Производство оптического стекла

СТЕКЛО  ОПТИЧЕСКОЕ — прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой

стептнью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды. Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Специальные оптические стёкла изготавливается на основе группы неорганических, оксидных нанопорошковых прозрачных керамических материалов, органических, минералоорганических стекол и др. материалов. Отдельные сорта характеризуются избирательной прозрачностью к разным лучам видимого и невидимого участков спектра света, особой прозрачностью и другими специальными свойствами (например, разной твёрдостью, упругостью, биологической совместимосью). Особые требования предъявляют к стеклам для изготовления контактных линз, кремниевых оптических стекол, апохроматов, линз для ИК-лучей, рентгеновского излучения и т.д. 

Создание  специальной отрасли - производства оптического  стекла

Для обработки  оптического стекла используют специальное  оборудование и технологии. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения, расширения области применения оптических устройств, возникла необходимость  в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по свойствам и составу. Оптическое стекло в отличие от обыкновенного должно обладать особенно высокой прозрачностью, чистотой, однородностью, заданным коэффициентом преломления, в нужных случаях — избирательной прозрачностью к определённым спектрам длин волн (например, в приборх ночного видения - прозрачность к ИК-излучению, в фильтрах, покрытия в апохроматах и т.д.). Выполнение этих требований значительно изменяет его химический состав, применяет совершенную технологию изготовления и обработку оптических стекол, позволяющую их изготовление. Состав оптического стекла на базе оптических неорганических материалов как оксид кремния (SiO₂), сода, борная кислота, соли бария,оксид свинца, фториды, оксид германия, оптических органических материалов — материалы полиметилметакрилата (ПММА), минералоорганических оптических стекол позволяет улучшать оптические возможности оптических систем с дополнительными новыми свойствами. 

Виды  оптического стекла

Оптические  стёкла делятся на:

Стёкла из неорганических материалов (Неорганическое стекло);

Стёкла из органических материалов (Органическое стекло);

Стёкла из минералоорганических материалов.(Минералоорганическое стекло) 

Оптические  стёкла из неорганических материалов

Стёкла  из кварца

Линзы, получаемыые из оптического кварцевого стекла, обладают рядом дополнительных оптических свойств, необходимых для специальных, прецизионных оптических систем, по сравнению с основной группой линз из природного кварцевого стекла, применяемых в зоне видимого спектра света и отличаются:

Наименьшим  среди стёкол на основе SiO₂ показателем преломления (n_D = 1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей.

Высокой термической  стойкость, коэффициент линейного  термического расширения менее 1·10^-6 К^-1 (в диапазоне температур от 20 до 1400°С).

Температурой  размягчения кварцевого стекла — 1400°C.

Как хороший диэлектрик — удельная электрическая проводимость при 20 °С — 10⁻¹⁴ — 10⁻¹⁶ Ом^-1·м^-1, тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °C и частоте 10⁶ Гц — 0,0025—0,0006. 

Стёкла  из кремния

В настоящее  время в производстве изготовления различных стекол используются современные  технологии получения и обработки. Применение новых абразивных в том чисое алмазных инструментов, специальных паст при шлифовании, суперфинише и полировки дало возможность наладить производство твёрдых и сверхтвёрдых оптических стекол, сочетающих сверхвысокую изотропию, низкую дисперсию с самым высоким значением коэффициента преломления (например, стёкла, линзы, зеркала из кремния, в диапазоне длин волн 1—7 мкм имеют показатель преломления n_D = 3,49!, созданы параболические линзы из кремния, преломляющие и фокусирующие Х-лучи — Оптические элементы из кремния).

Оптические  стёкла из кремния  имеют:

сверхвысокую изотропию;

низкую дисперсию;

самый большой  с абсолютным значением коэффициент  преломления n_D=3,49 !;

прозрачные  в ИК области 2 мм - 760 нм шкалы электромагнитных волн;

стойкость работы в зоне Х-излучения;

возможность сохранять свои свойства и характеристики в течение длительного времени  при возможном воздействии внешних  факторов (механических, климатических, лучевых, химических, бактериологических и т.п.);

высокую плотность = 2,33 г/см3.

биологическую совместимость для медицинского применения (биостекло). 

Стёкла  из германия

Германий  в виде диоксида GeO₂ находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.

Свойства  оптического стекла из GeO₂

Коэффициент преломления n=1.7;

Дополнительно высокая прозрачность к ИК-лучам света;

Низкая дисперсия;

Высокая твёрдость.

Это делают его  полезным как оптический материал для  изготовления широкоугольных объективов, применения линз в оптическоммикроскопе.

Составы на основе диоксида кремния и диоксида германия ("кварц-германий") используется как  оптический материал для оптоволокон и оптических волноводов.

Правильная  дозировка примесей диоксида германия с элементами кварца, кремниевыми  составляющими и др. при приготовлении  шихты при стекловарении позволяет  точно контролировать и регулировать величину коэффициента преломления  линз. Например, очки из кварца-германия имеют более низкую вязкость и  более высокий преломляющий коэффициент, нежели чем очки из чистого кварца.

В оптоволоконном производстве Германий сейчас заменяет титан как примесь кварца для  волокна из кварца, устраняя потребность  в последующей термообработке, которая  делает волокна ломкими. 

Ситалловые оптические стекла

Ситалловые оптические стекла получают на основе стекол системы Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют при варке стекла формировать структуру с мелкокристаллической фазой в силу избирательной кристаллизации. Благодаря чему получены оптические материалы ситаллы, наделённые широким диапазоном характеристик стекломатериалов. Они находят применение в микроэлектронике, в оптике, ракетной и космической технике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров), строительстве и т.д.

Прозрачные  керамические материалы 

Прозрачные  керамические линзы — получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачные керамических материалов на основе нанопорошков, формируемых с кубической симметрией расположения атомов и межкристаллитными границами в процессе высокотемпературного прессования с плотностью, близкой к монокристаллам данных соединений и обладающие минимальным рассеянием прходящих световых лучей, высокой прозрачностью в зоне коротких и других длин электромагнитных волн, твёрдостью,дисперстностью, с коэффициентом преломления n = 2,08.(CASIO EXILIM EX-S100 и CASIO EXILIM EX-S500)^. 

Оптические  натриево-силикатные стекла

Оптические  натриево-силикатные стекла носят общее  название кро́нов. Стекло, изготовленное с добавлением фосфорного ангидрида, называется фосфорным кроном, борного ангидрида — боро-силикатным кроном и т. д. Оптическое стекло, в состав которого входитсвинец, называется фли́нтом; при его содержании до 50 % — лёгким, а свыше 50 % — тяжёлым флинтом. Флинт имеет больший показатель преломления, чем крон.

Эти два типа стекол наиболее ходовые при изготовлении оптических устройств, например, объективов для уменьшения хроматические аберрации, работающих в диапазоне длин волн вилимого спектра света. Положительные линзы (которые в центре толще, чем по краям) изготавливаются из крона, отрицательные — из флинта. При разработке оптического прибора для каждой линзы подбирается определённый сорт оптического стекла по каталогу предприятия-изготовителя. На рисунке приведена Диаграмма Аббе для наиболее распространённых видов стекол, в координатах зависимость показателя преломления (nD) от коэф. дисперсии света (vD). См. такжедиаграмма Аббе nd (Vd) - Schott 2000 от ЛОМО.

Таблица основных характеристик  оптических стекол

Производство  неорганического  оптического стекла

Для получения  цветного стекла в состав белого стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического  стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. Вследствие неравномерности остывания массы в ней образуются натяжения, которые вызывают растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания  куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях  сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются  не из обычных кусков стекла, полученных после варки, и из специальных  прессованных плиток или заготовок. Во избежание натяжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергаются исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут натяжения, которые приведут к появлению анизотропии. (Анизотропи́я (от греч. ánisos — неравный и tróроs — направление) — неодинаковость физических (физико-химических) свойств среды (например, электропроводности, теплопроводности и др.) по различным направлениям внутри этой среды. Причиной анизотропности является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям). Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют  с помощью оптичеких приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла. 
 

Обработка оптического неорганического  стекла

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают  алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из нее  цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отполировано, его форму контролируют и затем заготовку полируют. Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Дефекты оптического неорганического  стекла

К оптическому  стеклу предъявляют повышенные требования по однородности и изотропности. Пороки стекла (Пороки стекла - техническое название дефектов стекла, нарушающих его однородность и изотропность. Особое внимание устранению пороков стекла уделяется в производстве оптического стекла; в то время как в производстве гутного и вообще художественного стекла пузырьки, включения и др. неоднородности могут служить для создания специальных оптических эффектов)  возникают в реальных условиях производства (варки) стёкол, вследствие ограниченного времени на установление равновесия в стекломассе, слишком быстрого охлаждения и т.д.

Стекло, предназначенное  для ответственных оптических элементов, требует чистых сырьевых компонентов, специальных приёмов варки и  охлаждения. Так, стекло для заготовок  крупнейших зеркал оптических телескопов охлаждают многие месяцы, для снятия внутренних напряжений. 

Оптические  стёкла из органических материалов

Оптическое  органическое стекло (оргстекло) — твёрдый, хрупкий, чисто аморфный материал, отличающийся формированием при определённых условиях в процессе переохлаждения расплавленного материала полиметилметакрилата (ПММА) (синтетического полимераметилметакрилата). Оптическое оргстекло (ПММА) часто используется как альтернатива силикатному оптическому стеклу т.к. оно:

Устойчиво к  внешним воздействиям (влага, холод  и т. д.);

Более мягкое, чем обычное стекло и чувствителено к царапинам (этот недостаток исправляется нанесением стойких к царапинам покрытий);

Лёгкая механическая обрабатываемость обычным металлорежущим инструментом;

Легко режется  лазером и удобно для гравировки;

Хорошая прозрачность и пропускает ультрафиолетовое и  рентгеновское излучения, отражая  при этом инфракрасные лучи; светопропускание оргстекла несколько меньшее (92—93 % против 99 % у лучших сортов силикатного стекла);

Низкая устойчивость к действию спиртов, ацетона и бензола;

Оргстекло это  оптический материал;

Безосколочный материал ( безопасен и применяется во всех видах транспорта (особенно в самолётостроении);

Легко формуемый при нагревании;

Водостойкий материал;

Нейтрален к лучам света, метео-условиям, действию авиационного бензина и маселам.

Оргстекло бывает дух типов — литьевое и экструзионное. 

Оптические  стёкла из минералоорганических материалов

Контактные  линзы изготавливаются в настоящее  время из элластичных материалов, самостоятельно сохраняющих необходимую кривизну.

Так называемые мягкие линзы состоят из специальных силикон-гидрогелевых органических материалов, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно. ^[9]

Материал  линзы, как правило, делается прозрачным или слегка окрашенным (для того, чтобы упавшую линзу, практически  невидимую в воздушной, и особенно в водной среде, легче было найти). Однако есть разновидности линз, у  которых центр окрашен в различные  цвета или сочетания цветов. Это  позволяет менять цвет глаз или делать его совершенно необычного цвета, не встречающегося в природе (и даже наносить рисунок). Контактные линзы  с рисунком, как правило, не имеют  оптической силы и используются в  развлекательных целях.

На линзы  может наноситься маркировка, обозначающая лицевую сторону, и, иногда — её оптические свойства.