CN101164940B - 透红外镓酸盐玻璃 - Google Patents
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Abstract
一种透红外镓酸盐玻璃，该玻璃的组成为：Ga2O3：5～40mol％，MO/MCO3：30～70mol％，MF2/MCl2：0.1～25mol％，Me2O3：0～24mol％。同时在熔制过程中通入干燥空气、CCl4、GeCl4、Cl2、SOCl2中的一种或几种，有效地降低了玻璃中有害羟基的含量。该玻璃是截止波长大于6μm的玻璃，玻璃声子能量低，成玻璃性能好，机械性能优良，光学质量高，羟基含量低，适合制备飞机传感器窗口、侦察机侦察窗口、车辆窗口和导弹头罩以及红外激光光纤，和用作光纤放大器的基质玻璃和其他光学材料。
Description
技术领域
本发明涉及光学玻璃，特别是一种透红外镓酸盐玻璃，其特点是该玻璃主要以氧化镓作为玻璃形成体，在0.5～5μm范围内的透过率高，羟基引起的吸收对红外透过光谱影响小。
背景技术
0.5～5μm波段高透的光学材料在民用和军用领域有十分重要的应用，包括：红外对抗(IRCM)、化学物遥感、激光雷达、红外目标仿真、保密空间通信和卫星通信、红外制导、航空-航天侦察仪器等等。这些新一代的光电系统，时常是在十分苛刻的条件下工作，因此对其窗口材料提出了更高的要求，不但希望其在红外激光发射波段具有尽可能低的光吸收、高的激光损伤阈值和光学均匀性等，同时对材料的尺寸(＞φ200mm)、成型、机械和热性能等等常有更高的要求。
当前可以获得的透可见-中红外波段的窗口材料要么太软，要么受透过范围限制，或是难以大尺寸制备和加工，且所有的这些材料价格都非常昂贵。蓝宝石具有非常好的机械性能和抗不利环境的特点，但是由于多声子吸收，限制了蓝宝石在4～5μm附近的透过率。而且蓝宝石非常昂贵，加工成本也远大于一般玻璃；另外受工艺限制，很难获得大尺寸的蓝宝石材料。ZnS多晶在中红外区域具有很宽的透过范围，但是由于颗粒散射导致可见透过较差，而且机械性能较差，抛光成本高，同时高的热光系数(dn/dT)引起透过的高能激光光程畸变。氟化物玻璃具有非常好的红外透过性能，但是难以得到高光学质量的大块材料(参见Development of bulk heavy-metal fluoride glass optocs，SPIEVol.2018，1993，66-77)。
已有技术(参见Gallium oxide glasses，key engineering materials，Vol.94-95，1994，257-278)对镓酸盐玻璃的研究进行了综述报道。其中，PbO-Bi2O3-Ga2O3组成的三元系统具有较大的玻璃形成区域，但是该玻璃中作为形成体的Bi2O3含量大于60％，玻璃转变温度小于450℃，对可见光的透过率差。另外文中提到了大量玻璃组成：33.4CaO-59.6Ga2O3-7SiO2，(35～70)CaO-(65～30)Ga2O3，(60～80)SrO-(20～40)Ga2O3，BaO-SrO-CaO-Ga2O3等，以上成分的玻璃形成能力差，仅仅限于制备小块样品。
Burton在专利(参见美国专利：专利号3188216，1965)中申请了对SrO-Ga2O3为基础的玻璃成分的保护要求，在组分中再引入少量GeO2，ZnF2，PbF2等。但限于组成的抗析晶性能，也只能制备小块玻璃样品。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种透红外镓酸盐玻璃，该玻璃可以用作同时对可见光和中红外光具有很高透过能力的透多波段窗口材料。该玻璃由于羟基导致的玻璃在3.0μm附近的吸收系数非常小。该玻璃是一种稳定的、易于大尺寸和复杂形状制备、高光学均匀性的可见-红外光学材料，且与现在当前使用的材料相比要便宜得多。该玻璃是截止波长大于6μm的玻璃，玻璃声子能量低，成玻璃性能好，机械性能优良，光学质量高，羟基含量低，适合制备飞机传感器窗口、侦察机侦察窗口、车辆窗口和导弹头罩以及红外激光光纤，和用作光纤放大器的基质玻璃和其他光学材料。
本发明的基本思想是：
1、以Ga2O3-MO(其中M为Mg、Ca、Sr、Ba元素中的一种或几种)为组成的镓酸盐玻璃为基础，对玻璃组成进行优化、调整。引入氟化物和其他氧化物，改善玻璃形成能力，降低玻璃溶制温度，以便于制备大尺寸光学材料。
2、为降低玻璃中的有害羟基对红外透过的影响，在玻璃组成中引入卤化物，同时对玻璃制备过程中可能引入的水分的环节进行控制。这样所得到的玻璃具有很宽的透过范围和很高的透过率。
本发明具体的技术解决方案如下：
一种透红外光的镓酸盐玻璃，该玻璃组成如下：
成分 mol％
Ga2O3 5～40
MO或MCO3 30～70
MF2或MCl2 0.1～25
Me2O3 0～24
其中M为Mg、Ca、Sr、Ba元素中的一种或几种，Me为In、Y、La、Al元素中的一种或几种。
所述的透红外镓酸盐玻璃更好的组成范围如下：
组成 mol％
Ga2O3 15～30
MO/MCO3 45～55
MF2/MCl2 5～15
Me2O3 5～10
一种透红外的镓酸盐玻璃，基本组成为Ga2O3-MgO-CaO-SrO-BaO。其特征在于Ga2O3含量为5～40mol％，MgO+CaO+SrO+BaO的总含量为30～70mol％。
在上述玻璃组成中加入卤化物MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、BaCl2中的一种或几种，含量不大于25mol％。一方面提高了玻璃形成能力，容易获得大块无析晶材料；同时，在成分中起到助熔剂作用，降低了玻璃熔制温度；卤化物的加入也极大降低了玻璃中的有害羟基含量，提高了在3～5μm范围内的红外透过性能。
在上述玻璃组成中加入In2O3/Y2O3/Al2O3/La2O3，总含量不大于24mol％。随着上述氧化物含量增加，玻璃的硬度提高。
本发明透红外镓酸盐玻璃的制备方法为通常的玻璃制备方法：
按上述组成配制1000克粉料，在大约1350℃于电炉中熔制3小时以消除熔体中的气泡，在熔体中通入干燥空气、CCl4、GeCl4、Cl2、SOCl2中的一种或几种，然后维持在约1280℃，搅拌3小时使玻璃均匀。将熔体浇注在预热的模板上，快速冷却至约640℃防止析晶，在转变温度Tg温度附近退火2小时，消除玻璃中应力后，然后缓慢冷却至室温。
表1给出了本发明所得到的透红外镓酸盐玻璃与ZnSe和多晶ZnS的性质比较，其中透红外镓酸盐玻璃组成为30Ga2O3+50CaO+5Al2O3+15BaF2：
表1
| 参数 | 多晶ZnS | ZnSe | 锗酸盐玻璃 | 本发明玻璃 |
| 颗粒尺寸(μm)密度(g/cm<sup>3</sup>)努普硬度(kg/mm<sup>3</sup>)弹性模量(psi)泊松比脆性强度(fracture)1μm的折射率dn/dT(632nm)(K<sup>-1</sup>) | ～354.116010.7×10<sup>6</sup>0.3100002.255×10<sup>-6</sup> | ～505.271109.75×10<sup>6</sup>0.2880002.57100×10<sup>-6</sup> | 没有4.7470～10×10<sup>6</sup>～0.3～12500～1.75～9×10<sup>-6</sup> | 没有4.2580～12×10<sup>6</sup>～0.3～14000～1.73～9×10<sup>-6</sup> |
ZnSe和多晶ZnS属于晶体，而锗酸盐和镓酸盐玻璃属于无定性材料，因此具有更好的可见光透过性能。另外值得注意的性质是硬度和热光系数，本发明玻璃硬度为晶体的5倍，而dn/dT值比晶体小得多，表明本发明的材料作为红外光学窗口具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明透红外镓酸盐玻璃的中红外透过光谱，样品厚度为3mm。材料在3～5μm的透过率大于80％，显示了该玻璃优良的红外性能。
具体实施方式
实施例1，
本实施例采用摩尔百分比组成30Ga2O3+35CaO+20BaO+15BaF2，配制1000g粉料，在1350℃于电炉中熔制2小时，在熔体中通入干燥空气，然后降温并保持在1250℃1小时，搅拌1小时使玻璃均匀。将熔体浇注在预热的模板上，在630℃退火2小时，以消除玻璃中应力后，然后缓慢冷却至室温得到镓酸盐透红外玻璃，表1列出了本实施例玻璃的性能，表明本实施例玻璃具有良好的物理性能。图1为本实施例玻璃的透过光谱，具有很宽的透过范围和较高的透过率(未镀膜)，并在3.3μm附近的羟基吸收小，是一种具有很好应用前景的红外材料。该材料具有较好物理化学性能，如表2所示：
表2
| 折射率n<sub>d</sub> | 阿贝数 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 硬度(Kg/mm<sup>2</sup>) | 玻璃转变温度(℃) | 热膨胀系数(10<sup>-7</sup>K<sup>-1</sup>)(50～100℃) | dn/dT(10<sup>-7</sup>K<sup>-1</sup>)(50～100℃) | 热光系数W(10<sup>-7</sup>K<sup>-1</sup>) |
| 1.7105 | 38.4 | 4.41 | 560 | 670 | 84.3 | 63.1 | 123 |
实施例2，实施例3，实施例4，实施例5
按下表3实施例2，实施例3，实施例4，实施例5的组成称量各成分配制100克粉料，在1350～1450℃于电炉中熔制3小时，在熔体中通入干燥空气，然后维持在1250～1350℃，搅拌3小时，使玻璃均匀。将熔体浇注在预热的模板上，快速冷却至约640℃，在Tg温度附近退火2小时，然后缓慢冷却至室温。
本发明玻璃的试验表明：
该玻璃可以用作同时对可见光和中红外光具有很高透过能力的透多波段窗口材料。
该玻璃由于羟基导致的玻璃在3.0μm附近的吸收系数非常小。
该玻璃是一种稳定的、易于大尺寸和复杂形状制备、高光学均匀性的可见-红外光学材料，且与现在当前使用的材料相比要便宜得多。
该玻璃是截止波长大于6μm的玻璃，玻璃声子能量低，成玻璃性能好，机械性能优良，光学质量高，羟基含量低，适合制备飞机传感器窗口、侦察机侦察窗口、车辆窗口和导弹头罩以及红外激光光纤，和用作光纤放大器的基质玻璃和其他光学材料。
表3
| 实施例编号 | Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | MO | MF<sub>2</sub> | ||||||
| CaO | SrO | BaO | MgO | CaF<sub>2</sub> | BaF<sub>2</sub>/BaCl<sub>2</sub> | SrF<sub>2</sub> | MgF<sub>2</sub> | ||
| 1 | 5 | 28 | 10 | 5 | 5 | 0 | 10BaF<sub>2</sub> | 5 | 0 |
| 2 | 29.9 | 50 | 20 | 0 | 0 | 0 | 0.1BaCl<sub>2</sub> | 0 | 0 |
| 3 | 40 | 40 | 10 | 5 | 0 | 2 | 3BaCl<sub>2</sub> | 0 | 0 |
| 4 | 35 | 30 | 0 | 0 | 0 | 0 | 12BaF<sub>2</sub> | 0 | 3 |
| 5 | 27 | 34 | 14 | 0 | 0 | 5 | 15BaF<sub>2</sub> | 3 | 2 |
续表
| Me<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | ||
| Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | In<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| Me<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | ||
| 5Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 5 | 14 |
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| 3La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 2 | 15 |
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Claims (1)
1.一种透红外镓酸盐玻璃，其特征在于该玻璃的组成如下：
成分 mol％
Ga2O3 5～40
MO或MCO3 30～70
MF2或MCl2 0.1～25
Me2O3 0～24
其中M为Mg、Ca、Sr、Ba元素中的一种或几种，Me为In、Y、La、Al元素中的一种或几种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU HENGCANG INFRARED OPTICAL MATERIALS R & D Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI OPTICS AND PRECISION MECHANICS INSTITUTE, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date: 20080711 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20080711 Address after: Postal code 98, Yueyang Road, Chengxiang Town, Jiangsu City, Taicang Province, China: 215400 Applicant after: Suzhou Hengcang Infrared Optical Material Research and Development Center Co., Ltd. Address before: Shanghai 800-211 post box, zip code: 201800 Applicant before: Shanghai Optical Precision Machinery Inst., Chinese Academy of Sciences |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI OPTICAL PRECISION MACHINERY INST., CHINES Free format text: FORMER OWNER: SUZHOU HENGCANG INFRARED OPTICAL MATERIAL RESEARCH AND DEVELOPMENT CENTER CO., LTD. Effective date: 20110916 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 215400 SUZHOU, JIANGSU PROVINCE TO: 201800 JIADING, SHANGHAI |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110916 Address after: 201800 Shanghai 800-211 post office box Patentee after: Shanghai Optical Precision Machinery Inst., Chinese Academy of Sciences Address before: 215400 No. 98, Yueyang Road, Chengxiang Town, Jiangsu, Taicang Patentee before: Suzhou Hengcang Infrared Optical Material Research and Development Center Co., Ltd. |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101124 Termination date: 20120929 |