Файл: Оптические материалы и заводы оптического стекла.pdf

Оптические материалы и заводы оптического стекла
Оптические материалы:первоначально под понятием оптические материалы подразумевались исключительно оптические неорганические стекла на основе кремнезема
SiO2.
К оптическим материалам относят:
• Стекло оптическое, бесцветное;
• Оптическое цветное стекло;
• Оптическое кварцевое стекло;
• Оптические ситаллы;
• Лазерные стекла;
• Оптические кристаллы;
• Оптическую керамику;
• Оптические термопластмассовые материалы;
• Металлооптику.
Заводы оптического стекла:оптические материалы производятся на заводах оптического стекла (ЗОС). Действующие в РФ ЗОС:
• ОАО ЛЗОС (Лыткаринский Завод Оптического Стекла);
• Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.
И. Вавилова (бывший «ЛенЗОС»);
• Гусевский стекольный завод.
Основные параметры оптических материалов
I.
Базовые оптические постоянные материалов. Определяются оптико-физическими свойствами веществ, входящих в их состав. Используются при расчете оптических систем.
II. Параметры, характеризующие качество оптических материалов. Определяются технологией их производства. Они определяют работоспособность оптических систем.
III. Параметры, определяемые химическим составом оптических материалов. Не нормируются
ГОСТом и имеют фиксированные значения.
Базовые оптические постоянные материалов (ГОСТ 23136–93)

Параметры, характеризующие качество оптических материалов (ГОСТ 23136–93)
Показатель преломления – безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах.
• n е
или n d
или n
D
(е – линия в спектре Hg с  = 0,54607 мкм; d – линия гелия с λ=0,58756мкм;
D – линия в спектре Na с  = 0,5893 мкм).
• n i
(i – линия в спектре Hg с  = 0,365 мкм) для материалов, используемых в ультрафиолетовой области спектра.
• n
1.06
или n
10.6
(1,06 мкм– линия излучения Nd (в лазере Nd:YAG); 10,6 мкм – линия излучения
CO
2
(в CO
2
лазере)) для материалов, используемых в инфракрасной области спектра.
Коэффициент дисперсии
Дисперсия света – совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или от длины волны).
• Для материалов, прозрачных в видимой области спектра:
????
????
=
????
????
′
− 1
????
????
′
− ????
????
′
, ????
????
=
????
????
− 1
????
????
− ????
????
• Для материалов, используемых в ультрафиолетовой области спектра:
????
ℎ
=
????
ℎ
− 1
????
????
− ????
????
• Для материалов, используемых в инфракрасной области спектра:
????
10,6
=
????
10,6
− 1
????
8,0
− ????
12,5
где ???? – линия в спектре Hg с , равной 0,54607 мкм, ????
′
,
????
′
– линии в спектре Cd с , равными соответственно
0,47999 и 0,6438 мкм. ????, ℎ, ????  линии в спектре Hg c , равными соответственно 0,3650, 0,40466 и 0,43583 мкм.
????, ???? – линия в спектре Н
2
с , равными соответственно
0,48613 и 0,65628 мкм.

Показатель ослабления — величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующий параллельный пучок, уменьшается за счет поглощения и рассеяния в среде в некоторое заранее оговоренное число раз. Используются два значения степени ослабления: 10 и e раз (μ и μ’ соответственно).
Спектральный показатель ослабления μ(λ) и μ’(λ) - зависимость показатель ослабления от длины волны приводится в виде соответствующих графиков.
Так же к базовым оптическим постоянным материалов относятся:
Граница пропускания.Характеризуется длиной волны λ
гр
, при которой спектральный коэффициент пропускания материала равен 0,50 при заданной толщине слоя.
Показатели, характеризующие особое оптическое свойство.К ним относят: характеристики люминесценции, мелкозернистую неоднородность, дозиметрические характеристики, ориентацию осей, блочность кристаллов и т. д.
Радиационно-оптическая устойчивость.Радиационнооптическая устойчивость (РОУ) оценивалась путем сопоставления оптической плотности до и после гамма-облучения.
Классы А, Б, В рекомендуется применять для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм (табл. слева). Класс В рекомендуется применять для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм (табл. справа).
По однородности по спектральному показателю ослабления устанавливается два класса, характеризуемые величиной [μ
max
(λ) – μ
min
(λ)]/μ
max
(λ) в пределах светового диаметра заготовки
(детали).
Оптическая однородность:
• Для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм устанавливается пять категорий, характеризуемых разрешающей способностью при λ = 0,55 мкм.
• Для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной более 150 мм устанавливается пять категорий, характеризуемых сочетанием параметров неоднородности показателя преломления (К
ф
– характеризует неоднородность показателя преломления, возникающую в процессе отжига; ΔК – характеризует асимметричные относительно оси заготовки неоднородности показателя преломления, возникающие в процессе отжига; К
x
– характеризует неоднородность показателя преломления, возникающую в процессе варки и разделки стекломассы).
Двулучепреломление — оптическое свойство анизотропных материалов, в которых показатель преломления зависит от направления распространения света. В таких материалах может наблюдаться эффект расщепления луча света на две составляющие, когда при попадании в материал образуется не один, а два преломленных луча с разным направлением и поляризацией.
• Установлено шесть категорий, характеризуемых разностью хода двух лучей при длине волны 0,55 мкм, на которые разделяется падающий луч под воздействием внутренних напряжений при прохождении в направлении наибольшего размера заготовки. Место и направление измерения разности хода обозначены на рисунке.

•
Допускается устанавливать пять категорий, характеризуемых разностью хода двух лучей при длине волны 0,55 мкм, измеряемой в месте и в направлении, указанном на рисунке.
Дефекты
Свили – прозрачные участки стекла, отличающиеся по показателю преломления от окружающей массы стекла и имеющие форму нитей, лент и слоистых потоков, небольших сфер с отходящими от них нитями. По бессвильности оптические материалы характеризуют по оценке длины свили, расстояния между ними, площади, занятой свилями, глубины их залегания и т. д.
В бесцветном и цветном стекле
1-й и
2-й категорий допускаются узловые свили длиной
≤ 10 мм в количестве ≤ 10 шт. /кг
Пузырь (в стекле) – дефект стекла в виде полости различного размера (заполнены газом).
Пузыри могут быть первичными, т. е. образовавшиеся в процессе варки и не удалённые в процессе осветления, и вторичными, образовавшимися в осветлённой стекломассе в результате её вторичного разогрева.
Первичный пузырь – образовавшийся в процессе варки и не удалённый в процессе осветления.
Вторичный пузырь – образовавшийся в осветлённой стекломассе в результате её вторичного разогрева.
Наборный пузырь – образовавшийся, во время набора порции стекломассы в процессе выработки изделия.
Мошка – пузырь в стекле, размеры которого не превышают 1.0 мм.
Закрытый пузырь – удалённый от поверхности изделия, целостность стенок которого не нарушена.
Открытый пузырь – расположенный близко к поверхности изделия, одна из стенок которого нарушена.
Качество по пузырности определяется с учётом видимости пузыря и возможности подсчёта пузырей в заготовке.

Инородное включение – дефект стекла (или другого оптического материала), представляющий собой твердое непрозрачное включение, отличающееся от окружающего оптического материала физико- химическими свойствами.
Огнеупорный камень – инородное включение в стекле в виде частиц огнеупорных изделий (куски горшка или мешалки).
Шихтный камень – инородное включение в стекле от непроваренных компонентов шихты.
Окалина – маленький кусочек оксида металла или угля, заключенный в стекле.
Черная точка – черное включение в стекле, вызванное рудой, содержащей хром и железо.
Камень кристаллизации (расстекловывание; рух) – инородное включение, имеющее кристаллическую структуру в результате кристаллизации стекломассы.
Для оптического бесцветного и цветного стекол включения приравниваются к пузырям, для остальных оптических материалов нормируются в соответствии с допустимым их размером.
По включениям устанавливают пять категорий, характеризуемых размером наибольшего включения, допустимого в заготовке в 100 см3 сырьевого материала.
Параметры, определяемые химическим составом оптических материалов:
Термооптические характеристики:
удельная теплоёмкость; коэффициент теплопроводности; температурный коэффициент линейного расширения; температурный показателя преломления; термооптические постоянные; удельная теплоемкость; теплопроводность; термостойкость; значения температуры отжига и спекания.
Механические характеристики:плотность; прочностные свойства (модуль упругости; модуль сдвига; коэффициент поперечной деформации); твёрдость; фотоупругие свойства.
Химические характеристики: химическая устойчивость.
Магнитные и электрические характеристики:
магнитооптическая постоянна; диэлектрическая проницаемость; удельное сопротивление.
Оптическое стекло и основы его производство
Твёрдое агрегатное состояние может иметь кристаллическую структуру, а может быть аморфно (отсутствует строгое расположение частиц).
Характерные особенности аморфных тел:
1. Отсутствует строгое расположение частиц, нет кристаллической решётки.
2. Нет строго определенной температуры плавления.
Стекло – твёрдый аморфный материал, получаемый в процессе переохлаждения расплава.
Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. Стекло не плавится при нагревании, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое.
Стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Оптическое стекло – основной оптический материал.
Основные отличительные признаки:
1. Высокая однородность;
2. Высокая прозрачность (К
А
˂0,4%);
3. Большой интервал значений показателей преломления света
(1,44–2,35) и строгая воспроизводимость показателей преломления независимо от времени и места изготовления стекла. Интегральный коэффициент светопоглощения КА – отношение потока белого

света, поглощенного стеклом на пути 1 см, к световому потоку в начале этого пути, выражается в процентах.
Производство оптического стекла:
1. Выбор и подготовка сырьевых материалов (подготовка сырьевых компонентов и получение шихты);
2. Варка стекла (включает и процесс производства стекловаренных горшков и мешалок);
3. Тонкий отжиг оптического стекла.
Сырьевые материалы: в качестве сырьевых материалов стекловарения используются как продуктами химической промышленности, так и природные материалы (Главные и
Вспомогательные).
Главные сырьевые материалы служат для введения в стекломассу стеклообразующие вещества.
Вспомогательные сырьевые материалы служат для осветления, окрашивания, ускорения варки стекла, улучшения качества стекломассы и т.д.
Стеклообразующие вещества: кислотные, щелочные щелочноземельные окислы (SiO
2
,
B
2
О
3
, P
2
О
5
, GeO
2
, As
2
О
3
, Sb
2
О
3
), халькогениды (As
2
S
3
, As
2
Se
3
), фториды (BeF
2
), хлориды (ZnCl
2
).
Введение одного и того же элемента в стекло может осуществляться через различные соединения: окислы, гидроокиси, соли.
Стеклообразующие кислотные окислы:
1. Двуокись кремния (кремнезем) SiO
2
– главный компонент большинства оптических стекол. Для ввода используют природный кристаллический кварц (горный хрусталь) и синтетическую двуокись кремния. Содержание SiO
2
в кусковом кварце должно быть не менее 99,5%.
2. Борный ангидрид B
2
О
3
способствует осветлению стекломассы, увеличивает скорость провара, снижает склонность стекла к кристаллизации.
3. Окись алюминия (глинозем) Al
2
О
3
уменьшает показатель преломления и среднюю дисперсию, снижает склонность стекломассы к кристаллизации, увеличивает механическую прочность, термическую и химическую стойкость стекол.
4. Двуокись германия GeO
2
и Двуокись теллура TeO
2
увеличивают светопропускание в инфракрасной области.
5. Двуокись циркония ZrO
2
повышает химическую стойкость стекла, увеличивает показатель преломления, уменьшает коэффициент термического расширения.
Стеклообразующие щелочные окислы:
1. Окись натрия Na
2
О — важнейшая составная часть большинства стекол. Вводят в шихту посредством соды Na
2
СО
3
и селитры NaNO
3
. Na
2
О ускоряет стеклообразование, понижает температуру варки стекла и облегчает процесс удаления пузырей из стекломассы.

2. Окись калия K
2
О вводят в шихту в виде поташа K
2
СО
3
или калиевой селитры KNO
3
K
2
О снижает склонность стекла к кристаллизации, значительно увеличивает среднюю дисперсию.
3. Окись лития Li
2
О чаще всего вводят в виде углекислого лития Li
2
СО
3
. Он понижает коэффициент термического расширения стекла, облегчает его провар.
Щелочноземельные и некоторые другие окислы:
1. Окись кальция CaO – одна из важнейших составных частей стекла. Вводится в шихту посредством углекислого кальция (мела) CaCO
3
. CaO облегчает варку стекла и содействует осветлению стекломассы, придает стеклу химическую стойкость.
2. Окись магния MgO вводят в шихту посредством магнезита MgCO
3
. MgO повышает химическую стойкость и механическую прочность стекла, снижает его склонность к кристаллизации, увеличивает среднюю дисперсию.
3. Окись бария BaO вводят в шихту в виде азотно-бариевой соли Ba(NO
3
)
2
и углекислого бария BaCO
3
. BaO увеличивает показатель преломления.
4. Окись бериллия BeO увеличивает прозрачность стекла в ультрафиолетовой области, повышает коэффициент преломления и термическую стойкость.
5. Окись свинца PbO вводят в шихту в виде свинцового глета PbO или свинцового сурика
Pb3O4. Свинцовые стекла имеют самый высокий показатель преломления и большую плотность.
Вспомогательные сырьевые материалы:
Осветлители способствуют осветлению стекломассы в процессе ее варки, т. е. освобождению стекломассы от газовых включений – пузырей. К таким материалам относят трехокись сурьмы Sb
2
О
3
, хлористый NaCl, трехокись мышьяка As
2
О
3
Красители – соединения металлов, растворимые в стекломассе (молекулярные красители), или образующие в ней взвешенные микрочастицы металлов и их соединений (коллоидные красители).
Глушители – материалы, которые придают стеклам свойство рассеивать свет и казаться полупрозрачными (опалесцирующими) или делают их полностью непрозрачными (глушеными).
К глушителям относят фтористые соединения (Nа
2
SiF
6
, Na
3
AlF
6
), соединения олова и фосфора.
Окислители и восстановители – соединения, используемые для регулирования условий варки оптических стекол. Окислительное действие оказывают баритовая, натриевая и калиевая селитры (Ba(NO
3
)
2
, NaNO
3
, KNO
3
), а также оксиды мышьяка, сурьмы и церия. В качестве восстановителя применяют углерод, вводимый в шихту в виде древесного угля или кокса, калиевые соли, соединения олова, а также алюминий и магний.
Получение шихты
Шихта – смесь для варки стекла заданного состава.
Шихта представляет собой однородную смесь предварительно подготовленных и отвешенных в определенном соотношении сырьевых материалов и сортированного боя стекла, состоящего из измельченных, очищенных от загрязнений и включений, отходов стекла предыдущих варок.
Этапы приготовления шихты:
1. Подготовка сырьевых материалов (приведение их в соответствие с требованиями по зерновому составу и чистоте).
2. Подготовка боя (сортировка, измельчении и очистка).
3. Смешивание компонентов шихты.
Требования, предъявляемые к шихте:
1. Зерновой состав: размеры зерен для каждого вида сырья различны. Чем больше плотность вещества, тем больше его измельчают.
2. Чистота компонентов. В шихте не должно быть инородных включений.
3. Влажность. Должна быть от 3 до 8%.