光學(xué)冷加工-光學(xué)玻璃課件

1、 光學(xué)玻璃- 光學(xué)玻璃-1.光學(xué)材料的概念是指能夠制造成光學(xué)零件并應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中，和光直接進(jìn)行相互作用的物質(zhì)廣義講：所有的物質(zhì)都和光有相互作用狹義講：應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)光信息進(jìn)行處理的材料更簡(jiǎn)要講：能夠?qū)饩哂懈咄干浠蚋叻瓷涮匦曰驅(qū)庑畔⒕哂懈淖冏饔玫牟牧先鐚?duì)光的振幅（光強(qiáng)）、相位、頻率、波長(zhǎng)（紅外光 0.7300um，可見光 380680nm，紫外光30380nm）、速度 （c=2.99792458m/s）、振動(dòng)態(tài)（偏光、旋光） 、傳輸方向、光子數(shù)-1.光學(xué)材料的概念是指能夠制造成光學(xué)零件并應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中，2.光學(xué)材料的種類通常有四大類：光學(xué)玻璃（無(wú)色光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃）應(yīng)用最廣泛光

2、學(xué)塑料（有機(jī)高分子聚合物 : 合成樹脂、天然樹脂）光學(xué)晶體（天然晶體、人造晶體：偏振光晶體；旋光晶體、激光晶體、電光、 聲光、變頻、閃爍 ）特種光學(xué)材料（光學(xué)陶瓷、微晶玻璃、梯度折射率材料（堿金屬硅酸鹽經(jīng)離子交換技術(shù)制成）、光學(xué)液體、光學(xué)纖維、紅外玻璃（鍺玻璃、鍺砷硒）、激光玻璃（氟磷酸鹽材料）、光記憶玻璃（硫化物）光著色材料（摻雜鹵化銀）、電著色材料（氧化鎢）、旋光玻璃（含鈰磷酸鹽玻璃）、聲光玻璃（含鉛碲化物）、低熔點(diǎn)玻璃（轉(zhuǎn)變溫度330度）-2.光學(xué)材料的種類通常有四大類：-3.固態(tài)物質(zhì)固體是指其內(nèi)部組成的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、分子）在三維空間的排列是固定不變的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在物質(zhì)內(nèi)部空間固定不變的

3、排列，是質(zhì)點(diǎn)間的微觀作用力使它們處于平衡位置，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，原子的這種維系力稱為鍵，以化學(xué)結(jié)合力相維系時(shí)，稱為形成了化學(xué)鍵，由于原子得失電子的能力不同形成相互不同的化學(xué)鍵，典型的化學(xué)鍵有離子鍵（正負(fù)離子相互形成吸引）、共價(jià)鍵（原子間通過(guò)共用電子對(duì)方式形成作用）、金屬鍵（金屬中運(yùn)動(dòng)的自由電子能吸引所有陽(yáng)離子，使它們之間緊密的結(jié)合）分子之間普遍存在著范德華力，是一種非化學(xué)性的弱的相互作用力，通常稱為分子鍵（范德華鍵）某些化合物中，氫原子能與分子內(nèi)或其它分子中的原子之間形成氫鍵。固體按照質(zhì)點(diǎn)在三維空間的排列狀態(tài)：晶體、非晶態(tài)（無(wú)定形態(tài)）物質(zhì) 、微晶態(tài)物質(zhì)、多晶態(tài)物質(zhì)-3.固態(tài)物質(zhì)固體是指其內(nèi)部組成

4、的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、分子）在三4.晶體晶體：其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、原子團(tuán)、分子）在 三維空間里成周期重復(fù)排列。自然界絕大多數(shù)物質(zhì)晶體（巖鹽、砂子、金屬、食鹽、冰糖、明礬、冰、云母、水晶等等）根據(jù)鍵性的不同分：離子晶體（鹽）、共價(jià)晶體（金剛石）、金屬晶體、分子晶體、氫鍵型晶體（含有氫鍵的礦物晶體、冰）晶體的特性；整齊規(guī)則的外形、具有固定的熔點(diǎn)（固體加熱、溫度上升達(dá)到一定溫度時(shí)開始溶化，在沒(méi)有全部溶化之前，繼續(xù)加熱，溫度不再上升。供給熱量都用于固體向液態(tài)轉(zhuǎn)化熱量全部變成液態(tài)后，繼續(xù)加熱，溫度又會(huì)上升）、各向異性（物理性質(zhì)從不同方向測(cè)定時(shí)不同）、具有最小內(nèi)能是一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)-4.晶體晶體：其內(nèi)部質(zhì)

5、點(diǎn)（原子、離子、原子團(tuán)、分子）在 三5.非晶態(tài)（無(wú)定形態(tài)）物質(zhì) 也稱非晶體：是指其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間排列成無(wú)序狀態(tài)的物質(zhì)。如瀝青、橡膠、塑料特性：無(wú)固定的外型狀態(tài)（無(wú)定形態(tài)）、無(wú)固定的熔點(diǎn)（加熱過(guò)程逐漸變軟，最后變成液體）、各向同性-5.非晶態(tài)（無(wú)定形態(tài)）物質(zhì) 也稱非晶體：是指其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維6.物質(zhì)的微分相與微晶態(tài)物質(zhì)物質(zhì)的分相：物質(zhì)在變化過(guò)程中，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生遷移，使某些組成發(fā)生偏聚，形成內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不同（即化學(xué)成分不同）的兩個(gè)區(qū)域物質(zhì)的分相區(qū)域在納米至幾百納米的區(qū)域范圍屬于微分相在無(wú)定形態(tài)物質(zhì)中由于微分相的結(jié)果，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)形成納米級(jí)微小晶態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為微晶體（簡(jiǎn)稱微晶），或稱晶子

6、這種內(nèi)部具有微晶體的無(wú)定形物質(zhì)稱為微晶態(tài)物質(zhì)。介于無(wú)定形態(tài)和晶態(tài)物質(zhì)之間的物體，如玻璃、微晶玻璃玻璃是在無(wú)定形物質(zhì)中含有微小晶態(tài)結(jié)構(gòu)比較小和比較少的微晶物質(zhì)，其中微晶大小約0.72.0nm，微晶含量約10%20%微晶玻璃是在無(wú)定形物質(zhì)中含有微小晶態(tài)結(jié)構(gòu)比較大和比較多的微晶物質(zhì)，微晶大小約0.11.0um，微晶含量大于50%，典型：95%98%-6.物質(zhì)的微分相與微晶態(tài)物質(zhì)物質(zhì)的分相：物質(zhì)在變化過(guò)程中，內(nèi)7.玻璃的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代玻璃結(jié)構(gòu)理論：玻璃內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的結(jié)合，以玻璃形成體陽(yáng)離子（如Si+4、B+3、P+5等），與氧離子在玻璃中形成配位關(guān)系，組成了多面體（通常是硅氧四面體），各個(gè)多面體之間通過(guò)頂角

7、相互連接，形成向三維空間發(fā)展的連續(xù)的無(wú)規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)體結(jié)構(gòu)；一些陽(yáng)離子（如Na+、K+等）與氧離子也有一定的配位關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分布在無(wú)序的網(wǎng)絡(luò)空間中稱為玻璃網(wǎng)絡(luò)外體。網(wǎng)絡(luò)體結(jié)構(gòu)中一定的近程區(qū)域存在一些微晶結(jié)構(gòu)，即微晶分散在無(wú)定形區(qū)域中，從微晶到無(wú)序的過(guò)渡是逐步形成的，無(wú)明顯的界線，微晶中心區(qū)域有序程度最高，離中心愈遠(yuǎn)，有序程度愈低，不規(guī)則程度也愈顯著。這種現(xiàn)象也稱為近程有序近程：指物質(zhì)的原子或離子周圍的范圍一般小于 2nm微觀尺度， 1.01.5nm相當(dāng)于2-4個(gè)多面體的有規(guī)則排列。非近程區(qū)域 大于2nm微觀尺度-7.玻璃的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代玻璃結(jié)構(gòu)理論：-8.玻璃的化學(xué)成分玻璃是由多種化合物形成的含有微晶體的

8、網(wǎng)絡(luò)狀固體氧化物玻璃多是以氧化物為主。玻璃網(wǎng)絡(luò)體由A2O3/AO2/A2O5型氧化物構(gòu)成，如SiO2（硅）、B2O3、P2O5、As2O3、Al2O3、Ta2O5；網(wǎng)絡(luò)外體由A2O/AO型氧化物構(gòu)成，如Na2O、K2O、CaO、PbO、BaO。-8.玻璃的化學(xué)成分玻璃是由多種化合物形成的含有微晶體的網(wǎng)絡(luò)狀各類氧化物的含量不同，形成玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同-各類氧化物的含量不同，形成玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同-光學(xué)玻璃的光學(xué)常數(shù)nd和nf-nC與化學(xué)成分有加和關(guān)系：nd=Pindi/Si / Pi/Si ； nf-Nc= Pi（ nf-nC ）i/Si / Pi/Si （Pi含量，Si修正系數(shù)）-光學(xué)玻璃

9、的光學(xué)常數(shù)nd和nf-nC與化學(xué)成分有加和關(guān)系：nd9.玻璃的特征各向同性：玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)在各個(gè)方向都是相同 （進(jìn)程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序 統(tǒng)計(jì)均質(zhì)結(jié)構(gòu) 宏觀上 均勻結(jié)構(gòu)） 折射率、硬度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電系數(shù)、彈性模數(shù)介穩(wěn)性（亞穩(wěn)性）：玻璃內(nèi)部具有較高的內(nèi)能卻處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（玻璃形成過(guò)程并沒(méi)有放出內(nèi)部的全部熱量，比同成分的晶態(tài)物質(zhì)含有較高的內(nèi)能；玻璃有放出這部分內(nèi)能向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的可能，即析晶傾向，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，但玻璃具有很高的黏度，阻礙玻璃向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，仍然是比較 穩(wěn)定的狀態(tài)無(wú)固定熔點(diǎn)的可逆性：玻璃由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時(shí)在一定的溫度范圍（軟化溫度范圍）內(nèi)進(jìn)行的，或者玻璃熔體在冷卻過(guò)程中沒(méi)有新相

10、出現(xiàn)，而是逐漸地稠化。上述兩個(gè)過(guò)程沒(méi)有固定熔點(diǎn)而且是可逆的玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程中物理化學(xué)性質(zhì)是連續(xù)漸變：玻璃的冷卻/溶化過(guò)程是在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)完成的，變化過(guò)程是連續(xù)的，物理化學(xué)性質(zhì)也具有連續(xù)漸變性。粘度、比熱、比容、熱膨脹系數(shù)、硬度.-9.玻璃的特征各向同性：玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)在各個(gè)方向都是相同10.光學(xué)玻璃類型應(yīng)用特征：無(wú)色光學(xué)玻璃（呈透明無(wú)色狀、應(yīng)用最廣泛、用量最多）、有色光學(xué)玻璃（呈一定顏色狀態(tài)）、特種光學(xué)玻璃（紅外、紫外、石英、防/耐輻射、激光玻璃 、非線性玻璃）網(wǎng)絡(luò)體基本成分：氧化物：硅酸鹽、硼酸鹽、鍺酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽 非氧化物：氟化物、硫化物、硒化物 無(wú)色光學(xué)玻璃按照色散系數(shù)的

11、大小分兩大類：火石玻璃（色散大d小于50、折射率高、質(zhì)軟而重、透明低差呈淡黃色），其中按折射率不同分為9個(gè)類型（輕火石QF、火石F、鋇火石BaF、重鋇火石ZBaF、重火石ZF、鑭火石LaF、重鑭火石ZLaF、鈦火石TiF、特種火石TF）冕牌玻璃（色散小d大于50、折射率低、質(zhì)硬而輕、透明），其中按折射率不同分為9個(gè)類型（輕冕QK、氟冕FK、冕K、磷冕PK、鋇冕BaK、重冕ZK、鑭冕LaK、特冕TK、冕火石KF）-10.光學(xué)玻璃類型應(yīng)用特征：無(wú)色光學(xué)玻璃（呈透明無(wú)色狀、應(yīng)用11.無(wú)色光學(xué)玻璃的牌號(hào)無(wú)色光學(xué)玻璃的牌號(hào)是對(duì)某一類型的玻璃的具體描述按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB903-87規(guī)定分為：普通（P）和耐輻

12、射（N）兩個(gè)光學(xué)玻璃系列，其序號(hào)分別為199和501599例：K9-517642 表示普通（P）系列的冕牌光學(xué)玻璃9號(hào)，色散系數(shù)51.7，折射率1.642例：K509 表示耐輻射（N）系列的冕牌光學(xué)玻璃509號(hào)例：BaF502表示耐輻射（N）系列的鋇火石光學(xué)玻璃502號(hào)-11.無(wú)色光學(xué)玻璃的牌號(hào)無(wú)色光學(xué)玻璃的牌號(hào)是對(duì)某一類型的玻璃無(wú)色光學(xué)玻璃nd- d領(lǐng)域圖-無(wú)色光學(xué)玻璃nd- d領(lǐng)域圖-12.光學(xué)玻璃主要性能（1）光學(xué)常數(shù)：主要是折射率和色散系數(shù)光學(xué)玻璃可以控制光的傳播和改變光波的相對(duì)光譜能量分布，是由于折射率決定的光學(xué)玻璃折射率隨不同波長(zhǎng)的變化而不同，即色散存在光學(xué)設(shè)計(jì)根據(jù)光學(xué)玻璃光學(xué)常數(shù)

13、的名義值設(shè)計(jì)成像要求和成像質(zhì)量n=C/V n大于1d=（nd-1）/（nF-nC） d、F、C分別表示587.56nm（氦）、 486.13 （氫）nm、656.27nm（氫）波長(zhǎng)nd 、nF、 nC分別表示不同波長(zhǎng)下的折射率nF-nC表示中部色散（也稱主色散）色散系數(shù)d，也稱阿貝數(shù)-12.光學(xué)玻璃主要性能（1）光學(xué)常數(shù)：主要是折射率和色散系數(shù)12.光學(xué)玻璃主要性能（2）化學(xué)性能a耐潮濕穩(wěn)定性是指光學(xué)玻璃抗水氣、CO2、SO2等潮濕大氣的侵蝕能力侵蝕過(guò)程：玻璃表面某些離子吸附空氣中的水分子，水分子以O(shè)H-1離子基團(tuán)形式覆蓋在表面，并不斷吸收其它水分子或其它物質(zhì)，形成幾十個(gè)分子厚的薄層，玻璃表面

14、的堿金屬氧化物，就會(huì)和水膜作用變成堿金屬氫氧化物的溶液，并進(jìn)一步吸收水分，使玻璃表面受到破壞，產(chǎn)生“白班”或“霧蝕”等變質(zhì)層實(shí)踐表明：水氣比水溶液對(duì)玻璃具有更大的侵蝕性+開始都是以離子交換為主的釋堿過(guò)程+后期堿的濃度增大，水溶液對(duì)堿有稀釋作用，水氣卻不能，濃度大到一定是就過(guò)渡到以破壞玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主CO2、SO2溶于水生成酸，與水解析出的堿作用，加快水解濁度值H（評(píng)價(jià)玻璃耐潮濕穩(wěn)定性的能力）：表面“白斑”“霧蝕” 變質(zhì)層使平行光的散射性增大，利用散射光測(cè)量來(lái)評(píng)價(jià)侵蝕程度 方法：兩面拋光的玻璃樣品置于70+/-1 飽和蒸汽條件下侵蝕7晝夜，測(cè)量散射光，計(jì)算濁度值H 。 國(guó)標(biāo)：把玻璃耐潮濕穩(wěn)定性分

15、為4級(jí)-12.光學(xué)玻璃主要性能（2）化學(xué)性能-12.光學(xué)玻璃主要性能b耐酸穩(wěn)定性一般酸并不直接與玻璃起反應(yīng)，酸通常都是在玻璃產(chǎn)生水解后才參與氫氟酸對(duì)玻璃的硅離子有較強(qiáng)的作用，對(duì)玻璃的腐蝕較大通常用酸度為PH2.9醋酸、PH4.6標(biāo)準(zhǔn)醋酸鹽、PH6.0的蒸餾水來(lái)侵蝕玻璃樣品，來(lái)判斷耐酸穩(wěn)定性（在白熾燈下觀察樣品表面出現(xiàn)紫藍(lán)干涉色的時(shí)間）-12.光學(xué)玻璃主要性能b耐酸穩(wěn)定性-12.光學(xué)玻璃主要性能（3）機(jī)械性能密度 ：石英的密度最小2.2克/立方厘米，重火石玻璃可達(dá)6.5克/立方厘米，普通的鈉、硅、鈣玻璃約為2.5克/立方厘米硬度：指抵抗其它物體侵入能力。硬度是影響零件加工的重要因素，不同硬度的玻

16、璃工藝條件要不一樣。硬度取決于化學(xué)成分，石英和含有1012%的硼硅酸鹽玻璃硬度最大，多鉛或堿性氧化物含量大的玻璃硬度最小克氏硬度HK（努普硬度）采用對(duì)稱棱角為172.5度和130度的四角錐金剛石壓頭，加壓負(fù)荷F（0.981N），垂直壓在樣品表面，保持一定時(shí)間（5S）后，撤出負(fù)荷，6min內(nèi)測(cè)出樣品上壓痕的長(zhǎng)度d，用HK=0.102F/0.07028d2求出相對(duì)研磨硬度A=V0/V（標(biāo)準(zhǔn)玻璃（K9）樣品的被研磨體積V0與被測(cè)玻璃的研磨體積V的比值）-12.光學(xué)玻璃主要性能（3）機(jī)械性能-12.光學(xué)玻璃主要性能（4）熱學(xué)性能線膨脹系數(shù)：一定溫度范圍內(nèi)溫度升高1時(shí)玻璃單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量玻璃轉(zhuǎn)變溫度：玻

17、璃在某一溫度區(qū)逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭?塑態(tài)（變軟），把室溫到軟化溫度間的伸長(zhǎng)曲線延伸，把從馳垂溫度到軟化溫度間的伸長(zhǎng)曲線延伸，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度馳垂溫度：玻璃試樣在升溫過(guò)程中停止膨脹時(shí)的溫度 -12.光學(xué)玻璃主要性能（4）熱學(xué)性能-13.無(wú)色光學(xué)玻璃質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)是設(shè)計(jì)人員提出的對(duì)玻璃的要求，用滿足質(zhì)量指標(biāo)要求的光學(xué)玻璃，生產(chǎn)加工出的零件才能滿足光學(xué)系統(tǒng)的要求，所以，生產(chǎn)加工要按質(zhì)量指標(biāo)要求采購(gòu)玻璃材料。質(zhì)量指標(biāo)有：1.折射率色散系數(shù)允許差值（與標(biāo)準(zhǔn)值）： nd 、 d（通常用V棱鏡折光儀測(cè)量）。分為6級(jí)00、0、1、2、3、42.同批玻璃折射率及色散系數(shù)的一致性。分為4級(jí)A、B、C、D3.光學(xué)均勻性： 同一塊玻璃中各點(diǎn)的折射率是不同的（退火爐內(nèi)各處溫度不均勻所引起的，引起光學(xué)零件各部分光程差不一致變化，影響成像質(zhì)量）。分為級(jí)1、2、3、44.應(yīng)力雙折射：玻璃有殘余應(yīng)力產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量光通過(guò)玻璃所產(chǎn)生的光程差來(lái)判斷雙折射現(xiàn)象。分為5級(jí)1、1a、2、3、4。玻璃內(nèi)能不均勻造成，玻璃存在內(nèi)應(yīng)力，通過(guò)退火來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力，但完全消除是不可能的，使玻璃具有各向異性，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。在光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生與雜散光相類