光學(xué)玻璃的發(fā)展

光學(xué)玻璃的發(fā)展

光學(xué)玻璃的發(fā)展歷程玻璃技術(shù)經(jīng)歷了5000多年的發(fā)展歷史。直到近代,為了適應(yīng)軍用光學(xué)儀器的發(fā)展,SCHOTT公司的創(chuàng)始人OttoSchott于1884年發(fā)展了現(xiàn)代光學(xué)玻璃熔煉技術(shù),制造出世界上第一塊高質(zhì)量光學(xué)玻璃。由于軍事上的需要,光學(xué)玻璃及其制造技術(shù)一直被各國(guó)視為關(guān)鍵技術(shù),并嚴(yán)格保密。目前,隨著光學(xué)、信息技術(shù)、能源、航空航天技術(shù)、生物技術(shù)以及生命科學(xué)等學(xué)科的迅速發(fā)展,光學(xué)玻璃由傳統(tǒng)意義上的光學(xué)儀器用成像介質(zhì)——透鏡(主要是應(yīng)用幾何光學(xué)原理進(jìn)行成像)逐漸向新的應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。尤其是伴隨著光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展,光子繼電子之后成為信息的主要載體。利用玻璃和光的相互作用改變光的極化態(tài)、頻率、相干性和單色性,以及產(chǎn)生光子和探測(cè)光子的新型光功能玻璃成為光學(xué)玻璃發(fā)展的主要方向。1光學(xué)玻璃的發(fā)展1.1光學(xué)常數(shù)特征普通光學(xué)玻璃主要是指?jìng)鹘y(tǒng)意義上用于各種光學(xué)儀器(如光學(xué)鏡頭)的無(wú)色光學(xué)玻璃和用于濾光片的有色光學(xué)玻璃。目前普通光學(xué)玻璃有200多種牌號(hào),化學(xué)元素周期表中已有2/3以上的元素被引入到光學(xué)玻璃中。對(duì)于無(wú)色光學(xué)玻璃,按其化學(xué)組成和光學(xué)常數(shù)特征,主要分為冕類和火石類。冕類玻璃的PbO含量一般小于3%時(shí),折射率相對(duì)較低(nd<1.6),色散較小(νd>55)或者折射率相對(duì)較高(nd>1.6),色散較小(νd>50);當(dāng)PbO含量大于3%時(shí),折射率相對(duì)較高(nd>1.6),色散較大(νd<55)。而每一大類又可根據(jù)玻璃化學(xué)組成中的特征成分以及折射率nd和色散νd的范圍,進(jìn)一步劃分為許多亞類,圖1為無(wú)色光學(xué)玻璃nd-νd的示意圖。有色光學(xué)玻璃是在玻璃組成中引入能夠使玻璃著色的著色劑制得的。其所具有的選擇吸收的性質(zhì)取決于玻璃中著色劑的數(shù)量和性質(zhì)。按光譜特性有色光學(xué)玻璃可分為3類:膠體著色玻璃(硒鎘玻璃)、離子著色的選擇性吸收玻璃和離子著色的中性暗色玻璃。圖2為3種典型有色光學(xué)玻璃的光譜透過率曲線。2.2新型光功能玻璃2.2.1玻璃非線性光學(xué)特性由于玻璃的各向同性,玻璃具有反演對(duì)稱中心,而具有反演對(duì)稱中心的介質(zhì)偶階的非線性電極化率為零。因此,理論上玻璃中僅存在三階非線性光學(xué)效應(yīng),而不產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)。但是,在1986年,Osterber等人發(fā)現(xiàn)含Ge的石英玻璃光纖卻可以表現(xiàn)出二階非線性光學(xué)效應(yīng)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),通過電場(chǎng)/溫度場(chǎng)極化法、激光誘導(dǎo)法和電子束輻射法可使玻璃產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)。目前,在玻璃光纖中,利用激光誘導(dǎo)法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)相位匹配的二階非線性光纖光柵。一般情況下,高折射率和高平均色散的玻璃如高鉛氧化物玻璃、碲酸鹽玻璃和硫系玻璃具有高的三階非線性光學(xué)系數(shù)χ(3)。由于量子尺寸效應(yīng)緣故,半導(dǎo)體納米微粒CdS和CdSe摻雜玻璃也具有較高的χ(3),這類玻璃可以用于四波混頻、相位共軛及光開關(guān)。另外,采用濺射和離子注入等玻璃改性處理方法,在玻璃中引入Au,Ag和Cu等納米金屬粒子,也可以得到高χ(3)值的非線性玻璃。以高χ(3)值非線性光學(xué)玻璃作為基底,采用光刻和離子交換工藝產(chǎn)生低損耗非線性光波導(dǎo),可制備小尺寸密集型超快全光速調(diào)制集成光路波導(dǎo)器件,為以超大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸與處理為基礎(chǔ)的信息高速公路通訊網(wǎng)絡(luò)信息的快速處理和容量的提高提供實(shí)用性元件。非線性光學(xué)材料和器件已成為光子學(xué)微結(jié)構(gòu)和新型光子器件研究的前沿。表1列舉了一些不同玻璃種類的三階非線性光學(xué)特性。2.2.2軸向梯度透鏡由于梯度折射率光學(xué)玻璃材料具有特殊的光學(xué)特性,因此在微小光學(xué)、集成光學(xué)、空間光學(xué)和信息光子學(xué)器件研究領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。梯度折射率材料(GRIN)按照折射率分布的方向分類,可分為徑向、軸向和球面梯度3種,見表2所示。對(duì)軸向梯度透鏡而言,沿光軸Z方向的折射率呈梯度分布,而在垂直于光軸的平面內(nèi)折射率恒定。除色差外,軸向梯度透鏡的特征基本上與球面透鏡相似。利用軸向梯度折射率材料制成的球面軸向梯度折射率透鏡,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)像差的糾正等效于普通光學(xué)材料制成的非球面透鏡。在許多光學(xué)系統(tǒng)中,軸向梯度透鏡可在保證成像質(zhì)量的同時(shí),減少系統(tǒng)光學(xué)元件的數(shù)量,這一點(diǎn)對(duì)空間光學(xué)有效載荷設(shè)計(jì)極為有用。軸向梯度折射率材料在高能激光領(lǐng)域以及各種數(shù)碼可變焦成像系統(tǒng)中的應(yīng)用也具有特殊的意義。由于離子交換法生產(chǎn)的折射率梯度在材料中分布較淺,因此軸向梯度折射率材料的應(yīng)用受到了很大限制。直到20世紀(jì)90年代,利用發(fā)展起來(lái)的熔融/擴(kuò)散法成功地制得了大體積軸向梯度光學(xué)玻璃,從而使軸向梯度光學(xué)玻璃的應(yīng)用發(fā)展成為可能。徑向梯度透鏡的折射率沿垂直于光軸方向變化,且具有圓對(duì)稱分布,沿軸向折射率不發(fā)生變化。長(zhǎng)棒徑向GRIN透鏡可將像成在棒透鏡內(nèi)部,因此常用于像中繼系統(tǒng)中,例如各種內(nèi)窺鏡。在小型復(fù)印機(jī)和傳真機(jī)中利用其非常短的共軛距離,通過透鏡陣列可實(shí)現(xiàn)1∶1成像。另外,四分之一周期長(zhǎng)度的徑向GRIN透鏡的焦點(diǎn)恰好在其兩端面上,這為耦合技術(shù)帶來(lái)了方便。光纖耦合器、波分復(fù)用器、光開關(guān)、半導(dǎo)體激光器或激光二極管的準(zhǔn)直以及光盤物鏡均已采用這種透鏡。球面梯度透鏡的折射率分布對(duì)原點(diǎn)具有球面對(duì)稱形式,而球面GRIN透鏡因其對(duì)球心呈球?qū)ΨQ形式且無(wú)光軸存在,因此利用它可完全消除徑向GRIN透鏡中離軸空間光線(非子午光線)產(chǎn)生的像差。利用離子交換法制得的球面梯度透鏡陣列已用于集成光學(xué)和微小光學(xué)等領(lǐng)域。2.2.3氟化物玻璃在流體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用近年來(lái),伴隨著高功率摻鐿雙包層光纖激光器的出現(xiàn),對(duì)傳統(tǒng)的CO2氣體激光器和YAG固體激光器提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。光纖激光器已從通信領(lǐng)域迅速地向其他應(yīng)用領(lǐng)域(如材料處理及加工技術(shù)、激光檢測(cè)和測(cè)量、激光雷達(dá)系統(tǒng)、傳感技術(shù)和空間技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)等)擴(kuò)展。另一方面,提高和改善光纖放大器的增益帶寬也一直是光纖通信中的關(guān)鍵問題。因此,研究新型稀土離子摻雜玻璃材料已成為研究新型光纖激光器和光纖放大器等光纖光子器件的技術(shù)關(guān)鍵。光纖激光器研究領(lǐng)域有兩大熱點(diǎn):頻率上轉(zhuǎn)換光纖激光器和雙包層光纖激光器。氟化物玻璃由于具有較低的聲子能量,能夠降低玻璃在泵浦過程中的無(wú)輻射馳豫幾率,提高稀土離子中間亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的熒光壽命,從而有效提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率,所以氟化物玻璃ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF已成為上轉(zhuǎn)換發(fā)光基質(zhì)材料的主要研究對(duì)象。摻雜ZBLAN光纖的稀土離子主要有Pr3+,Er3+,Tm3+和Ho3+等。在20世紀(jì)90年代初硫化物玻璃光纖開始興起,由于稀土離子摻雜硫化物玻璃具有大的受激輻射截面和極高的輻射躍遷率,獲得的量子效率遠(yuǎn)高于氧化物和氟化物光纖,所以稀土離子摻雜硫化物也已成為適宜于制造光纖激光器和光纖放大器的基質(zhì)材料。近年來(lái)出現(xiàn)了多種新基質(zhì)材料摻雜的光纖放大器,主要包括工作在S+波段(1450～1480nm)的摻銩光纖放大器(TDFA);工作在S波段(1480～1510nm)的增益遷移摻銩光纖放大器(GS-TDFA);工作在C+L波段或L波段的摻鉺碲基光纖放大器(EDTFA)。這些新型光纖放大器中的增益介質(zhì)基本上采用的是摻雜稀土的低聲子能量玻璃-重金屬氧化物玻璃系統(tǒng)中的碲酸鹽玻璃、鉍酸鹽玻璃以及氟化物玻璃和硫系玻璃(見表3所示),特別是碲酸鹽玻璃基質(zhì)光纖在實(shí)現(xiàn)超寬帶通信方面應(yīng)用前景廣闊。前4種基質(zhì)的玻璃光纖已有產(chǎn)品問世,但用在光纖放大器上的硫系玻璃光纖迄今還沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。2.2.4儲(chǔ)、顯示和處理技術(shù)的發(fā)展方向光子是繼電子之后成為信息的主要載體,其信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、顯示和處理技術(shù)在很大程度上依賴于先進(jìn)的光功能材料和器件(先進(jìn)光功能材料和器件已成為信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo))的發(fā)展。表4列出了另外一些應(yīng)用于信息技術(shù)和其他領(lǐng)域的光功能玻璃。3光功能玻璃的應(yīng)用市場(chǎng)研究和/復(fù)合利用法20世紀(jì)90年代以后,隨著光學(xué)與信息科學(xué)和新材料科學(xué)的不斷融合,光學(xué)與電子科學(xué)的不斷融合以及信息產(chǎn)業(yè)的崛起,使光學(xué)玻璃在光傳輸、光儲(chǔ)存和光電顯示三大領(lǐng)域的應(yīng)用更是突飛猛進(jìn)。光學(xué)玻璃被廣泛應(yīng)用于光電產(chǎn)品對(duì)信息采集、傳輸、存貯、轉(zhuǎn)換和顯示的各個(gè)方面,這有力地促進(jìn)了光學(xué)玻璃向更高層次的發(fā)展。目前,傳統(tǒng)光學(xué)玻璃雖在生產(chǎn)上的增長(zhǎng)開始減緩,但在醫(yī)學(xué)、航天、航空和常規(guī)武器裝備等領(lǐng)域依然呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在光電信息領(lǐng)域,傳統(tǒng)的K9光學(xué)玻璃及ZK系列光學(xué)玻璃的需求量仍然巨大,主要體現(xiàn)在三大領(lǐng)域:一是光信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,如數(shù)碼照攝像機(jī)、液晶投影電視、影像掃描器、條碼掃描器、數(shù)碼復(fù)印機(jī)、激光打印機(jī)和可視電話等;二是在光儲(chǔ)存領(lǐng)域,如CD-ROM,DVD-ROM和MD-PLAYER等光讀取頭計(jì)算機(jī)硬盤玻璃基板等;三是在光電顯示器領(lǐng)域,包括背投電視投影管鏡頭和LCD投影機(jī)光學(xué)引擎等。在傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃方面,我國(guó)已經(jīng)形成了技術(shù)成熟、品種齊全的各種規(guī)格光學(xué)玻璃,并且能夠規(guī)模化生產(chǎn),不僅能夠滿足國(guó)內(nèi)需要,而且大規(guī)模出口。在新型光功能玻璃方面,聲光玻璃和磁光玻璃等一些光功能玻璃能夠滿足國(guó)內(nèi)需要,但尚未形成系列化。徑向梯度折射率透鏡在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)能夠小規(guī)?；a(chǎn),但對(duì)空間光學(xué)和光學(xué)可變焦系統(tǒng)方面有著巨大應(yīng)用潛力的大尺寸軸向梯度折射率材料來(lái)說仍然是空白。我國(guó)從事激光技術(shù)的科研人員自力更生發(fā)展了我國(guó)的激光玻璃,為我國(guó)固體激光技術(shù)的發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。但光纖激光器和放大器用稀土離子摻雜光學(xué)玻璃仍然未能達(dá)到實(shí)用化和規(guī)?；a(chǎn)。在國(guó)內(nèi),新型光功能玻璃的研究、發(fā)展能力與國(guó)外相比較弱,這主要是由于我國(guó)在相關(guān)材料研究和相關(guān)器件的應(yīng)用上仍處于劣勢(shì),而且在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的研究也比較落后?？偟膩?lái)看,在傳統(tǒng)光學(xué)玻璃領(lǐng)域,由于我國(guó)有資源的優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有一席之地,但是付出了能源和資源大量消耗和環(huán)境污染的巨大代價(jià)。而世界上一些著名的光學(xué)玻璃生產(chǎn)廠家,如美國(guó)的Corning公司、德國(guó)的Schott公司、日本的HO