9.2.3. Оптические стекла

Оптические детали и узлы в оптическом приборостроении изготавливают из материалов, прозрачных для лучей света и имеющих высокую оптическую однородность. Детали из оптических материалов должны сохранять форму и прецизионную точность обработанных поверхностей при воздействии высоких и криогенных температур, динамических и знакопеременных нагрузок, высокого вакуума, факторов космического пространства и т.п. Важным показателем возможности применения материала как оптического является его способность образовывать полированные поверхности высокой степени чистоты.

Небольшое распространение в качестве оптического материала получили оптические стекла, многим из которых характеризуются высокими оптическими свойствами, хорошими технологическими и эксплуатационными качествами. Наряду с оптическими материалами в оптических приборах используются также конструкционные, электротехнические (диэлектрики, проводники, полупроводники) и другие виды материалов.

Оптическое бесцветное стекло

Основным материалом в оптическом приборостроении является оптическое бесцветное стекло, которое служит материалом для изготовления оптических деталей. В зависимости от химического состава оптическое стекло имеет определенную совокупность оптических постоянных показателей преломления для различных длин валы и производных от них величин (средних дисперсий, коэффициентов дисперсии и относительных частных дисперсий).

Большое разнообразие стекол с различными постоянными – необходимое условие создания высококачественных оптических приборов.

Оптическое стекло отличается от технического высокой степенью однородности как по составу, так и по физическим свойствам. Поэтому оптическим стеклом называется прозрачное (специально не окрашенное) стекло любого химического состава, однородность которого по показателю преломления удовлетворяет требованиям ГОСТа. Помимо однородности , от стекла требуется высокая прозрачность, устойчивость к воздействию атмосферных факторов для сохранения с течением времени приданной оптическим деталям формы и хорошая обрабатываемость

В зависимости от значений показателя преломления они подразделяются на кроны и флинты (всего 16 типов): легкий крон (ЛК); фосфатный крон (ФК); тяжелый фосфатный крон (ТФК); крон (К); баритовый крон (БК); тяжелый крон (ТК); сверхтяжелый крон (СТК); особый (с особым ходом дисперсии) крон (ОК); кронфлинт (КФ); баритовый флинт (БФ); тяжелый баритовый флинт (ТБФ); легкий флинт (ЛФ); флинт (Ф); тяжелый флинт (ТФ); сверхтяжелый флинт (СТФ); особый (с особым ходом дисперсии) флинт (ОФ).

Цветное оптическое стекло

Из цветных оптических стекол изготавливают светофильтры, применяемые в фотографии, наблюдательных и спектральных приборах, для защиты глаз от вредного светового воздействия источников света в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях обозначается буквами, характеризующими тип (цвет) и порядковый номером, например, ЖЗС5-желто – зеленое стекло пятое.

Марки цветного оптического стекла: ультрафиолетовые (УФС), фиолетовые (ФС), синие (СС), сине-зеленые (СЗС), желто-зеленые (ЖЗС), желтые (ЖС), оранжевые (ОС), красные (КС), инфракрасные (ИКС), пурпурные (ПС), нейтральные (НС), темные (ТС) и бесцветные (БС). Название цветного стекла соответствует участку спектра, в котором коэффициент пропускания имеет наибольшее значение. Светофильтры из нейтрального стекла (НС) почти равномерно ослабляют световой поток; из бесцветного стекла – пропускают не только видимое, но ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Окраска стекла обуславливается введением в его состав красителей, которые могут находиться в стекле в молекулярном – растворенном или в коллоидном состоянии.

Кварцевое оптическое стекло

Кварцевым оптическим стеклом называют стекло, получаемое плавлением чистых природных разновидностей кремнезема (SiO₂), а также высокотемпературной переработкой летучих кремнийсодержащих соединений. Кварцевое стекло обладает рядом ценных физико-химических свойств: прозрачность в широком диапазоне ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных волн, высокую термостойкость, огнеупорность, химическую и радиационную устойчивость, малый коэффициент линейного расширения (α=2∙10^-7 при T= -60 +20⁰C).

Оптическое кварцевое стекло применяют для изготовления прозрачных люков летательных аппаратов; конденсаторов, объективов, призм и окон спектральных и других приборов, работающих в УФ и ИК участках спектрах; точных зеркал и концевых отражателей; оптических систем для лазеров; оболочек источников света; защитных стекол приборов, работающих при высокой температуре и при ее резких сменах.

Оптическое кварцевое стекло изготавливается следующих марок: КУ-I, КУ-II, - прозрачные в ультрафиолетовой области спектра; КВ, КВ-Р - прозрачные в видимой области спектра; (КВ-Р- устойчиво к γ - радиации); КИ – прозрачные в ИК области спектра.

Изделия из кварцевого стекла эксплуатируются в условиях высоких температур и давлений, динамических и вибрационных нагрузок, глубокого вакуума и холода, воздействия агрессивных сред, ядерных и космических излучений, плазмы и т.д.

Техническое стекло

Текло, содержащее 75% SiО₂ , 15% Na₂O и 10% CaO называется техническим стеклом. Наиболее распространенным является стекло вертикальной вытяжки СВВ-НВ.233.80.20; оно называется также листовым машинным стеклом, а будучи прошлифовано и прополировано-зеркальным.

В оптических приборах применяются для изготовления защитных стекол, не входящих в оптические схемы приборов из-за неоднородности и химической неустойчивости, диапозитивных пластинок, выравнивающих стекол увеличителей, репродукционных приборов, фотоаппаратов и аэрофотоаппаратов, осветительных зеркал и отражателей.

Стекло с особыми свойствами

Стекла светорассеивающие (молочные) применяются для рассеивания прямых свтовых потоков. Применяют для изготовления деталей, диффузно рассеивающих проходящий или отраженный свет, а также для смягчения ярких световых потоков, создания равномерной освещенности. Их обозначают МС. Стекла приобретают рассеивающие свойства благодаря введению в состав соединений фтора в виде криолита, кремнефосфтористого натрия и других соединений, обеспечивающих мелкодисперсную кристаллизацию («глушение») стекла.

Стекла фотохромные обратимо изменяют свою прозрачность в видимой части спектра в зависимости от освещенности и длительности облучения. После прекращения облучения пропускание стекла восстанавливается. Применяют для изготовления светофильтров, светозащитных очков и экранов и обозначают ФХС.

Радиационно-стойкие стекла

Сохраняют оптические свойства под действием радиационного излучения. Большинство обычных стекол под действием радиации окрашиваются – темнеют, уменьшается их светопропускание.

Радиационную стойкость повышают введением в их состав добавок, предотвращающих образованием ультров окраски (например, окись церия CeO₂). Стекла CeO₂ сохраняют светопропускание после облучения дозой гамма лучами 10⁵Р.

Стекла оптические люминесцирующие - активированы неодимом (Nd). Люминесценция характеризует способность веществ излучать свет под воздействием возбуждающего внешнего излучения. Их используют для изготовления активных элементов твердотельных лазеров направленного излучения с длинами волн 900,1060,1300 нм.

Стекла обозначают ГЛС – генерирующее люминесцирующее стекло.

Инфракрасные бескислородные стекла отличающимся от обычных стекол тем, что в их составе нет химических соединений, содержащих кислород, а процесс стеклообразования происходит в бескислородной среде. К этой группе относятся халькогенидные бескислородные стекла, состоящие из трехсернистого мышьяка As₂S₃, селена, германия или теллура. Стекла прозрачны в ИК области спектра в диапазоне длин волны 1-17 мкм, имеют высокую химическую стойкость, достаточную механическую и термическую прочность. Обозначают ИКС и применяют для изготовления оптических деталей, световодов, волоконных элементов, работающих в ИК области спектра.