CN114315105A - 一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，涉及红外透镜技术领域，本方法包括步骤：S1：根据GRIN透镜选择第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的折射率差值为GRIN透镜对应的最大折射率差值；S2：将所述基质玻璃粉体在真空条件或气氛保护下粉碎研磨；并将所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃粉末按照不同比例球磨混合，得到折射率渐变的多个粉末组；S3：将多个所述粉末组按照折射率大小依次平铺到模具上压实。本方法能够克服扩散深度浅的问题，并且实现在短的时间内连续渐变。

Description

一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法

技术领域

本发明涉及红外透镜技术领域，具体而言，涉及一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法。

背景技术

梯度折射率(GRIN)透镜又称变折射率或非均匀介质透镜，是使用具有梯度折射率的介质设计和制造的光学成像元件。按照材料折射率变化的不同情况，一般可分为轴向、径向、径轴向混合、球面等梯度折射率材料。轴向梯度：折射率沿轴向变化，等折射率面是垂直于光轴的平行平面系。径向梯度：折射率沿径向变化，等折射率面是中心轴对称的圆柱面系。球面梯度：折射率按离定点的距离变化，等折射率面为中心点对称的球面系，类似于大气层排布。径向和轴向梯度折射率材料研究最为广泛，其在光纤通讯系统、医疗、成像等领域具有重要应用价值。

目前梯度折射率硫系玻璃主要由堆积扩散和晶化处理两种方法制得。如申请号CN107162429A，名称为一种梯度折射率红外硫系玻璃陶瓷及其制备方法的中国发明专利申请，采用晶化处理法在硫系玻璃基质中析出高折射率的纳米晶体来改变折射率。用熔融淬冷法熔制玻璃，然后将熔制得到的基础玻璃进行析晶热处理，即得到梯度折射率红外硫系玻璃陶瓷。该方法难点在于如何实现玻璃可控化析晶，热处理过程中可能会析出多种晶相，晶粒之间相互聚合甚至嵌套，且该方法无法获得大的折射率梯度和大尺寸样品；这种方法使材料很难可控地制备出预设的GRIN结构，且重复性难以把控。由于硫系玻璃共价结构导致的元素扩散距离很短，而硫系玻璃片又不能加工很薄，导致折射率梯度无法实现连续渐变。

发明内容

本发明解决的问题是如何克服扩散深度浅的问题，并且实现在短的时间内连续渐变。

为解决上述问题，本发明提供一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，包括步骤：

S1：根据GRIN透镜选择第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的折射率差值为GRIN透镜对应的最大折射率差值；

S2：将所述基质玻璃粉体在真空条件或气氛保护下粉碎研磨；并将所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃粉末按照不同比例球磨混合，得到折射率渐变的多个粉末组；

S3：将多个所述粉末组按照折射率大小依次平铺到模具上压实；

S4：将所述模具放入热压机中，抽真空，进行一次压制过程；将所述一次压制完成的玻璃块取出冷却，制备轴向渐变的透镜；

S5：将所述一次压制完成取出的所述玻璃块用玻璃切割机斜向切割，切成三角楔形的块状玻璃，经过二次压制和烧结得到径向渐变的透镜。

在上述方法中，根据GRIN透镜要求，确定玻璃的折射率，进而确定玻璃组分第一组分玻璃和第二组分玻璃，第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体。两种玻璃的折射率差值即为GRIN透镜对应的最大折射率差值；对应玻璃组分除了要满足折射率要求外，还要求该组玻璃转变温度小于等于20℃。

在上述方法中，将对应基质玻璃粉体在真空条件或气氛保护下粉碎研磨，使颗粒直径达到亚微米级。将第一组分玻璃和第二组分玻璃两种组分的玻璃粉末按照不同的比例球磨混合得到折射率渐变的多个粉末组。根据折射率渐变的要求，设计每一层粉末的厚度和折射率，称量不同的质量，按折射率大小次序依次平铺到模具上压实。之后将模具放入热压机中，抽真空，按照一次压制的方式加热加压或先加压再加热，使粉体致密化及元素渐变热扩散，之后关闭真空系统待样品自然冷却；将一次压制完成的玻璃块取出，打磨抛光，通过模压或切削等方式制备轴向渐变的透镜。

在上述方法中，将一次压制完成的玻璃块取出用玻璃切割机斜向切割，切成三角楔形的块状玻璃，打磨抛光，完成之后取折射率分布一致的小块拼接成径向多边形的玻璃块，将拼接完成的玻璃放入定制模具中再进行二次压制，使得各块玻璃能烧结在一起，从而获得径向渐变的透镜。

进一步地，所述步骤S4包括：

S41：通过同时加热加压或先加压再加热的所述一次压制过程，使粉体致密化及元素渐变热扩散，关闭真空系统后待样品自然冷却；

S42：将压制完成的所述玻璃块取出，打磨抛光，通过模压或切削方式制备轴向渐变的透镜。

进一步地，所述步骤S5包括：

S51：将切割后的三角楔形的所述块状玻璃打磨抛光，取折射率分布相同的多个所述块状玻璃拼接成径向多边形的玻璃块；

S52：将拼接完成的所述玻璃块放入模具中进行所述二次压制，使得多个所述块状玻璃烧结为一体，得到径向渐变的透镜。

进一步地，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃转变温度小于或等于20℃。

进一步地，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃中的体系包括硫基玻璃、硒基玻璃和蹄基玻璃。

进一步地，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃可选用同体系组成的玻璃，可选用不同体系组成的玻璃。

进一步地，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃粉末混合比例按照折射率的小心进行调配。

进一步地，所述一次压制中热压升温速率为5-20℃/min，压力为10-60Mpa，恒温时间为30-300min。

进一步地，所述二次压制中热压升温速率为5-20℃/min，压力为10-30Mpa，恒温时间为5-30min。

进一步地，根据折射率渐变和元素扩散系数得到平铺到模具上的多个所述粉末组每层粉体的厚度为5-200μm。

本发明采用上述技术方案至少包括以下有益效果：

本发明可通过两种玻璃的粉末按照不同比例的掺杂来调节折射率，其所需制备的基础玻璃为两种，其中，包括硫基玻璃、硒基玻璃和蹄基玻璃，不需要再每一层都制备不同组分的玻璃，这样可以节省材料并且缩短研制周期。每层玻璃的折射率可通过混合粉末的比例来方便调节。由于粉体颗粒度很小，每层粉末可以铺的很薄，从而克服扩散深度浅的难题，实现在短时间内连续渐变。热单轴压制相比于热处理析晶和堆积扩散法操作简单耗时短，可控性高。玻璃梯度折射率材料层数易调且组分可变，可提升制备效率。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法流程图一；

图2为本发明实施例一提供的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法流程图二；

图3为本发明实施例一、实施二和实施三提供的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法的粉末热压制备GRIN玻璃流程图；

图4为本发明实施例一、实施二和实施三提供的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法的轴向渐变玻璃及切割示意图；

图5为本发明实施例三提供的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法径向渐变(中心折射率高)玻璃示意图；

图6为本发明实施例三提供的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法径向渐变(中心折射率低)玻璃示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本实施例提供了一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，如图1、图2和图3所示，本方法包括步骤：

S1：根据GRIN透镜选择第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体，第一组分玻璃和第二组分玻璃的折射率差值为GRIN透镜对应的最大折射率差值；

S2：将基质玻璃粉体在真空条件或气氛保护下粉碎研磨；并将第一组分玻璃和第二组分玻璃的玻璃粉末按照不同比例球磨混合，得到折射率渐变的多个粉末组；

S3：将多个粉末组按照折射率大小依次平铺到模具上压实；

S4：将模具放入热压机中，抽真空，进行一次压制过程；将一次压制完成的玻璃块取出冷却，制备轴向渐变的透镜；

S5：将一次压制完成取出的玻璃块用玻璃切割机斜向切割，切成三角楔形的块状玻璃，经过二次压制和烧结得到径向渐变的透镜。

具体的，根据GRIN透镜要求，确定玻璃的折射率，进而确定玻璃组分第一组分玻璃和第二组分玻璃，第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体。两种玻璃的折射率差值即为GRIN透镜对应的最大折射率差值；对应玻璃组分除了要满足折射率要求外，还要求该组玻璃转变温度小于等于20℃。

具体的，将对应基质玻璃粉体在真空条件或气氛保护下粉碎研磨，使颗粒直径达到亚微米级。将第一组分玻璃和第二组分玻璃两种组分的玻璃粉末按照不同的比例球磨混合得到折射率渐变的多个粉末组。根据折射率渐变的要求，设计每一层粉末的厚度和折射率，称量不同的质量，按折射率大小次序依次平铺到模具上压实。之后将模具放入热压机中，抽真空，按照一次压制的方式加热加压或先加压再加热，使粉体致密化及元素渐变热扩散，之后关闭真空系统待样品自然冷却；将一次压制完成的玻璃块取出，打磨抛光，通过模压或切削等方式制备轴向渐变的透镜。其中，颗粒直径由每层粉的厚度决定，颗粒直径小于粉层厚度的十分之一。

具体的，将一次压制完成的玻璃块取出用玻璃切割机斜向切割，切成三角楔形的块状玻璃，打磨抛光，完成之后取折射率分布一致的小块拼接成径向多边形的玻璃块，将拼接完成的玻璃放入定制模具中再进行二次压制，使得各块玻璃能烧结在一起，从而获得径向渐变的透镜。

具体的，玻璃粉碎研磨需避免玻璃的污染包括水汽、杂质、化学反应。抛光要达到镜片抛光Ra0.2以下，模压或切削用来改变玻璃的面型尺寸。小块拼接成径向多边形的玻璃块每个小块的折射率分布是一致的，即每小块尖端对应折射率都是最小或最大。

参阅图2，其中，步骤S4包括：

S41：通过同时加热加压或先加压再加热的所述一次压制过程，使粉体致密化及元素渐变热扩散，关闭真空系统后待样品自然冷却；

S42：将压制完成的玻璃块取出，打磨抛光，通过模压或切削方式制备轴向渐变的透镜。

其中，步骤S5包括：

S51：将切割后的三角楔形的块状玻璃打磨抛光，取折射率分布相同的多个块状玻璃拼接成径向多边形的玻璃块；

S52：将拼接完成的玻璃块放入模具中进行所述二次压制，使得多个块状玻璃烧结为一体，得到径向渐变的透镜。

其中，第一组分玻璃和第二组分玻璃的玻璃转变温度小于或等于20℃。

其中，第一组分玻璃和第二组分玻璃中的体系包括硫基玻璃、硒基玻璃和蹄基玻璃。

其中，第一组分玻璃和第二组分玻璃可选用同体系组成的玻璃，可选用不同体系组成的玻璃。

其中，第一组分玻璃和第二组分玻璃的玻璃粉末混合比例按照折射率的小心进行调配。

其中，一次压制中热压升温速率为5-20℃/min，压力为10-60Mpa，恒温时间为30-300min。

其中，二次压制中热压升温速率为5-20℃/min，压力为10-30Mpa，恒温时间为5-30min。

其中，根据折射率渐变和元素扩散系数得到平铺到模具上的多个粉末组每层粉体的厚度为5-200μm。

参阅图3，首先选择第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体；然后根据折射率渐变的要求，设计每一层粉末的厚度和折射率，称量不同的质量，按折射率大小次序依次均匀平铺1至N层到模具上压实；接着通过控制压力和温度对多层粉末进行压制，实现致密和扩散过程；最后得到折射率渐变玻璃。

参阅图4，制备硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片，采用熔体冷却方法制备硫系玻璃材料。选用硫系玻璃组分为As2S3和As2Se3，得到的基质玻璃粉体在研磨钵中研磨2小时，使粉末颗粒小于1μm。然后按比例均匀混合As2S3粉末和As2Se3粉末得到11组粉末：100％As2S3；90％As2S3：10％As2Se3；80％As2S3：20％As2Se3；70％As2S3：30％As2Se3；60％As2S3：40％As2Se3；50％As2S3：50％As2Se3；40％As2S3：60％As2Se3；30％As2S3：70％As2Se3；20％As2S3：80％As2Se3；10％As2S3：90％As2Se3和100％As2Se3。每一组粉末体积相同计算其质量大小，依次平铺在模具中。放入热压机中抽真空同时以10℃/min升温到210℃，保持压力20MPa；45min后撤掉压力再保温30分钟；随后关加热，让它自然冷却。取出玻璃打磨，切削后形成轴向折射率渐变硫系玻璃。

本方法通过两种玻璃的粉末按照不同比例的掺杂来调节折射率，其所需制备的基础玻璃为两种，其中，包括硫基玻璃、硒基玻璃和蹄基玻璃，不需要再每一层都制备不同组分的玻璃，这样可以节省材料并且缩短研制周期。每层玻璃的折射率可通过混合粉末的比例来方便调节。由于粉体颗粒度很小，每层粉末可以铺的很薄，从而克服扩散深度浅的难题，实现在短时间内连续渐变。热单轴压制相比于热处理析晶和堆积扩散法操作简单耗时短，可控性高。玻璃梯度折射率材料层数易调且组分可变，可提升制备效率。

实施例二

参阅图4，制备硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片，采用熔体冷却方法制备硫系玻璃材料。选用硫系玻璃组分为Ge-As-Se和Ge-As-Se-S。得到的基质玻璃粉体在研磨钵中研磨3小时，使粉末颗粒小于1μm。然后按比例均匀混合Ge-As-Se粉末和Ge-As-S粉末，得到四组粉末：纯的Ge-As-Se；40％Ge-As-Se：60％Ge-As-S,；60％Ge-As-Se：40％Ge-As-S和纯的Ge-As-S。每一组粉末体积相同计算其质量大小，依次平铺在模具中。放入热压机中抽真空同时以10℃/min升温到260℃，保持压力30MPa；45min后撤掉压力再保温300分钟；随后关加热，让它自然冷却。

本方法通过将冷却的玻璃取出打磨，切削后形成轴向折射率渐变硫系玻璃。

实施例三

参阅图4、图5和图6，将实施例二制备的轴向玻璃，用玻璃切割机按照如图4所示斜向切割，切成底面为三角形的块状玻璃，打磨抛光。完成之后取折射率分布一致的小块拼接成径向多边形(近似圆形)的玻璃块如图5所以，形成径向渐变坯体。将拼接完成的玻璃放入定制模具中再进行压制，使得各块玻璃能烧结在一起，从而获得径向渐变的透镜。将所得坯体放入热压机中抽真空同时以10℃/min升温到260℃，保持压力30MPa；10min后撤掉压力；随后关加热，自然冷却。

本方法通过将冷却的玻璃取出打磨，切削后形成径向折射率渐变硫系玻璃，如图5(中心折射率高)和图6(中心折射率低)所示。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1：根据GRIN透镜选择第一组分玻璃和第二组分玻璃组成基质玻璃粉体，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的折射率差值为GRIN透镜对应的最大折射率差值；

S2：将所述基质玻璃粉体在真空条件或气氛保护下粉碎研磨；并将所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃粉末按照不同比例球磨混合，得到折射率渐变的多个粉末组；

S3：将多个所述粉末组按照折射率大小依次平铺到模具上压实；

S4：将所述模具放入热压机中，抽真空，进行一次压制过程；将所述一次压制完成的玻璃块取出冷却，制备轴向渐变的透镜；

S5：将所述一次压制完成取出的所述玻璃块用玻璃切割机斜向切割，切成三角楔形的块状玻璃，经过二次压制和烧结得到径向渐变的透镜。

2.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41：通过同时加热加压或先加压再加热的所述一次压制过程，使粉体致密化及元素渐变热扩散，关闭真空系统后待样品自然冷却；

S42：将压制完成的所述玻璃块取出，打磨抛光，通过模压或切削方式制备轴向渐变的透镜。

3.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51：将切割后的三角楔形的所述块状玻璃打磨抛光，取折射率分布相同的多个所述块状玻璃拼接成径向多边形的玻璃块；

S52：将拼接完成的所述玻璃块放入模具中进行所述二次压制，使得多个所述块状玻璃烧结为一体，得到径向渐变的透镜。

4.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃转变温度小于或等于20℃。

5.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃中的体系包括硫基玻璃、硒基玻璃和蹄基玻璃。

6.根据权利要求5所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃可选用同体系组成的玻璃，可选用不同体系组成的玻璃。

7.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述第一组分玻璃和所述第二组分玻璃的玻璃粉末混合比例按照折射率的小心进行调配。

8.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述一次压制中热压升温速率为5-20℃/min，压力为10-60Mpa，恒温时间为30-300min。

9.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，所述二次压制中热压升温速率为5-20℃/min，压力为10-30Mpa，恒温时间为5-30min。

10.根据权利要求1所述的硫系玻璃红外梯度折射率光学镜片的制备方法，其特征在于，根据折射率渐变和元素扩散系数得到平铺到模具上的多个所述粉末组每层粉体的厚度为5-200μm。

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