光学冷加工-光学玻璃

13.无色光学玻璃质量指标
质量指标是设计人员提出的对玻璃的要求，用满足质量指标要求的光学玻璃， 生产加工出的零件才能满足光学系统的要求，所以，生产加工要按质量指标 要求采购玻璃材料。质量指标有： 1.折射率色散系数允许差值（与标准值）： ∆nd 、 ∆νd（通常用V棱镜折光仪测 量）。分为6级00、0、1、2、3、4 2.同批玻璃折射率及色散系数的一致性。分为4级A、B、C、D 3.光学均匀性： 同一块玻璃中各点的折射率是不同的（退火炉内各处温度不均 匀所引起的，引起光学零件各部分光程差不一致变化，影响成像质量）。分 为级1、2、3、4 4.应力双折射：玻璃有残余应力产生双折射现象。通过测量光通过玻璃所产生 的光程差来判断双折射现象。分为5级1、1a、2、3、4。 玻璃内能不均匀造成，玻璃存在内应力，通过退火来消除内应力，但完全消除 是不可能的，使玻璃具有各向异性，产生双折射现象。在光学系统中产生与 杂散光相类似的影响，使像质变坏。内应力越大，双折射现象越严重。（ 双 折射现象：一束光通过玻璃，将分成两束，一束光遵守折射定律“o”寻常光， 另一束按折射定律传播“e”非常光） 5.光吸收系数：每厘米厚玻璃对光的吸收，测量通过玻璃前后光通量的变化。 分为8级00、0、1、2、3、4、5、6 6.条纹：熔炼过程中，各部分化学成分不均匀引起折射率不同，光线通过时呈 现条纹影象。分为4级00、0、1、2和3等A、B、C。 7. 气泡：玻璃在熔炼过程中残余气体所致引起光的散射和折射。分为7级A00、 A0、A、B、C、D、E
8.玻璃的化学成分
• 玻璃是由多种化合 物形成的含有微晶 体的网络状固体 • 氧化物玻璃多是以 氧化物为主。玻璃 网络体由 A2O3/AO2/A2O5型 氧化物构成，如 SiO2（硅）、B2O3、 P2O5、As2O3、 Al2O3、Ta2O5；网 络外体由A2O/AO型 氧化物构成，如 Na2O、K2O、CaO、 PbO、BaO。
4.晶体
• 晶体：其内部质点（原子、离子、原子团、分 子）在 三维空间里成周期重复排列。 • 自然界绝大多数物质—晶体（岩盐、砂子、金 属、食盐、冰糖、明矾、冰、云母、水晶等等） • 根据键性的不同分：离子晶体（盐）、共价晶 体（金刚石）、金属晶体、分子晶体、氢键型 晶体（含有氢键的矿物晶体、冰） • 晶体的特性；整齐规则的外形、具有固定的熔 点（固体加热、温度上升达到一定温度时开始溶化，在没有全
6.物质的微分相与微晶态物质
• 物质的分相：物质在变化过程中，内部质点发生迁移，使某 些组成发生偏聚，形成内部质点结构不同（即化学成分不同） 的两个区域 • 物质的分相区域在纳米至几百纳米的区域范围属于微分相 • 在无定形态物质中由于微分相的结果，内部质点形成纳米级 微小晶态结构的区域，这个区域称为微晶体（简称微晶）， 或称晶子 • 这种内部具有微晶体的无定形物质称为微晶态物质。介于无 定形态和晶态物质之间的物体，如玻璃、微晶玻璃 玻璃是在无定形物质中含有微小晶态结构比较小和比较少的微 晶物质，其中微晶大小约0.7~2.0nm，微晶含量约10%~20% 微晶玻璃是在无定形物质中含有微小晶态结构比较大和比较多 的微晶物质，微晶大小约0.1~1.0um，微晶含量大于50%，典 型：95%~98%
度…..
10.光学玻璃类型
应用特征：无色光学玻璃（呈透明无色状、应用最广泛、用量 最多）、有色光学玻璃（呈一定颜色状态）、特种光学玻璃 （红外、紫外、石英、防/耐辐射、激光玻璃 、非线性玻璃） 网络体基本成分：氧化物：硅酸盐、硼酸盐、锗酸盐、磷酸盐、 碲酸盐 非氧化物：氟化物、硫化物、硒化物 无色光学玻璃按照色散系数的大小分两大类： • 火石玻璃（色散大νd小于50、折射率高、质软而重、透明低 差呈淡黄色），其中按折射率不同分为9个类型（轻火石QF、 火石F、钡火石BaF、重钡火石ZBaF、重火石ZF、镧火石 LaF、重镧火石ZLaF、钛火石TiF、特种火石TF） • 冕牌玻璃（色散小νd大于50、折射率低、质硬而轻、透明）， 其中按折射率不同分为9个类型（轻冕QK、氟冕FK、冕K、 磷冕PK、钡冕BaK、重冕ZK、镧冕LaK、特冕TK、冕火石 KF）
12.光学玻璃主要性能
b耐酸稳定性 • 一般酸并不直接与玻璃起反应，酸通常都是在 玻璃产生水解后才参与 • 氢氟酸对玻璃的硅离子有较强的作用，对玻璃 的腐蚀较大 • 通常用酸度为PH2.9醋酸、PH4.6标准醋酸盐、 PH6.0的蒸馏水来侵蚀玻璃样品，来判断耐酸 稳定性（在白炽灯下观察样品表面出现紫蓝干 涉色的时间）
（4）热学性能 • 线膨胀系数：一定温度 范围内温度升高1℃时玻 璃单位长度的伸长量 • 玻璃转变温度：玻璃在 某一温度区逐渐由固态 转变为可 塑态（变 软），把室温到软化温 度间的伸长曲线延伸， 把从驰垂温度到软化温 度间的伸长曲线延伸， 交点所对应的温度 • 驰垂温度：玻璃试样在 升温过程中停止膨胀时 的温度
间通过共用电子对方式形成作用）、金属键（金属中运动的自由 电子能吸引所有阳离子，使它们之间紧密的结合） • 分子之间普遍存在着范德华力，是一种非化学性的弱的相互作用 力，通常称为分子键（范德华键） • 某些化合物中，氢原子能与分子内或其它分子中的原子之间形成 氢键。
• 固体按照质点在三维空间的排列状态：晶体、非晶态 （无定形态）物质 、微晶态物质、多晶态物质
无色光学玻璃nd- νd领域图
12.光学玻璃主要性能
（1）光学常数：主要是折射率和色散系数 • 光学玻璃可以控制光的传播和改变光波的相对光谱能量分 布，是由于折射率决定的 • 光学玻璃折射率随不同波长的变化而不同，即色散存在 • 光学设计根据光学玻璃光学常数的名义值设计成像要求和 成像质量 • n=C/V n大于1 • νd=（nd-1）/（nF-nC） • d、F、C分别表示587.56nm（氦）、 486.13 （氢）nm、 656.27nm（氢）波长 • nd 、nF、 nC分别表示不同波长下的折射率 • nF-nC表示中部色散（也称主色散） • 色散系数νd，也称阿贝数
2.光学材料的种类
通常有四大类： • 光学玻璃（无色光学玻璃、有色光学玻璃）应用最广泛 • 光学塑料（有机高分子聚合物 : 合成树脂、天然树脂） • 光学晶体（天然晶体、人造晶体：偏振光晶体；旋光晶体、
激光晶体、电光、 声光、变频、闪烁 ）
• 特种光学材料（光学陶瓷、微晶玻璃、梯度折射率材料（碱
金属硅酸盐经离子交换技术制成）、光学液体、光学纤维、红外 玻璃（锗玻璃、锗砷硒）、激光玻璃（氟磷酸盐材料）、光记忆 玻璃（硫化物）光着色材料（掺杂卤化银）、电着色材料（氧化 钨）、旋光玻璃（含铈磷酸盐玻璃）、声光玻璃（含铅碲化物）、 低熔点玻璃（转变温度330度）
7.玻璃的结构
现代玻璃结构理论： • 玻璃内部质点之间的结合，以玻璃形成体阳离子（如Si+4、 B+3、P+5等），与氧离子在玻璃中形成配位关系，组成了多 面体（通常是硅氧四面体），各个多面体之间通过顶角相互 连接，形成向三维空间发展的连续的无规则的网络体结构； 一些阳离子（如Na+、K+等）与氧离子也有一定的配位关系， 统计分布在无序的网络空间中称为玻璃网络外体。 • 网络体结构中一定的近程区域存在一些微晶结构，即微晶分 散在无定形区域中，从微晶到无序的过渡是逐步形成的，无 明显的界线，微晶中心区域有序程度最高，离中心愈远，有 序程度愈低，不规则程度也愈显著。这种现象也称为近程有 序 • 近程：指物质的原子或离子周围的范围一般小于 2nm微观尺 近程： 度， 1.0～1.5nm相当于2-4个多面体的有规则排列。非近程区 域 大于2nm微观尺度
12.光学玻Байду номын сангаас主要性能
（3）机械性能 密度 ：石英的密度最小2.2克/立方厘米，重火石玻璃可达 6.5克/立方厘米，普通的钠、硅、钙玻璃约为2.5克/立 方厘米 硬度：指抵抗其它物体侵入能力。硬度是影响零件加工 的重要因素，不同硬度的玻璃工艺条件要不一样。 • 硬度取决于化学成分，石英和含有10~12%的硼硅酸盐 玻璃硬度最大，多铅或碱性氧化物含量大的玻璃硬度 最小 • 克氏硬度HK（努普硬度）采用对称棱角为172.5度和130度的
部溶化之前，继续加热，温度不再上升。供给热量都用于固体向 液态转化热量全部变成液态后，继续加热，温度又会上升）、
各向异性（物理性质从不同方向测定时不同）、具有最小 内能是一个稳定的结构
5.非晶态（无定形态）物质
• 也称非晶体：是指其内部质点在三维空间排列 成无序状态的物质。如沥青、橡胶、塑料 • 特性：无固定的外型状态（无定形态）、无固 定的熔点（加热过程逐渐变软，最后变成液体）、各向 同性
光学玻璃
1.光学材料的概念
• 是指能够制造成光学零件并应用于光学系统中， 和光直接进行相互作用的物质 • 广义讲：所有的物质都和光有相互作用 • 狭义讲：应用于光学系统中对光信息进行处理 的材料 • 更简要讲：能够对光具有高透射或高反射特性 或对光信息具有改变作用的材料
如对光的振幅（光强）、相位、频率、波长（红外光 0.7~300um，可见光 380~680nm，紫外光30~380nm）、 速度 （c=2.99792458m/s）、振动态（偏光、旋光） 、传输方向、光子数
四角锥金刚石压头，加压负荷F（0.981N），垂直压在样品表面， 保持一定时间（5S）后，撤出负荷，6min内测出样品上压痕的长 度d，用HK=0.102F/0.07028d2求出
• 相对研磨硬度A=V0/V（标准玻璃（K9）样品的被研磨 体积V0与被测玻璃的研磨体积V的比值）
12.光学玻璃主要性能
• 各类氧化物的含量不同，形成玻璃的结构和性质不同
• 光学玻璃的光学常数nd和nf-nC与化学成分有加 和关系：nd=ΣPi•ndi/Si / ΣPi/Si ； nf-Nc= ΣPi• （ nf-nC ）i/Si / ΣPi/Si （Pi含量，Si修正系数）
9.玻璃的特征
• 各向同性：玻璃的物理化学性质在各个方向都是相同 （进程有序， 远程无序 统计均质结构 宏观上 均匀结构） 折射率、硬度、热膨胀系数、导电系数、弹性模数 • 介稳性（亚稳性）：玻璃内部具有较高的内能却处于相对稳定的 状态（玻璃形成过程并没有放出内部的全部热量，比同成分的晶 态物质含有较高的内能；玻璃有放出这部分内能向晶态转变的可 能，即析晶倾向，处于热力学不稳定状态，但玻璃具有很高的黏 度，阻碍玻璃向晶态转变，仍然是比较 稳定的状态 • 无固定熔点的可逆性：玻璃由固体转变为液体时在一定的温度范 围（软化温度范围）内进行的，或者玻璃熔体在冷却过程中没有 新相出现，而是逐渐地稠化。上述两个过程没有固定熔点而且是 可逆的 • 玻璃转变过程中物理化学性质是连续渐变：玻璃的冷却/溶化过 程是在一个相当宽的温度范围内完成的，变化过程是连续的，物 理化学性质也具有连续渐变性。粘度、比热、比容、热膨胀系数、硬
11.无色光学玻璃的牌号
无色光学玻璃的牌号是对某一类型的玻璃的具体 描述 按照国家标准GB903-87规定分为：普通（P）和 耐辐射（N）两个光学玻璃系列，其序号分别 为1~99和501~599 • 例：K9-517642 表示普通（P）系列的冕牌光 学玻璃9号，色散系数51.7，折射率1.642 • 例：K509 表示耐辐射（N）系列的冕牌光学 玻璃509号 • 例：BaF502表示耐辐射（N）系列的钡火石光 学玻璃502号
12.光学玻璃主要性能
（2）化学性能 a耐潮湿稳定性 • 是指光学玻璃抗水气、CO2、SO2等潮湿大气的侵蚀能力 • 侵蚀过程：玻璃表面某些离子吸附空气中的水分子，水分子以OH-1离子基 团形式覆盖在表面，并不断吸收其它水分子或其它物质，形成几十个分子 厚的薄层，玻璃表面的碱金属氧化物，就会和水膜作用变成碱金属氢氧化 物的溶液，并进一步吸收水分，使玻璃表面受到破坏，产生“白班”或 “雾蚀”等变质层 • 实践表明：水气比水溶液对玻璃具有更大的侵蚀性+开始都是以离子交换 为主的释碱过程+后期碱的浓度增大，水溶液对碱有稀释作用，水气却不 能，浓度大到一定是就过渡到以破坏玻璃网络结构为主 • CO2、SO2溶于水生成酸，与水解析出的碱作用，加快水解 • 浊度值H（评价玻璃耐潮湿稳定性的能力）：表面“白斑”“雾蚀” 变质 层使平行光的散射性增大，利用散射光测量来评价侵蚀程度 方法：两面抛光的玻璃样品置于70℃+/-1℃ 饱和蒸汽条件下侵蚀7昼夜，测量 散射光，计算浊度值H 。 国标：把玻璃耐潮湿稳定性分为4级
3.固态物质
• 固体是指其内部组成的质点（原子、离子、分子）在 三维空间的排列是固定不变的物质 • 质点在物质内部空间固定不变的排列，是质点间的微 观作用力使它们处于平衡位置，形成稳定的结构，原 子的这种维系力称为键， • 以化学结合力相维系时，称为形成了化学键，由于原 子得失电子的能力不同形成相互不同的化学键，典型 的化学键有离子键（正负离子相互形成吸引）、共价键（原子