参数。在均化过程结束时,玻璃熔体的温度缓慢降低,以达到合适的粘度,从而形成玻璃毛坯。玻璃毛坯代表需要额外加工、精加工、成型的原始玻璃形状,

坯料的成形可以发生在所谓的连续或不连续过程中。连续成型具有在工艺流程中的不同位置执行成型玻璃所需的所有步骤。相比之下,不连续过程,也称为罐式熔化,涉及在同一物理空间但在不同时间点发生的所有过程。

在退火步骤中,将成形的玻璃降至室温,以便对毛坯进行后续生产操作。这些操作包括切割、研磨、抛光和成型。对于光学玻璃,可以使用精细退火工艺,该工艺需要使用退火炉来首先升高玻璃的温度并释放成型过程中可能产生的任何热应力。然后将玻璃以非常慢的速度(可能每小时低至零点几度)缓慢冷却至室温。经过精细退火的玻璃将表现出低残余应力双折射。双折射是玻璃和晶体的一种特性,根据玻璃相对于入射光能的方向,折射率具有不同的值。

玻璃在退火步骤中冷却后,毛坯将用于制造光学系统的成品,包括透镜、分束器、观察窗和其他类似产品。光学玻璃通常被表征为火石玻璃或冕玻璃。这两种玻璃之间的差异与其特性有关。火石玻璃是用铅生产的,往往比冕玻璃更致密。冕玻璃是使用较高浓度的氧化钾制造的,因此密度比火石玻璃低。

冕玻璃是那些表现出低色散的玻璃,其阿贝数通常大于 55。它们还具有低折射率。燧石玻璃是阿贝数低于 50、折射率相对较高、色散较高的玻璃。

光学玻璃的注意事项

选择光学玻璃需要考虑玻璃的光学、机械和热性能以及这些因素将如何影响应用。

其中考虑因素如下:

透明度——取决于玻璃配方中杂质的控制程度

均匀性 - 取决于工艺,需要适当的混合和缓慢冷却以实现最小的双折射

折射率 – 高折射率对于镜片应用很有用,因为它允许在镜片中使用较弱的曲率

色散 – 可以通过选择低色散玻璃选项(例如冕玻璃)来控制

密度——需要轻质光学器件时的一个重要考虑因素

硬度——高硬度提供了坚固性和耐用性,但缺点是玻璃更难以切割和抛光

熔点——具有较高熔化温度的光学玻璃可以进行高温操作,但也更难制造

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