今天介紹一下：光學(xué)玻璃的制造方法及工藝步驟

光學(xué)玻璃可以通過(guò)將其定義為一組專(zhuān)門(mén)用于制造光學(xué)元件(如透鏡、棱鏡、分束器和光學(xué)窗口)的玻璃配方來(lái)進(jìn)行描述。光學(xué)玻璃與鈉鈣玻璃等普通玻璃的區(qū)別在于，光學(xué)玻璃需要具有與其透光能力相關(guān)的特定性能特征，并且不會(huì)引入可能損害使用玻璃的系統(tǒng)的像差。制造光學(xué)玻璃的關(guān)鍵是仔細(xì)控制組成玻璃配方的化學(xué)成分，因?yàn)檫@些添加劑的存在將最終決定玻璃的光學(xué)性能，從而決定其性能。

本文將介紹光學(xué)玻璃的制造方法，并回顧常用的光學(xué)玻璃的工藝步驟和類(lèi)型。要了解更多關(guān)于其他類(lèi)型玻璃的信息，請(qǐng)參閱我們的相關(guān)指南，了解玻璃的類(lèi)型、性能和制造，鈉鈣玻璃與硼硅酸鹽玻璃有什么區(qū)別?什么是硼硅酸鹽玻璃及其用途?

光學(xué)玻璃性能

光學(xué)玻璃的特殊性能源于對(duì)與其應(yīng)用相關(guān)的特定光學(xué)性能特性的需求。如果你考慮可以用來(lái)生產(chǎn)容器的普通玻璃，比如用來(lái)裝飲料的水罐，那么玻璃在該應(yīng)用中的預(yù)期性能可能與材料承受冰箱低溫的能力有關(guān)。但幾乎沒(méi)有必要定義以這種方式使用的玻璃的具體光學(xué)特性。沒(méi)有人關(guān)心光通過(guò)水罐玻璃的透射率，也沒(méi)有人關(guān)心光線是否分散以及分散到什么程度。

然而，當(dāng)你考慮光學(xué)玻璃的預(yù)期用途時(shí)，如攝影鏡頭、望遠(yuǎn)鏡鏡頭和激光分束器，光學(xué)特性變得非常重要。性能差的攝影鏡頭會(huì)沿著從亮到暗的光強(qiáng)度邊界產(chǎn)生彩色條紋，這當(dāng)然不是攝影師認(rèn)為的理想特征或高性能的標(biāo)志。因此，光學(xué)玻璃的制造目標(biāo)必須是從光的傳輸角度確保特定水平的性能，而其他類(lèi)型的玻璃沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。

在描述光學(xué)玻璃的制造方法之前，回顧一些與光行為和光學(xué)特性相關(guān)的術(shù)語(yǔ)并解釋這些術(shù)語(yǔ)的含義是有用的。

光的性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)

我們知道光是電磁能的一種形式，它的行為可以像波或粒子。在考慮光學(xué)玻璃的設(shè)計(jì)時(shí)，光的波動(dòng)通常被視為理解光學(xué)玻璃的性質(zhì)及其對(duì)入射光能量影響的主要模型。

光學(xué)玻璃制造工藝

光學(xué)玻璃的制造采用多步驟工藝，首先選擇原材料化學(xué)元素，然后對(duì)這些化學(xué)元素進(jìn)行測(cè)量和組合以形成玻璃配方。根據(jù)所制造的光學(xué)玻璃的具體類(lèi)型及其預(yù)期應(yīng)用，該工藝可能會(huì)有所不同，但從一般工藝的角度來(lái)看，用于制造光學(xué)玻璃的步驟可以概括為以下主要操作：

原料配料

融化

精煉/脫氣

同質(zhì)化

成型

退火

最初的原材料步驟包括選擇、測(cè)量和組合特定光學(xué)玻璃配方所需的化學(xué)品。必須關(guān)注化學(xué)元素的純度，因?yàn)殍F等常見(jiàn)污染物會(huì)影響成品的光學(xué)性能。例如，這可能表現(xiàn)為對(duì)特定感興趣波長(zhǎng)的光的不需要的吸收，這種情況導(dǎo)致不可接受的性能，尤其是在涉及單色光源(例如激光器)的應(yīng)用中?；瘜W(xué)品的正確混合也至關(guān)重要，因?yàn)榕浞降牟痪鶆蛐钥赡軙?huì)導(dǎo)致玻璃折射率的變化或波動(dòng)。

一旦化學(xué)物質(zhì)被分批和混合，熔化過(guò)程就開(kāi)始，混合物的溫度升高，使化學(xué)物質(zhì)混合到初始玻璃熔體中。隨著溫度升高，將形成對(duì)流，這將有助于液態(tài)玻璃熔體的一定程度的混合。

在熔化過(guò)程最高溫度的精煉階段，液態(tài)玻璃熔體表現(xiàn)出低粘度，這使得任何氣泡都可以上升到表面。在此階段可將精煉劑添加到玻璃中，玻璃會(huì)分解并產(chǎn)生氧氣泡。氧氣氣泡將通過(guò)與熔體中的其他溶解氣體結(jié)合來(lái)協(xié)助脫氣過(guò)程，從而形成更大的氣泡，這些氣泡將更快地上升到熔體表面，從而更容易去除。高質(zhì)量的光學(xué)玻璃必須不含氣泡，因此精煉階段在去除殘留氣體的過(guò)程中至關(guān)重要。

在均化階段，降低溫度，并連續(xù)攪拌熔體，以使所有組分均勻分布在整個(gè)玻璃熔體批料中。這里的目標(biāo)是消除條紋，條紋代表材料內(nèi)折射率與周?chē)Ａ杂胁煌木植繀^(qū)域。如前所述，光學(xué)玻璃性能是根據(jù)折射率來(lái)衡量的，其變化是控制成品玻璃所需光學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。在均化過(guò)程結(jié)束時(shí)，玻璃熔體的溫度緩慢降低，以達(dá)到合適的粘度，從而形成玻璃毛坯。玻璃毛坯代表需要額外加工、精加工、成型的原始玻璃形狀，

坯料的成形可以發(fā)生在所謂的連續(xù)或不連續(xù)過(guò)程中。連續(xù)成型具有在工藝流程中的不同位置執(zhí)行成型玻璃所需的所有步驟。相比之下，不連續(xù)過(guò)程，也稱(chēng)為罐式熔化，涉及在同一物理空間但在不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的所有過(guò)程。

在退火步驟中，將成形的玻璃降至室溫，以便對(duì)毛坯進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)操作。這些操作包括切割、研磨、拋光和成型。對(duì)于光學(xué)玻璃，可以使用精細(xì)退火工藝，該工藝需要使用退火爐來(lái)首先升高玻璃的溫度并釋放成型過(guò)程中可能產(chǎn)生的任何熱應(yīng)力。然后將玻璃以非常慢的速度(可能每小時(shí)低至零點(diǎn)幾度)緩慢冷卻至室溫。經(jīng)過(guò)精細(xì)退火的玻璃將表現(xiàn)出低殘余應(yīng)力雙折射。雙折射是玻璃和晶體的一種特性，根據(jù)玻璃相對(duì)于入射光能的方向，折射率具有不同的值。

玻璃在退火步驟中冷卻后，毛坯將用于制造光學(xué)系統(tǒng)的成品，包括透鏡、分束器、觀察窗和其他類(lèi)似產(chǎn)品。光學(xué)玻璃通常被表征為火石玻璃或冕玻璃。這兩種玻璃之間的差異與其特性有關(guān)?；鹗Ａ怯勉U生產(chǎn)的，往往比冕玻璃更致密。冕玻璃是使用較高濃度的氧化鉀制造的，因此密度比火石玻璃低。

冕玻璃是那些表現(xiàn)出低色散的玻璃，其阿貝數(shù)通常大于 55。它們還具有低折射率。燧石玻璃是阿貝數(shù)低于 50、折射率相對(duì)較高、色散較高的玻璃。