昆山諾立光學(xué)介紹：光學(xué)玻璃的制造方法及工藝步驟

光學(xué)玻璃可以通過將其定義為一組專門用于制造光學(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型。要了解更多關(guān)于其他類型玻璃的信息，請(qǐng)參閱我們的相關(guān)指南，了解玻璃的類型、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生產(chǎn)容器的普通玻璃，比如用來裝飲料的水罐，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)。但幾乎沒有必要定義以這種方式使用的玻璃的具體光學(xué)特性。沒有人關(guān)心光通過水罐玻璃的透射率，也沒有人關(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，而其他類型的玻璃沒有考慮到這一點(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)語并解釋這些術(shù)語的含義是有用的。

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，熔化過程就開始，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。氧氣氣泡將通過與熔體中的其他溶解氣體結(jié)合來協(xié)助脫氣過程，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)折射率與周圍玻璃略有不同的局部區(qū)域。如前所述，光學(xué)玻璃性能是根據(jù)折射率來衡量的，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)過程，也稱為罐式熔化，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首先升高玻璃的溫度并釋放成型過程中可能產(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。

光學(xué)玻璃的注意事項(xiàng)

選擇光學(xué)玻璃需要考慮玻璃的光學(xué)、機(jī)械和熱性能以及這些因素將如何影響應(yīng)用。

其中考慮因素如下：

透明度——取決于玻璃配方中雜質(zhì)的控制程度

均勻性 - 取決于工藝，需要適當(dāng)?shù)幕旌虾途徛鋮s以實(shí)現(xiàn)最小的雙折射

折射率 – 高折射率對(duì)于鏡片應(yīng)用很有用，因?yàn)樗试S在鏡片中使用較弱的曲率

色散 – 可以通過選擇低色散玻璃選項(xiàng)(例如冕玻璃)來控制

密度——需要輕質(zhì)光學(xué)器件時(shí)的一個(gè)重要考慮因素

硬度——高硬度提供了堅(jiān)固性和耐用性，但缺點(diǎn)是玻璃更難以切割和拋光

熔點(diǎn)——具有較高熔化溫度的光學(xué)玻璃可以進(jìn)行高溫操作，但也更難制造