半自動光學(xué)玻璃超聲波清洗機適用范圍

文章出處：“涂布在線資訊”公眾號

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。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、照相機等的透鏡、棱鏡、反射鏡等。

防輻照光學(xué)玻璃

對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、機械強度高、化學(xué)性能好等特點，用于制造對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，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在于它作為光學(xué)系統(tǒng)的一個組成部分，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%)、氮氣(2%～6%)。

它包含以下工藝流程：以鈉鈣硅玻璃為基片進行切割，精磨邊的冷加工→對冷加工后的鈉鈣硅玻璃進行化學(xué)氣相熱處理→將鈉鈣硅玻璃表面進行鍍防火保護膜的處理→將鈉鈣硅玻璃表面進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)計者設(shè)計光學(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)，否則將使實際的成象質(zhì)量與設(shè)計時預(yù)期的結(jié)果不符而影響光學(xué)儀器的質(zhì)量。同時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，對高折射率玻璃此值甚大，如對重燧玻璃一個表面光反射損耗約6%左右。

因此對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使硫系玻璃透射區(qū)同時向長波和短波方向擴展，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)報道，日本科學(xué)家Asobe等人在1.5mm波長處已實現(xiàn)了100GHZ信號處理的響應(yīng)時間小于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。

然而在未來光信號的高比特率處理﹑大規(guī)模光路的集成化等發(fā)展趨勢上，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。這種玻璃也叫量子點玻璃，通常摻雜顆粒尺寸小于10nm，表現(xiàn)出共振增強的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，響應(yīng)時間約為10-11s，同時由于它們與波導(dǎo)制備技術(shù)相容而被拉成光纖，因此受到重視。

其產(chǎn)生機制可歸因為納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強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。

對有機物摻雜玻璃的研究也已成為熱點，雖然有機物本身也可表現(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，大大限制了使用范圍。顯然，其缺點可通過將有機物結(jié)合到具有較強機械強度及較高化學(xué)穩(wěn)定性的無機材料(如玻璃)中加以克服，使有機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物摻入到玻璃中：(1)將有機物溶解到溶膠-凝膠溶液中，當(dāng)凝膠形成時，有機分子被玻璃骨架捕獲，從而獲得最好的穩(wěn)定性;(2)將有機物分散到多孔凝膠中，經(jīng)干燥和熱處理獲得有機-無機復(fù)合材料。但其共同缺點是難以實現(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，實現(xiàn)了有機物和無機物的有效復(fù)合。另外，有機改性硅酸鹽也可作為CdS微晶的框架，形成含微晶體、有機物及無機物的多組分復(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”中對此曾給予很高的評價，認(rèn)為這是當(dāng)時的卓越發(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。這時由于改進了玻璃成分，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，從而開始建立了獨立的光學(xué)玻璃制造工業(yè)。在十九世紀(jì)中葉，幾個發(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，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，同時也開始試制了特殊相對部分色散的燧石玻璃。在這時期內(nèi)，光學(xué)玻璃品種有了很大的擴展，因而在光學(xué)儀器方面出現(xiàn)了較完整的照相機及顯微鏡物鏡。

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)上進行。到1934年獲得了一系列重冤玻璃，如德國號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、高級照相物鏡等的發(fā)展，對光學(xué)玻璃又產(chǎn)生了新的需要。這時，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，也進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，因此在研究擴展光學(xué)玻璃領(lǐng)域的同時，還針對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改進工藝過程，降低新品種玻璃價格。