CN107555784A - 一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用，所述含铯光学玻璃，按物质的量份数计，包括组分：SiO₂ 40～60份，Cs₂O 10～20份，Na₂O 0.1～11份，Al₂O₃ 0.1～3份，TiO₂ 10～22份，Sb₂O₃ 0.01～0.1份。本发明所述含铯光学玻璃，具有折射率高、结构性能稳定和环境友好等优点。

Description

一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及光学玻璃技术领域，尤其涉及一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用。

背景技术

自聚焦透镜作为光学领域的微小元器件，因其具有区别于普通透镜的诸多优点而广泛应用于通信、医疗、工业和测量等方面。市场生产自聚焦透镜最常用也是最成熟的方法是离子交换技术，而透镜性能的优劣直接取决于用于离子交换的基质玻璃的选取。在离子交换过程中，对基质玻璃基本要求是：折射率高、物理化学性能稳定、光透过率高。现阶段，无论商品化的自聚焦透镜还是科研产品中的自聚焦透镜，其基质玻璃多采用硅酸盐、硼酸盐等系统的玻璃。

现有技术中的自聚焦透镜，以Li-Na、Tl-K离子交换产生的自聚焦透镜较多，也有Ag-K的自聚焦透镜，但都存在一些问题：Li-Na交换的自聚焦透镜，含锂的基质玻璃折射率低，那么得到的透镜相对折射率差值小、数值孔径小、聚焦性能差。虽然Tl-K自聚焦透镜在这几个方面都有优势，但其色差较锂玻璃大，成像质量较差，光损耗也大，其原因都在于基质玻璃中含铊的化合物，而且铊盐有剧毒，在生产、使用以及回收上存在重大安全问题。Ag-K交换的自聚焦透镜在制作过程中，基质玻璃的含银量不宜过多，否则会使玻璃着色，影响光透过率，但银含量较少又会降低玻璃折射率，另外实验过程处理不当，银离子容易被还原成黑色的银颗粒而使玻璃光损耗增大。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用，旨在解决现有制备自聚焦透镜的基质玻璃存在折射率低、结构性能不稳定以及污染环境的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种含铯光学玻璃，按物质的量份数计，包括组分：SiO₂ 40～60份，Cs₂O 10～20份，Na₂O 0.1～11份，Al₂O₃ 0.1～3份，TiO₂ 10～22份，Sb₂O₃ 0.01～0.1份。

优选的，所述的含铯光学玻璃，其中，按物质的量份数计，包括组分：SiO₂ 56.64份，Cs₂O 10～20份，Na₂O 0.1～11份，Al₂O₃ 2.26份，TiO₂ 21.47份，Sb₂O₃ 0.05份。

本发明又提供了一种如以上任一项所述的含铯光学玻璃的制备方法，其中，所述方法包括步骤：

在1150℃下将各组分按比例加入铂金坩埚中，将粉料全部化成熔融态后，升温至1360℃保温0.5～1h，然后搅拌混合均匀0.5～1h，并去除玻璃液中的气泡后出炉，再放入马沸炉中退火，退火温度为560～580℃，得到所述含铯光学玻璃。

本发明还提供了一种含铯光学玻璃的应用，将如以上任一项所述的含铯光学玻璃用于制备自聚焦透镜。

有益效果：本发明提供了一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用，本发明所述含铯光学玻璃，具有折射率高、结构性能稳定和环境友好等优点。

具体实施方式

本发明提供一种含铯光学玻璃及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例提供的一种含铯光学玻璃，按物质的量份数(mol)计，包括组分：SiO₂ 40～60份，Cs₂O 10～20份，Na₂O 0.1～11份，Al₂O₃ 0.1～3份，TiO₂ 10～22份，Sb₂O₃0.01～0.1份。

进一步的，采用上述配方制备的含铯特种光学玻璃，其玻璃的主体网络结构为硅氧四面体[SiO₄]，硅含量的多少直接决定玻璃整体性能的稳定性，其含量过多会使玻璃密度和热膨胀系数降低，但同时玻璃熔点升高、黏度变大，熔化、澄清和均化困难，热耗多；含量过少时，玻璃结构稳定性变差，所以综合考虑，本实施例中SiO₂含量为40～60份，例如可以为40份、50份、60份等。

进一步的，Cs₂O是本发明的重要改进点，其中的铯离子虽然不构成玻璃网络主体，但却作为网络修饰体存在于玻璃网络的间隙，对提高玻璃的折射率以及后期离子交换实验效果的优劣有重要影响，其含量过高会提高玻璃软化点，本实施例中Cs₂O含量为10～20份，例如可以为10份、15份、20份等。

进一步的，Na₂O是网络体外氧化物，在玻璃熔炼过程中能大幅度降低玻璃液黏度和熔化温度，是良好的助溶剂，同时以硝酸盐形式引入，又可起到澄清和脱色作用，但含量过多会使玻璃机械强度降低，热膨胀系数增大，玻璃易发脆，其物质的量百分含量一般不超过总组分的15％(摩尔百分比)，本实施例中其含量为0.1～11份，例如可以为0.1份、5份、11份。

进一步的，Al₂O₃的引入是为了提高玻璃的化学稳定性、热稳定性和离子交换时的机械强度，其物质的量百分含量一般不超过总组分的3％(摩尔百分比)。本实施例中其含量为0.1～3份，例如可以为0.1份、2份、3份等。

进一步的，TiO₂作为高折射率氧化物可极大提高玻璃折射率，并能降低玻璃热膨胀系数，但含量不宜过高，否则会使玻璃着色，本实施例中其含量为10～22份，例如可以为10份、15份、22份等。

进一步的，Sb₂O₃和硝酸盐结合是很好的澄清剂，同时又可有效抑制钛、铁等微量杂质的着色效果，其物质的量百分含量一般在总组分的1％(摩尔百分比)以下，本实施例中其为0.01～0.1份，例如可以为0.01份、0.05份、0.1份等。

本发明在基质玻璃中加入铯的氧化物，制成的用作离子交换的含铯特种光学玻璃，具有折射率高、结构性能稳定和环境友好等优点。

优选的，所述的含铯光学玻璃，其中，按物质的量份数计，包括组分：SiO₂ 56.64份，Cs₂O 10～20份，Na₂O 0.1～11份，Al₂O₃ 2.26份，TiO₂ 21.47份，Sb₂O₃ 0.05份。采用此优选配方的含铯光学玻璃的性能更佳。

进一步的，本发明实施例还提供了一种如以上所述的含铯光学玻璃的制备方法，其中，包括步骤：

在1150℃下将各组分按比例加入铂金坩埚中，将粉料全部化成熔融态后，升温至1360℃保温0.5～1h，然后搅拌混合均匀0.5～1h，并去除玻璃液中的气泡后出炉，再放入马沸炉中退火，退火温度为560～580℃，得到所述含铯光学玻璃。

具体实施时，在配料阶段，将各化合物按照配比精确称量，各种化学试剂均为分析纯及以上等级，称量完毕后将各种化合物分别研磨成粉末，保证无结块或大颗粒存在，然后在配料设备中充分均匀混合。最后采用熔融法制备玻璃，加热设备为电加热高温炉，坩埚为铂金坩埚。具体流程为：先将铂金坩埚放入高温炉中从室温开始升温，待升温至1300℃时将原料加入铂金坩埚中，加料时遵循少量多次的原则，防止一次性全部加入后化料不均匀，化料过程中高温炉要保持1150℃不变。待粉料全部化成熔融态后，高温炉升温至1360℃，持续0.5h到1h后用铂金叶桨搅拌，使原料成分均匀混合，并去除玻璃液中的气泡。搅拌1h后出炉，并放入马沸炉中精密退火，退火温度为560～580℃。

进一步的，本发明还提供了一种含铯光学玻璃的应用，将如以上所述的含铯光学玻璃用于制备自聚焦透镜。

本发明针对性的改进在自聚焦透镜生产过程中用于离子交换的基质玻璃的化学成分，得到了一种折射率高、结构性能稳定的环境友好型含铯光学玻璃。

下面以具体实施例对本发明做详细说明：

具体实施例中以总组分的物质的量份数为100份计，将各组分的份数转化为各组分占总组分的物质的量百分含量，同时需要说明的是，本发明含铯光学玻璃内的各种氧化物的实际用料为氧化物相对应的化合物。

本发明对具体实施例的含铯光学玻璃进行了折射率和软化温度测试，其中，折射率测量：将三组实验得到的样品加工成厚度一致，两面抛光的三棱镜，采用折射率测量仪测量样品折射率。软化温度测量：分别取三组样品各少量，在研钵中研磨成粉末，利用差示扫描量热仪进行差热分析，从曲线上获取软化温度。实施例1～3以及对应的测试结果如表1所示。

表1 实施例1～3及对应的测试结果

从以上测试结果可以看出，在基质玻璃中加入铯的氧化物，可以产生较大折射率，明显优于含锂的玻璃；在原料选取上，铯盐(本发明中制备原料选用碳酸铯)相比于铊盐的安全性高很多，而且氧化铯比氧化铊的色差值小一到两个数量级，大大改善了基质玻璃以及透镜的色差问题；最重要是，该含铯特种光学玻璃，不含铅、砷、镉等重金属元素，对环境无污染，属于环境友好型产品。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种含铯光学玻璃，其特征在于，按物质的量份数计，包括组分：

2.根据权利要求1所述的含铯光学玻璃，其特征在于，按物质的量份数计，包括组分：

3.一种如权利要求1～2任一项所述的含铯光学玻璃的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

在1150℃下将各组分按比例加入铂金坩埚中，将粉料全部化成熔融态后，升温至1360℃保温0.5～1h，然后搅拌混合均匀0.5～1h，并去除玻璃液中的气泡后出炉，再放入马沸炉中退火，退火温度为560～580℃，得到所述含铯光学玻璃。

4.一种含铯光学玻璃的应用，其特征在于，将如权利要求1～2任一项所述的含铯光学玻璃用于制备自聚焦透镜。