Оптическое стекло
Оптическое стекло – это материал, который производится с применением специального состава, который используется в производстве разных оптических систем. В производстве используются неорганические, оксидные нанопорошковые прозрачные керамические материалы, органические, минералоорнаические стекла. В зависимости от сора, материал может иметь особую прозрачность к различным лучам видимых и невидимых участков, светоспектра, а также может разниться по показателю упругости, твердости, биологической совместимости. Главное отличие оптического стекла от технического материала – однородность, а также одинаковые физические свойства в любом направлении.
Изготовление оптического стекла – довольно сложный процесс, для реализации которого требуется специальное оборудование и высокие температуры.
– Для варки материала используются специальные емкости, а сам процесс происходит при минимальной температуре 1500 °C (время варки – не менее 24 часов).
– После извлечения емкостей из печи, обеспечивается медленное охлаждение на протяжении 7–8 дней.
– После остывания, материал тщательно сортируется по размерам и отправляется на доработку. После доработки
– Заготовки нагреваются до температуры 500 °C и подвергаются медленному охлаждению.
– Полученный материал тщательно осматривается на предмет имеющихся дефектов, трещин.
На завершающем этапе оптическое стекло шлифуется и полируется. Этот процесс занимает примерно трое суток. Только после завершения всех вышеперечисленных процессов, получается поверхность, которая полностью готова для использования и производства деталей.
Применение оптического стекла
Оптическое оборудование. Оптическое стекло уже давно используется нами практически ежедневно. Это особый вид стекла, предназначенный для производства прозрачных частей оптики, которая отвечает за формирование изображений.
Основная отличительная черта оптического стекла – однородность и прозрачность в сравнении с техническим стеклом. С одной стороны производство стекла – несложная задача, но выдвижение целого ряда требований нормативной литературой к производству стекла в значительной мере усложняет изготовление и удорожает процесс.
Стекло для производства оптического оборудования создавалось еще в XVIII веке. Но несмотря на это, производство оптических стеклянных материалов связано с изобретением ученым из Швейцарии Гинаном способа механического размешивания стеклянных масс в процессе варки и охлаждения круговыми движениями глиняного стержня, погруженного в стекло в вертикальном положении.
Сегодня подобные материалы применяется для изготовления:
✓ призм;
✓ деталей для наблюдательных систем;
✓ деталей для измерительных приборов;
✓ линз;
✓ пластинок;
✓ кювет.
В зависимости от того, для какой детали предназначено стекло, каждая оптическая константа выдерживается максимально тщательно, а производственные технические параметры соблюдаются в высочайшей точностью. Если пренебрегать этими правилами, то качество детали будет очень низким или вовсе материал не будет соответствовать назначению.
Среди характеристик стекла стоит различать:
– показатель преломления – характеристика, определяющаяся парой спектральных линий, которые именуются «натриевый дублет»;
– средняя дисперсия – показатель, который определяется разностью характеристик преломления синей и красной линий спектра;
– коэффициент дисперсии – число, заданное соотношением характеристики преломления к показателю средней дисперсии.
Кроме бесцветного следует различать цветное и оптическое стекло для трансформации излучения. Из цветного стекла производятся абсорбционные светофильтры. Основное различие цветного оптического стекла от художественного или технического – высокий показатель оптической однородности.
Стекло для трансформации излучения делится на:
✓ фотохромные;
✓ генерирующие люминисцирующие;
✓ магнитно-оптические.
Для всех эти стекол характерно явление фото– и радиационного окрашивания и люминисценции.
Изготавливаются стекла для сферы оптического производства из неорганических и органических материалов.
Поэтому стоит различать основные виды оптического стекла:
✓ неорганическое;
✓ органика или, так называемое, оргстекло;
✓ минерало-органическое.
Основное отличие неорганического стекла – состав веществ, которые образуют материал. К ним относятся оксиды (TeO2, B2O3) и фториды (AlF3). К неорганическим стеклам относится и оптическое кварцевое стекло. Химическая формула его основной образующей всем знакома – SiO2 (кварцевый песок). Такое стекло может образоваться и в природе (попадание молнии в кварцевый песок), но оно не считается оптическим.
На производстве оптическое кварцевое стекло носит сокращенное наименование – кварц. Такое стекло обладает наименьшим показателем преломления и наибольшей характеристикой светопропускания.
Кварцу характерна высокая стойкость к термической обработке. Благодаря широкому диапазону прозрачности данный вид оптического стекла применяется в сфере телекоммуникаций (вспомните оптическое волокно). Современное производство оптических линз считает именно силикатное стекло незаменимым в изготовлении оптических систем разной сложности.
Силикатное стекло бывает:
– прозрачное. В свою очередь делится на оптическое и техническое. Оптическое стекло из кварцевого песка получается средством плавки горного хрусталя. Такой материал полностью однороден;
– непрозрачное. Цвет придается маленькими пузырьками газа, которые находятся внутри материала.
Кремниевое стекло также производится на базе Si, как и кварц, но отличается от него оптическими свойствами. Кремний – один из наиболее востребованных материалов, которые служит основой для производства оптических агрегатов и деталей.
В некоторых случаях кремниевые элементы просто незаменимы. Так, они способны пропускать ИК излучение и преломлять Х-лучи. Другие материалы не способны настолько эффективно работать в столь широком диапазоне, как оптические стекла на основе кварца.
Органическое стекло (ПММА) – синтетический материал полимерной группы. Оргстекло – прозрачный, твердый в меру хрупкий материал, относящийся к классу термопластов. Материал нередко применяется в качестве замены кварцевому стеклу.
Особенности ПММА:
– материал устойчив к агрессивным факторам окружающей среды (повышенное влагосодержание, пониженные температуры);
– оргстекло – значительно мягче в сравнении с техническим стеклом и довольно чувствительно к механическим повреждениям (удары, царапины);
– данный вид оптического стекла гораздо проще поддается обработке, даже обычным металлорежущим инструментом;
– его удобно применять при резке лазером, что, несомненно, играет ключевую роль в гравировке;
– Эффективно отражает инфракрасные лучи, но ультрафиолет проходит сквозь него. Рентгеновское излучение также проходит сквозь оргстекло;
– материал плохо противостоит спирту, ацетону;
– отличная прозрачность, с которой может сравниться только кварц;
– безопасный материал в силу своей безосколочности;
– высокая стойкость к воздействию воды;
– легко обрабатывается при нагревании.
В отличие от минерального стекла полимерное оргстекло обладает повышенной устойчивостью к агрессивным условиям, но при этом обладает довольно хорошими оптическими характеристиками.
Поэтому, оргстекло нашло широкую область применения во многих сферах деятельности:
✓ научно-исследовательские работы;
✓ медицина;
✓ изготовление оптических агрегатов;
✓ строительство.
Минерало-органическое стекло. Оптические свойства стекла позволили применять материал в сегменте офтальмологии. Яркий пример – контактные линзы. Мягкие линзы производятся из материалов, которые обладают бифазной структурой.
Процесс изготовления линз из оптического стекла довольно сложный, требует определенных знаний и навыков.
Процесс изготовления линз можно описать в нескольких пунктах:
– подготовка сырья;
– расплавления материала, получение исходной смеси;
– процесс варения стекла;
– заливка расплавленного материала в формы (заготовки);
– остывание материала (данный этап наиболее продолжительный, в некоторых случая может потребоваться несколько месяцев);
– механическая обработка остывшего стекла;
– нанесение специального покрытия.
Чтобы продукт получился качественным, к нему ставится ряд требований. Смесь должна быть гомогенной, без добавок (газов), что обеспечивает линзам полную чистоту.
Однородность – один из главных показателей для оптического стекла. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.
Однородность материала значит, что коэффициент преломления стекла будет равным во всех точках. Изотропность материала – свойство, обеспечивающее одинаковые физические параметры стекла во всех направлениях.
Многие компании, занимающиеся производством фотографических агрегатов, самостоятельно разрабатывают свои методики изготовления оптических материалов, техники нанесения специальных покрытий на стекло.
Производство оптических стекол
Оптические стекла играют важную роль на современном этапе развития человечества. Производство таких материалов – важная и ответственная задача, которая под силу лишь профессионалам. Как правило, стекло для оптических аппаратов изготавливается методом варки. Довольно широко применяются экструзионный метод и технология литья.
Варение стекла происходит в предназначенных для этой задачи огнеупорных горшках из шихты (смеси исходных материалов). Эти горшки со смесью помещаются в специальную печь для варения стекла.
Нередко в шихту включают стеклобой. Суммарное содержание битого стекла не должно превышать 40 %. При этом стеклобой должен обладать таким же составом, что и исходный продукт.
Т.е. при варке кварца битое стекло тоже должно быть силикатным. Производство оптического стекла протекает с использованием спецоборудования – водородных горелок.
Сотрудники компании тщательно перемешивают смесь до гомогенного состояния. Процесс проводится непрерывно с помощью специального керамического прибора. В это же время несколько раз берутся пробы сырья для контроля качества.
Одним из самых важных этапов варки считается осветление. Процесс протекает сам по себе посредством выделения газов при варке оптического стекла с добавлением осветителей.
После этого огнеупорные горшки достаются из печи. Смесь, находящая в них, медленно охлаждается. Обычно, охлаждение длится 6–8 дней, но случается так, что процесс затягивается на несколько месяцев.
Из-за того, что горячая смесь остывает неравномерно, стекло трескается. Его осколки тщательно сортируются, пристально осматриваются и отбираются пригодные для дальнейшей обработки куски.
Чтобы сократить время на производство оптического стекла, предприятия перед механической обработкой прессуют отобранные осколки в небольшие плиты.
Пресс работает с нагретым до 500 °C материалом. В дальнейшем стекло снова поддается медленному охлаждению. Процесс остывания проходит в электрических печах, носит название «отжиг». Далее проводится контроль качества, обнаружение дефектов.
При варке цветного стекла в смесь добавляются вещества, в составе которых высокое содержание золота, меди, селена или другого цветного металла.
Способ заливки применяется в производстве органического стекла. Однородную смесь с отвердителями и красителями (мономер) заливают между пластинами из кварцевого стекла. В это время происходит полимеризация материала, которая имеет продолжительность до получения готового листового органического стекла. Современные технологии позволяют получать оргстекло с необходимыми параметрами.
Экструзионный способ также применяется для изготовления полимерного стекла. Технологический процесс проходит непрерывно на специальных экструзионных линиях. Это обусловлено автоматизацией производства. С помощью технологии можно получить листы высокого качества с заданными параметрами. Как правило, толщина листового стекла после производства на линии экструзирования от 1,8 мм до 10 мм.
Характеристики оптического стекла
Современные технологии позволяют зарубежным и отечественным производителям создавать материалы с невероятными характеристиками.
Самый распространенный материал в оптике – бесцветное оптическое стекло. Ассортимент материала постоянно расширяется, номенклатура растет не по годам. Это позволяет выбрать наиболее подходящее стекло для определенных нужд в той или иной сфере применения оптического материала.
Бесцветное оптическое стекло производится в трех сериях (0, 100 и 200).
Стекла с маркировкой «0» пригодны для производства деталей и аппаратов, которые используются в обычных условиях.
Стекла серии «100» применяются в изготовлении деталей, которые будут работать при незначительном ионизирующем излучении.
А оптика класса «200» широко востребована в изготовлении агрегатов, основная задача которых – работа в условиях интенсивного излучения.
Независимо от серии, выпущенные стекла могут иметь разный химический состав. Поэтому на производстве каждому виду оптического стекла присваивается свой номер (марка). Наименование материала состоит из букв и цифр. Буквы значат принадлежность к определенному типу оптического материала.
Стоит отметить, что в связи с показателем дисперсии были введены два типа стекол для оптики:
кроны – представляют собой стекла с низким коэффициентом преломления, но высоким показателем дисперсии. Как правило, это силикатные стекла;
флинты – маленькое значение дисперсии, но высокий показатель преломления. Обычно в класс флинтов относят стекла с содержанием плюмбума (свинца).
На современном этапе производство оптических материалов выделяет класс кронфлинтов. Это промежуточная группа между вышеупомянутыми оптическими стеклами.
Также в оптике упоминаются так называемые «особые» стекла. Основное отличие таких материалов – независимые друг от друга показатель преломления и значение дисперсии.
Обе характеристики могут быть высокими или низкими в одном оптическом материале, что до недавнего времени противоречило всем канонам оптики.
Производство оптических материалов жестко регламентируется. Стекло оптическое ГОСТ 351494 – ныне действующий документ, который распространяется на бесцветные и неорганические материалы для оптики.
Нормативным документом предусматривается урегулирование производства заготовок с диаметром не более 500 мм. Данный ГОСТ действует в совокупности с другим нормативным документом – ГОСТ 13240, предусматривающим выпуск продукции для экспорта и нужд экономики государства.
Стекло оптическое ГОСТ 13659-78 охватывает производство оптических бесцветных материалов, стандартизирует физические и химические свойства и прочие параметры стекол.
Нормативная литература способна полностью урегулировать процесс производства оптики, поэтому беспокоиться о качестве продукции отечественных производителей не стоит.
