半自動(dòng)光學(xué)玻璃超聲波清洗機(jī)

文章出處：“涂布在線資訊”公眾號(hào)

定義

能改變光的傳播方向，并能改變紫外、可見或紅外光的相對(duì)光譜分布的玻璃。狹義的光學(xué)玻璃是指無色光學(xué)玻璃；廣義的光學(xué)玻璃還包括有色光學(xué)玻璃、激光玻璃、石英光學(xué)玻璃、抗輻射玻璃、紫外紅外光學(xué)玻璃、纖維光學(xué)玻璃、聲光玻璃、磁光玻璃和光變色玻璃。光學(xué)玻璃可用于制造光學(xué)儀器中的透鏡、棱鏡、反射鏡及窗口等。由光學(xué)玻璃構(gòu)成的部件是光學(xué)儀器中的關(guān)鍵性元件。

分類

無色光學(xué)玻璃

對(duì)光學(xué)常數(shù)有特定要求，具有可見區(qū)高透過、無選擇吸收著色等特點(diǎn)。按阿貝數(shù)大小分為冕類和火石類玻璃，各類又按折射率高低分為若干種，并按折射率大小依次排列。多用作望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)等的透鏡、棱鏡、反射鏡等。

防輻照光學(xué)玻璃

對(duì)高能輻照有較大的吸收能力，有高鉛玻璃和CaO-B2O2系統(tǒng)玻璃，前者可防止γ射線和X射線輻照，后者可吸收慢中子和熱中子，主要用于核工業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等作為屏蔽和窺視窗口材料。

耐輻照光學(xué)玻璃

在一定的γ射線、X射線輻照下，可見區(qū)透過率變化較少，品種和牌號(hào)與無色光學(xué)玻璃相同，用于制造高能輻照下的光學(xué)儀器和窺視窗口。

有色光學(xué)玻璃

又稱濾光玻璃。對(duì)紫外、可見、紅外區(qū)特定波長有選擇吸收和透過性能，按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰3類；按著色機(jī)理分為離子著色、金屬膠體著色和硫硒化物著色3類，主要用于制造濾光器。

紫外和紅外光學(xué)玻璃

在紫外或紅外波段具有特定的光學(xué)常數(shù)和高透過率，用作紫外、紅外光學(xué)儀器或用作窗口材料。

光學(xué)石英玻璃

以二氧化硅為主要成分，具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能好等特點(diǎn)，用于制造對(duì)各種波段透過有特殊要求的棱鏡、透鏡、窗口和反射鏡等。此外，還有用于大規(guī)模集成電路制造的光掩膜板、液晶顯示器面板、影像光盤盤基薄板玻璃；光沿著磁力線方向通過玻璃時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的磁光玻璃；光按一定方向通過傳輸超聲波的玻璃時(shí)，發(fā)生光的衍射、反射、匯聚或光頻移的聲光玻璃等。

光學(xué)玻璃冷加工技術(shù)及質(zhì)量要求

光學(xué)玻璃和其它玻璃的不同之點(diǎn)在于它作為光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，必須滿足光學(xué)成象的要求。

其冷加工技術(shù)是利用化學(xué)氣相熱處理手段以及單片鈉鈣硅玻璃來改變其原來分子結(jié)構(gòu)而不影響玻璃原有顏色及透光率，使其達(dá)到超硬度標(biāo)準(zhǔn)，在高溫火焰沖擊下以滿足防火要求的超硬度防火玻璃及其制造方法、專用設(shè)備。它是由下述重量配比的組份制成：鉀鹽蒸氣(72%～83%)、氬氣(7%～10%)、氣態(tài)氯化銅(8%～12%)、氮?dú)?2%～6%)。

它包含以下工藝流程：以鈉鈣硅玻璃為基片進(jìn)行切割，精磨邊的冷加工→對(duì)冷加工后的鈉鈣硅玻璃進(jìn)行化學(xué)氣相熱處理→將鈉鈣硅玻璃表面進(jìn)行鍍防火保護(hù)膜的處理→將鈉鈣硅玻璃表面進(jìn)行特種物理鋼化處理。由缸體及其與之相套合的缸蓋、與缸蓋一體連接的反應(yīng)釜構(gòu)成專用熱分解氣化設(shè)備。

對(duì)光學(xué)玻璃質(zhì)量有以下要求：

一、特定的光學(xué)常數(shù)以及同一批玻璃光學(xué)常數(shù)的一致性

每一品種光學(xué)玻璃對(duì)不同波長光線都有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)折射率數(shù)值，作為光學(xué)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的依據(jù)。所以工廠生產(chǎn)的光學(xué)玻璃的光學(xué)常數(shù)必須在這些數(shù)值一定的容許偏差范圍以內(nèi)，否則將使實(shí)際的成象質(zhì)量與設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)期的結(jié)果不符而影響光學(xué)儀器的質(zhì)量。同時(shí)由于同批儀器往往采用同批光學(xué)玻璃制造，為了便于儀器的統(tǒng)一校正，同批玻璃的折射率容許偏差要較它們與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差更加嚴(yán)格。

二、高度的透明性

光學(xué)系統(tǒng)成象的亮度和玻璃透明度成比例關(guān)系。光學(xué)玻璃對(duì)某一波長光線的透明度以光吸收系數(shù)Kλ表示。光線通過一系列棱鏡和透鏡后，其能量部分損耗于光學(xué)零件的界面反射而另一部分為介質(zhì)(玻璃)本身所吸收。前者隨玻璃折射率的增加而增加，對(duì)高折射率玻璃此值甚大，如對(duì)重燧玻璃一個(gè)表面光反射損耗約6%左右。

因此對(duì)于包含多片薄透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，提高透過率的主要途徑在于減少透鏡表面的反射損耗，如涂敷表面增透膜層等。而對(duì)于大尺寸的光學(xué)零件如天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡等，由于其厚度較大，光學(xué)系統(tǒng)的透過率主要決定于玻璃本身的光吸收系數(shù)。通過提高玻璃原料的純度以及在從配料到熔煉的整個(gè)過程中防止任何著色性雜質(zhì)混入，一般可以使玻璃的光吸收系數(shù)小于0.01(即厚度為1厘米的玻璃對(duì)光透過率大于99%)。

三非線性光學(xué)玻璃

非線性光學(xué)玻璃由于與現(xiàn)有的光纖系統(tǒng)具有相容性和較快的響應(yīng)速度，因而引起人們的極大興趣。目前的研究工作集中于各種不同的玻璃系統(tǒng)，利用不同的非線性機(jī)制來提高非線性性能。由于光頻隨材料中電子的轉(zhuǎn)移或躍遷會(huì)表現(xiàn)出共振和非共振兩種情況，故三階非線性光學(xué)玻璃材料也可分為共振型和非共振型兩類。

1非共振型

雖然均質(zhì)玻璃的值較低，但由于其具有較小的吸收系數(shù)和較短的響應(yīng)時(shí)間而使其品質(zhì)因數(shù)較高而格外引人注目。其中為非線性折射率，為響應(yīng)時(shí)間或1皮秒(取其長者)，是線性吸收系數(shù)。

在所有均質(zhì)玻璃中，都或多或少存在三階非線性光學(xué)效應(yīng)。通常具有高密度﹑高線性折射率的玻璃具有較高的非線性極化率。要獲得高密度﹑高折射率玻璃的方法是向玻璃中添加具有高折射度的調(diào)整體或引入易極化的重金屬氧化物，如PbO﹑Bi2O3﹑Nb2O3﹑TeO2、R2O3(R=La,Pr,Nd,Sm)等，或引入重金屬鹵化物，如KX(X=Cl,Br,I)、PbCl2等。硫系玻璃通常具有相對(duì)較大的三階非線性極化率，最大值A(chǔ)s-S-Se為1.4×10-11esu,差不多是SiO2玻璃的500倍。

然而由于硫系玻璃的本征吸收最小值位于4～6mm，在1.06mm波長測(cè)得的有相當(dāng)部分屬于共振吸收分量，且通訊領(lǐng)域主要使用1.31和1.55mm兩個(gè)窗口作為通信通道，而使其全光開關(guān)應(yīng)用受到限制。但最近研究表明，重金屬鹵化物的引入會(huì)使硫系玻璃透射區(qū)同時(shí)向長波和短波方向擴(kuò)展，如GeS2-Ga2S3-KX(X=Cl,Br)系光透過范圍在0.45～11.5mm之間，且透過率高達(dá)80%以上(4mm樣品)，由于重金屬鹵化物具有大的極化率，硫系玻璃引入鹵化物會(huì)增加玻璃結(jié)構(gòu)的堆積密度，從而使玻璃具有很好的三階非線性光學(xué)性能，而使新型硫鹵玻璃成為全光開關(guān)的最佳候選材料之一。

另外在氧化物玻璃中，Bi2O3基玻璃和碲酸鹽玻璃的三階非線性極化率較高，由于其本征吸收最小值靠近通信信道波長，也被認(rèn)為是全光開關(guān)的最佳候選材料之一。

為了在長的作用范圍保持高功率密度，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)予以考慮，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以低維形狀(纖維或薄膜)出現(xiàn)，并使集成化而將成為全光開關(guān)、光放大器等光子器件的物質(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)報(bào)道，日本科學(xué)家Asobe等人在1.5mm波長處已實(shí)現(xiàn)了100GHZ信號(hào)處理的響應(yīng)時(shí)間小于5皮秒的As2S3單模光纖應(yīng)用于光學(xué)克爾開關(guān)，光纖長度約1m。

一個(gè)最常見的利用硫系玻璃光纖的光學(xué)轉(zhuǎn)換開關(guān)是非線性光學(xué)迴路鏡，它是利用改變非線性光學(xué)折射率的原理來產(chǎn)生兩個(gè)光波間的干涉，能很好的減小全光開關(guān)的轉(zhuǎn)換功率。為了更好的減小開關(guān)功率損耗，應(yīng)用啁啾光柵作為群速度色散補(bǔ)償技術(shù)一直是科學(xué)家們努力的方向。

然而在未來光信號(hào)的高比特率處理﹑大規(guī)模光路的集成化等發(fā)展趨勢(shì)上，光纖仍有諸多不足之處。許多科學(xué)家也在努力探索用半導(dǎo)體制成的以微小集成電路塊為基礎(chǔ)的器件來取代非線性光學(xué)迴路鏡中的長光纖部分，但其主要缺陷是響應(yīng)速度不是很快。

另外對(duì)一些低值的玻璃，如氟化物玻璃，其在非線性應(yīng)用方面(如激光玻璃)頗有吸引力。在高能激光系統(tǒng)中，強(qiáng)光束通過介質(zhì)傳播引起折射率變化，產(chǎn)生光束自聚焦(<0)或自散焦(>0)，在這種情況下要求介質(zhì)具有小的值。

2共振型

在玻璃中摻入某些光電性能較佳的物質(zhì)能顯著提高非線性光學(xué)效應(yīng)，這些摻雜體常用半導(dǎo)體微晶、金屬顆粒及有機(jī)物等，而玻璃作為摻雜體的色散介質(zhì)使用。

近年來，當(dāng)半導(dǎo)體多量子阱和超晶格出現(xiàn)后，半導(dǎo)體及金屬顆粒摻雜玻璃的研究成為熱點(diǎn)。這種玻璃也叫量子點(diǎn)玻璃，通常摻雜顆粒尺寸小于10nm，表現(xiàn)出共振增強(qiáng)的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間約為10-11s，同時(shí)由于它們與波導(dǎo)制備技術(shù)相容而被拉成光纖，因此受到重視。

其產(chǎn)生機(jī)制可歸因?yàn)榧{米粒子的量子尺寸效應(yīng)，即介質(zhì)因光吸收產(chǎn)生電子-空穴，獨(dú)立的或以激子的形式封閉在顆粒的狹小空間中，電子態(tài)呈現(xiàn)量子化分布，從而引起顆粒周圍場(chǎng)強(qiáng)的增加和非線性光學(xué)效應(yīng)的提高。1983年，Jain和Lind首先研究了摻雜CdSxSe1-x半導(dǎo)體微晶玻璃的非線性光學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這類玻璃表現(xiàn)出共振增強(qiáng)的三階光學(xué)非線性，可通過調(diào)節(jié)S和Se的比例控制介質(zhì)的禁帶寬度，廣泛應(yīng)用于截止濾光片中。

除CdSxSe1-x外，含CdS、CdSe、CdTe、CuCl、CuBr、PbS等半導(dǎo)體及摻Au、Ag、Cu等金屬顆粒的玻璃也表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)。通常顆粒尺寸越小，非線性效應(yīng)越大。如果要獲得較小的顆粒尺寸和較高的顆粒濃度，常采用溶膠-凝膠法制備。

對(duì)有機(jī)物摻雜玻璃的研究也已成為熱點(diǎn)，雖然有機(jī)物本身也可表現(xiàn)出很高的共振非線性性能和超快響應(yīng)時(shí)間，但其難以制成要求的形狀，且存在穩(wěn)定性和重復(fù)性差、工作溫度低、壽命短等缺點(diǎn)，大大限制了使用范圍。顯然，其缺點(diǎn)可通過將有機(jī)物結(jié)合到具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度及較高化學(xué)穩(wěn)定性的無機(jī)材料(如玻璃)中加以克服，使有機(jī)活性組分的性能得到充分發(fā)揮。

其制備也可用sol-gel法，通常有兩種方法可將有機(jī)物摻入到玻璃中：(1)將有機(jī)物溶解到溶膠-凝膠溶液中，當(dāng)凝膠形成時(shí)，有機(jī)分子被玻璃骨架捕獲，從而獲得最好的穩(wěn)定性;(2)將有機(jī)物分散到多孔凝膠中，經(jīng)干燥和熱處理獲得有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料。但其共同缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)光均勻復(fù)合。

為了制得光學(xué)性能均勻的復(fù)合材料，錢國棟等人采用新型的原位合成化學(xué)復(fù)合法，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物和無機(jī)物的有效復(fù)合。另外，有機(jī)改性硅酸鹽也可作為CdS微晶的框架，形成含微晶體、有機(jī)物及無機(jī)物的多組分復(fù)合非線性材料。

發(fā)展

光學(xué)玻璃的發(fā)展和光學(xué)儀器的發(fā)展是密不可分的。光學(xué)系統(tǒng)新的改革往往向光學(xué)玻璃提出新的要求，因而推動(dòng)了光學(xué)玻璃的發(fā)展，同樣，新品種玻璃的試制成功也也往往反過來促進(jìn)了光學(xué)儀器的發(fā)展。

最早被人們用來制作光學(xué)零件的光學(xué)材料是天然晶體，據(jù)稱古代亞西利亞用水晶作透鏡，而在古代中國則應(yīng)用天然電氣石（茶鏡）和黃水晶?？脊偶易C明公元三千年前在埃及和我們（戰(zhàn)國時(shí)代）人們已能制造玻璃。但是玻璃作為眼鏡和鏡子還是十三世紀(jì)在威尼斯開始的。

恩格斯在“自然辨證法”中對(duì)此曾給予很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是當(dāng)時(shí)的卓越發(fā)明之一。此后由于天文學(xué)家與航海學(xué)的發(fā)展需要，伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃制造了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡。從十六世紀(jì)開始玻璃已成為制造光學(xué)零件的主要材料了。

到了十七世紀(jì)，光學(xué)系統(tǒng)的消色差成為光學(xué)儀器的中心問題。這時(shí)由于改進(jìn)了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化鉛，赫爾才于1729年獲得第一對(duì)消色差透鏡，從此，光學(xué)玻璃就被分為冕牌和燧石玻璃兩個(gè)大類。

1768年紀(jì)南在法國首先用粘土棒攪拌的方法制得了均勻的光學(xué)玻璃，從而開始建立了獨(dú)立的光學(xué)玻璃制造工業(yè)。在十九世紀(jì)中葉，幾個(gè)發(fā)達(dá)的資本主義國家都先后建立了自己的光學(xué)玻璃工廠，如法國帕臘-芒圖公司（1872年）、英國錢斯公司（1848）、德國蕭特公司(1848)等。

十九世紀(jì)光學(xué)儀器有很大發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)前夕，德國為了迅速發(fā)展軍用光學(xué)儀器，要求打破光學(xué)玻璃品種貧乏的限制。這時(shí)，著名物理學(xué)家阿員參加了蕭特廠的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO，B2O3,ZnO，P2O3等，并且研究了它他對(duì)玻璃光學(xué)常數(shù)的影響。

在這基礎(chǔ)上，發(fā)展了鋇冕、硼冕、鋅冕等類型玻璃，同時(shí)也開始試制了特殊相對(duì)部分色散的燧石玻璃。在這時(shí)期內(nèi)，光學(xué)玻璃品種有了很大的擴(kuò)展，因而在光學(xué)儀器方面出現(xiàn)了較完整的照相機(jī)及顯微鏡物鏡。

直至二十世紀(jì)三十年代以前，大部分工作仍在蕭特廠基礎(chǔ)上進(jìn)行。到1934年獲得了一系列重冤玻璃，如德國號(hào)SK-16（620/603）及SK-18（639/555）等。到此為止，可以認(rèn)為是光學(xué)玻璃發(fā)展的一個(gè)階段。

二次世界大戰(zhàn)前后，隨著各種光學(xué)儀器如航空攝影，紫外與紅外光譜儀器、高級(jí)照相物鏡等的發(fā)展，對(duì)光學(xué)玻璃又產(chǎn)生了新的需要。這時(shí)，光學(xué)玻璃也就相應(yīng)地有了新的發(fā)展。

1942年，美國摩萊（Morey）及以后蘇聯(lián)與德國的科學(xué)工作者都相繼把稀士及稀散氧化物引入玻璃中，因而擴(kuò)大了玻璃品種，得到了一系列高折射率低色散的光學(xué)玻璃，如德國LaK,LaF，蘇聯(lián)CTK及ТЬФ等品種系列。與此同時(shí)，也進(jìn)行了低折射率大色散玻璃的研究并得到一系列氟鈦硅酸鹽系統(tǒng)的光學(xué)玻璃，如蘇聯(lián)ЛФ-9，ЛФ-12，德國F-16等品種。

由于各種新品種光學(xué)玻璃在加工或使用性能上或多或少地存在著缺陷，因此在研究擴(kuò)展光學(xué)玻璃領(lǐng)域的同時(shí)，還針對(duì)改善各種新品種光學(xué)玻璃的物理和物理化學(xué)性質(zhì)。以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了許多工作。

綜觀以上歷史發(fā)展的過程，可以預(yù)言今后光學(xué)玻璃的發(fā)展方向是：

①制得特別高折射率的玻璃；

②制得特殊相對(duì)部分色散的玻璃；

③發(fā)展紅外及紫外光學(xué)玻璃；

④取代玻璃中某些不良的成分如放射性的THO2，有毒的BcO，Sb2O3等；

⑤提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性；

⑥提高玻璃透明度和防止玻璃輻射著色；

⑦改進(jìn)工藝過程，降低新品種玻璃價(jià)格。