光學冷加工-光學玻璃

1、光學玻璃,1.光學材料的概念,是指能夠制造成光學零件并應用于光學系統(tǒng)中，和光直接進行相互作用的物質(zhì) 廣義講：所有的物質(zhì)都和光有相互作用 狹義講：應用于光學系統(tǒng)中對光信息進行處理的材料 更簡要講：能夠?qū)饩哂懈咄干浠蚋叻瓷涮匦曰驅(qū)庑畔⒕哂懈淖冏饔玫牟牧?如對光的振幅（光強）、相位、頻率、波長（紅外光 0.7300um，可見光 380680nm，紫外光30380nm）、速度 （c=2.99792458m/s）、振動態(tài)（偏光、旋光） 、傳輸方向、光子數(shù),2.光學材料的種類,通常有四大類： 光學玻璃（無色光學玻璃、有色光學玻璃）應用最廣泛 光學塑料（有機高分子聚合物 : 合成樹脂、天然樹脂） 光學晶

2、體（天然晶體、人造晶體：偏振光晶體；旋光晶體、激光晶體、電光、 聲光、變頻、閃爍 ） 特種光學材料（光學陶瓷、微晶玻璃、梯度折射率材料（堿金屬硅酸鹽經(jīng)離子交換技術制成）、光學液體、光學纖維、紅外玻璃（鍺玻璃、鍺砷硒）、激光玻璃（氟磷酸鹽材料）、光記憶玻璃（硫化物）光著色材料（摻雜鹵化銀）、電著色材料（氧化鎢）、旋光玻璃（含鈰磷酸鹽玻璃）、聲光玻璃（含鉛碲化物）、低熔點玻璃（轉(zhuǎn)變溫度330度,3.固態(tài)物質(zhì),固體是指其內(nèi)部組成的質(zhì)點（原子、離子、分子）在三維空間的排列是固定不變的物質(zhì) 質(zhì)點在物質(zhì)內(nèi)部空間固定不變的排列，是質(zhì)點間的微觀作用力使它們處于平衡位置，形成穩(wěn)定的結構，原子的這種維系力稱為鍵，

3、 以化學結合力相維系時，稱為形成了化學鍵，由于原子得失電子的能力不同形成相互不同的化學鍵，典型的化學鍵有離子鍵（正負離子相互形成吸引）、共價鍵（原子間通過共用電子對方式形成作用）、金屬鍵（金屬中運動的自由電子能吸引所有陽離子，使它們之間緊密的結合） 分子之間普遍存在著范德華力，是一種非化學性的弱的相互作用力，通常稱為分子鍵（范德華鍵） 某些化合物中，氫原子能與分子內(nèi)或其它分子中的原子之間形成氫鍵。 固體按照質(zhì)點在三維空間的排列狀態(tài)：晶體、非晶態(tài)（無定形態(tài)）物質(zhì) 、微晶態(tài)物質(zhì)、多晶態(tài)物質(zhì),4.晶體,晶體：其內(nèi)部質(zhì)點（原子、離子、原子團、分子）在 三維空間里成周期重復排列。 自然界絕大多數(shù)物質(zhì)晶體

4、（巖鹽、砂子、金屬、食鹽、冰糖、明礬、冰、云母、水晶等等） 根據(jù)鍵性的不同分：離子晶體（鹽）、共價晶體（金剛石）、金屬晶體、分子晶體、氫鍵型晶體（含有氫鍵的礦物晶體、冰） 晶體的特性；整齊規(guī)則的外形、具有固定的熔點（固體加熱、溫度上升達到一定溫度時開始溶化，在沒有全部溶化之前，繼續(xù)加熱，溫度不再上升。供給熱量都用于固體向液態(tài)轉(zhuǎn)化熱量全部變成液態(tài)后，繼續(xù)加熱，溫度又會上升）、 各向異性（物理性質(zhì)從不同方向測定時不同）、具有最小內(nèi)能是一個穩(wěn)定的結構,5.非晶態(tài)（無定形態(tài)）物質(zhì),也稱非晶體：是指其內(nèi)部質(zhì)點在三維空間排列成無序狀態(tài)的物質(zhì)。如瀝青、橡膠、塑料 特性：無固定的外型狀態(tài)（無定形態(tài)）、無固定的

5、熔點（加熱過程逐漸變軟，最后變成液體）、各向同性,6.物質(zhì)的微分相與微晶態(tài)物質(zhì),物質(zhì)的分相：物質(zhì)在變化過程中，內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生遷移，使某些組成發(fā)生偏聚，形成內(nèi)部質(zhì)點結構不同（即化學成分不同）的兩個區(qū)域 物質(zhì)的分相區(qū)域在納米至幾百納米的區(qū)域范圍屬于微分相 在無定形態(tài)物質(zhì)中由于微分相的結果，內(nèi)部質(zhì)點形成納米級微小晶態(tài)結構的區(qū)域，這個區(qū)域稱為微晶體（簡稱微晶），或稱晶子 這種內(nèi)部具有微晶體的無定形物質(zhì)稱為微晶態(tài)物質(zhì)。介于無定形態(tài)和晶態(tài)物質(zhì)之間的物體，如玻璃、微晶玻璃 玻璃是在無定形物質(zhì)中含有微小晶態(tài)結構比較小和比較少的微晶物質(zhì)，其中微晶大小約0.72.0nm，微晶含量約10%20% 微晶玻璃是在無定形物

6、質(zhì)中含有微小晶態(tài)結構比較大和比較多的微晶物質(zhì)，微晶大小約0.11.0um，微晶含量大于50%，典型：95%98,7.玻璃的結構,現(xiàn)代玻璃結構理論： 玻璃內(nèi)部質(zhì)點之間的結合，以玻璃形成體陽離子（如Si+4、B+3、P+5等），與氧離子在玻璃中形成配位關系，組成了多面體（通常是硅氧四面體），各個多面體之間通過頂角相互連接，形成向三維空間發(fā)展的連續(xù)的無規(guī)則的網(wǎng)絡體結構；一些陽離子（如Na+、K+等）與氧離子也有一定的配位關系，統(tǒng)計分布在無序的網(wǎng)絡空間中稱為玻璃網(wǎng)絡外體。 網(wǎng)絡體結構中一定的近程區(qū)域存在一些微晶結構，即微晶分散在無定形區(qū)域中，從微晶到無序的過渡是逐步形成的，無明顯的界線，微晶中心區(qū)域有

7、序程度最高，離中心愈遠，有序程度愈低，不規(guī)則程度也愈顯著。這種現(xiàn)象也稱為近程有序 近程：指物質(zhì)的原子或離子周圍的范圍一般小于 2nm微觀尺度， 1.01.5nm相當于2-4個多面體的有規(guī)則排列。非近程區(qū)域 大于2nm微觀尺度,8.玻璃的化學成分,玻璃是由多種化合物形成的含有微晶體的網(wǎng)絡狀固體 氧化物玻璃多是以氧化物為主。玻璃網(wǎng)絡體由A2O3/AO2/A2O5型氧化物構成，如SiO2（硅）、B2O3、P2O5、As2O3、Al2O3、Ta2O5；網(wǎng)絡外體由A2O/AO型氧化物構成，如Na2O、K2O、CaO、PbO、BaO,各類氧化物的含量不同，形成玻璃的結構和性質(zhì)不同,光學玻璃的光學常數(shù)nd和

8、nf-nC與化學成分有加和關系：nd=Pindi/Si / Pi/Si ； nf-Nc= Pi（ nf-nC ）i/Si / Pi/Si （Pi含量，Si修正系數(shù),9.玻璃的特征,各向同性：玻璃的物理化學性質(zhì)在各個方向都是相同 （進程有序，遠程無序 統(tǒng)計均質(zhì)結構 宏觀上 均勻結構） 折射率、硬度、熱膨脹系數(shù)、導電系數(shù)、彈性模數(shù) 介穩(wěn)性（亞穩(wěn)性）：玻璃內(nèi)部具有較高的內(nèi)能卻處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)（玻璃形成過程并沒有放出內(nèi)部的全部熱量，比同成分的晶態(tài)物質(zhì)含有較高的內(nèi)能；玻璃有放出這部分內(nèi)能向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的可能，即析晶傾向，處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，但玻璃具有很高的黏度，阻礙玻璃向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，仍然是比較 穩(wěn)定的狀態(tài)

9、 無固定熔點的可逆性：玻璃由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時在一定的溫度范圍（軟化溫度范圍）內(nèi)進行的，或者玻璃熔體在冷卻過程中沒有新相出現(xiàn)，而是逐漸地稠化。上述兩個過程沒有固定熔點而且是可逆的 玻璃轉(zhuǎn)變過程中物理化學性質(zhì)是連續(xù)漸變：玻璃的冷卻/溶化過程是在一個相當寬的溫度范圍內(nèi)完成的，變化過程是連續(xù)的，物理化學性質(zhì)也具有連續(xù)漸變性。粘度、比熱、比容、熱膨脹系數(shù)、硬度,10.光學玻璃類型,應用特征：無色光學玻璃（呈透明無色狀、應用最廣泛、用量最多）、有色光學玻璃（呈一定顏色狀態(tài)）、特種光學玻璃（紅外、紫外、石英、防/耐輻射、激光玻璃 、非線性玻璃） 網(wǎng)絡體基本成分：氧化物：硅酸鹽、硼酸鹽、鍺酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽

10、 非氧化物：氟化物、硫化物、硒化物 無色光學玻璃按照色散系數(shù)的大小分兩大類： 火石玻璃（色散大d小于50、折射率高、質(zhì)軟而重、透明低差呈淡黃色），其中按折射率不同分為9個類型（輕火石QF、火石F、鋇火石BaF、重鋇火石ZBaF、重火石ZF、鑭火石LaF、重鑭火石ZLaF、鈦火石TiF、特種火石TF） 冕牌玻璃（色散小d大于50、折射率低、質(zhì)硬而輕、透明），其中按折射率不同分為9個類型（輕冕QK、氟冕FK、冕K、磷冕PK、鋇冕BaK、重冕ZK、鑭冕LaK、特冕TK、冕火石KF,11.無色光學玻璃的牌號,無色光學玻璃的牌號是對某一類型的玻璃的具體描述 按照國家標準GB903-87規(guī)定分為：普通（P

11、）和耐輻射（N）兩個光學玻璃系列，其序號分別為199和501599 例：K9-517642 表示普通（P）系列的冕牌光學玻璃9號，色散系數(shù)51.7，折射率1.642 例：K509 表示耐輻射（N）系列的冕牌光學玻璃509號 例：BaF502表示耐輻射（N）系列的鋇火石光學玻璃502號,無色光學玻璃nd- d領域圖,12.光學玻璃主要性能,1）光學常數(shù)：主要是折射率和色散系數(shù) 光學玻璃可以控制光的傳播和改變光波的相對光譜能量分布，是由于折射率決定的 光學玻璃折射率隨不同波長的變化而不同，即色散存在 光學設計根據(jù)光學玻璃光學常數(shù)的名義值設計成像要求和成像質(zhì)量 n=C/V n大于1 d=（nd-1）

12、/（nF-nC） d、F、C分別表示587.56nm（氦）、 486.13 （氫）nm、656.27nm（氫）波長 nd 、nF、 nC分別表示不同波長下的折射率 nF-nC表示中部色散（也稱主色散） 色散系數(shù)d，也稱阿貝數(shù),12.光學玻璃主要性能,2）化學性能 a耐潮濕穩(wěn)定性 是指光學玻璃抗水氣、CO2、SO2等潮濕大氣的侵蝕能力 侵蝕過程：玻璃表面某些離子吸附空氣中的水分子，水分子以OH-1離子基團形式覆蓋在表面，并不斷吸收其它水分子或其它物質(zhì)，形成幾十個分子厚的薄層，玻璃表面的堿金屬氧化物，就會和水膜作用變成堿金屬氫氧化物的溶液，并進一步吸收水分，使玻璃表面受到破壞，產(chǎn)生“白班”或“霧蝕

13、”等變質(zhì)層 實踐表明：水氣比水溶液對玻璃具有更大的侵蝕性+開始都是以離子交換為主的釋堿過程+后期堿的濃度增大，水溶液對堿有稀釋作用，水氣卻不能，濃度大到一定是就過渡到以破壞玻璃網(wǎng)絡結構為主 CO2、SO2溶于水生成酸，與水解析出的堿作用，加快水解 濁度值H（評價玻璃耐潮濕穩(wěn)定性的能力）：表面“白斑”“霧蝕” 變質(zhì)層使平行光的散射性增大，利用散射光測量來評價侵蝕程度 方法：兩面拋光的玻璃樣品置于70+/-1 飽和蒸汽條件下侵蝕7晝夜，測量散射光，計算濁度值H 。 國標：把玻璃耐潮濕穩(wěn)定性分為4級,12.光學玻璃主要性能,b耐酸穩(wěn)定性 一般酸并不直接與玻璃起反應，酸通常都是在玻璃產(chǎn)生水解后才參與

14、氫氟酸對玻璃的硅離子有較強的作用，對玻璃的腐蝕較大 通常用酸度為PH2.9醋酸、PH4.6標準醋酸鹽、PH6.0的蒸餾水來侵蝕玻璃樣品，來判斷耐酸穩(wěn)定性（在白熾燈下觀察樣品表面出現(xiàn)紫藍干涉色的時間,12.光學玻璃主要性能,3）機械性能 密度 ：石英的密度最小2.2克/立方厘米，重火石玻璃可達6.5克/立方厘米，普通的鈉、硅、鈣玻璃約為2.5克/立方厘米 硬度：指抵抗其它物體侵入能力。硬度是影響零件加工的重要因素，不同硬度的玻璃工藝條件要不一樣。 硬度取決于化學成分，石英和含有1012%的硼硅酸鹽玻璃硬度最大，多鉛或堿性氧化物含量大的玻璃硬度最小 克氏硬度HK（努普硬度）采用對稱棱角為172.5

15、度和130度的四角錐金剛石壓頭，加壓負荷F（0.981N），垂直壓在樣品表面，保持一定時間（5S）后，撤出負荷，6min內(nèi)測出樣品上壓痕的長度d，用HK=0.102F/0.07028d2求出 相對研磨硬度A=V0/V（標準玻璃（K9）樣品的被研磨體積V0與被測玻璃的研磨體積V的比值,12.光學玻璃主要性能,4）熱學性能 線膨脹系數(shù)：一定溫度范圍內(nèi)溫度升高1時玻璃單位長度的伸長量 玻璃轉(zhuǎn)變溫度：玻璃在某一溫度區(qū)逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭?塑態(tài)（變軟），把室溫到軟化溫度間的伸長曲線延伸，把從馳垂溫度到軟化溫度間的伸長曲線延伸，交點所對應的溫度 馳垂溫度：玻璃試樣在升溫過程中停止膨脹時的溫度,13.無色光學

16、玻璃質(zhì)量指標,質(zhì)量指標是設計人員提出的對玻璃的要求，用滿足質(zhì)量指標要求的光學玻璃，生產(chǎn)加工出的零件才能滿足光學系統(tǒng)的要求，所以，生產(chǎn)加工要按質(zhì)量指標要求采購玻璃材料。質(zhì)量指標有： 1.折射率色散系數(shù)允許差值（與標準值）： nd 、 d（通常用V棱鏡折光儀測量）。分為6級00、0、1、2、3、4 2.同批玻璃折射率及色散系數(shù)的一致性。分為4級A、B、C、D 3.光學均勻性： 同一塊玻璃中各點的折射率是不同的（退火爐內(nèi)各處溫度不均勻所引起的，引起光學零件各部分光程差不一致變化，影響成像質(zhì)量）。分為級1、2、3、4 4.應力雙折射：玻璃有殘余應力產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。通過測量光通過玻璃所產(chǎn)生的光程差來判斷雙折射現(xiàn)象。分為5級1、1a、2、3、4。 玻璃內(nèi)能不均勻造成，玻璃存在內(nèi)應力，通過退火來消除內(nèi)應力，但完全消除是不可能的，使玻璃具有各向異性，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。在光學系統(tǒng)中產(chǎn)生