3分鐘瞭解光學玻璃

戴世勳，研究員，寧波大學紅外材料及器件實驗室主任

01

光學玻璃的發展

生活中我們可以看到各種各樣的玻璃，如玻璃幕牆、玻璃杯、汽車玻璃以及工藝品等。而光學玻璃有別於普通玻璃，主要用於製造光學儀器或機械系統的透鏡、稜鏡、反射鏡、視窗等。

考古家證明，公元三千年前，埃及和中國（戰國時代）的人們已能製造玻璃。但是玻璃作為眼鏡和鏡子是13世紀在威尼斯開始的。

16世紀開始，因天文學家與航海學的發展需要，伽利略、牛頓、笛卡兒等用玻璃製造瞭望遠鏡和顯微鏡。

17世紀，光學系統的消色差成為光學儀器的中心問題。在玻璃中引入氧化鉛，赫爾才於1729年獲得第一對消色差透鏡。

1768年，紀南在法國首先用粘土棒攪拌的方法制得了均勻的光學玻璃，從而開始建立了獨立的光學玻璃製造工業。

19世紀中葉，幾個發達的資本主義國家都先後建立了自己的光學玻璃工廠，如法國帕臘-芒圖（1872年）、英國錢斯（1848年）、德國肖特（1848年）等。

光學玻璃主要可以分為

無色光學玻璃、有色光學玻璃、防輻照光學玻璃、耐輻照光學玻璃、紫外和紅外光學玻璃、光學石英玻璃

等幾類。

其主要有四種關鍵製備技術，分別為

組份開發、理化測試、熔制工藝、熔制裝置

。其中，光學玻璃熔制技術又含單坩堝熔鍊、連續熔鍊等。

1953-1957年，皮爾金頓和彼克斯達夫發明了革命性的浮法玻璃技術，首次實現在同一個工藝流程中連續生產出完整的、高質量的玻璃。

而後，日本將連續熔鍊應用在光學儀器上。1965年，日本HOYA公司首先實現無條紋、無氣泡的BK7光學玻璃連熔生產。連熔分成原料熔化池、澄清池、攪拌均化池，最後漏料出爐。

02

合成石英玻璃

特種光學玻璃是現代資訊產業、光學、光源、光伏、半導體等國家戰略性、支柱性新興產業和國防領域發展中不可或缺的重要基礎性材料，發揮著關鍵作用。如鐳射聚變裝置用的大尺寸鐳射釹玻璃、高階光學鏡頭用的特殊效能光學玻璃、半導體領域光掩膜基板用的合成石英玻璃、紅外熱像儀鏡頭用的紅外硫系玻璃等。

合成石英玻璃是一種非常高階的光學材料，具備極佳的光譜特性（從紫外到紅外波段高透過率，尤其在紫外和深紫外光譜範圍內的透過效能是一般光學玻璃所不具備的。）、優良的耐高溫效能（其軟化點與白金的熔點相近，熱膨脹係數極小，僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20。）、高介電場強度（低介電損失和極低的導電性，是極好的絕緣材料。）、較高的純度（人工合成石英玻璃的金屬離子總含量可控制在1×10-6以內。）等。

高質量合成石英玻璃的製備技術主要有

電熔法、氣熔法、化學氣相沉積（CVD）、等離子化學氣相沉積（PCVD）

等。

目前最常用的為化學氣相沉積法。

湖北菲利華石英玻璃公司聯合清華大學鄭麗麗教授研究團隊透過四年自主研發，並藉助多物理場模型模擬研究，掌握了有機矽D4的多燈CVD法高效沉積合成石英玻璃完整技術鏈條（包括裝備和工藝），即精密供料供氣系統、大口徑疏鬆體沉積工藝、疏鬆體的玻璃化燒結工藝、生產裝備，研製生產的300 mm口徑樣品Dn≤2×10-6，透過率（0。18-3。4 μm）≥80%，整體效能製備達到國際先進水平。該成果系國內首次。

03

低折射特殊色散光學玻璃

特殊低色散玻璃可以提高成像幾何精度，同時擴大成像視場和降低系統複雜性，減少透鏡數量，簡化和最佳化光學系統結構，減小其體積和重量。因此，它被視為長焦距、大視場和高畫質光學系統的關鍵光學材料。

低色散氟磷玻璃特性綜合了氟化物玻璃和磷酸鹽玻璃優點，具有超低折射率、超低色散和較高的特殊相對部分色散值，且具有優越的消色差效能，特別是對長焦距復消色差鏡頭，可作為CaF2氟化物晶體的替代物。

但是，低色散氟磷玻璃在製備中有一個難題，即氟磷玻璃中含有大量易揮發氟化物成分，易揮發，導致玻璃區域性不均勻，另外對鉑金坩堝侵蝕嚴重，鉑金粒子易熔入玻璃中。

2019年，湖北新華光資訊材料股份有限公司開發出氟磷玻璃新品H-FK95，折射率（

nd）為1。43700，色散係數（ud）為95。1，色散最低，阿貝數最高，具有較大的異常色散性和極優的光學消色差的能力，能夠簡化和最佳化光學成像系統，提高成像質量。

目前，氟磷玻璃產品處於供不應求的狀態，在高畫質影片監控（1。5億隻/年）、車載鏡頭（以每年30%的速度增長）、投影機（800萬臺/年）、數碼及單反相機（佔光學需求總量的30%左右）等領域具有重要應用。

04

紅外硫系玻璃

近幾年，硫系玻璃被認為是新一代紅外光學鏡頭材料。常見的紅外光學材料主要有ZnSe晶體、Si單晶、Ge單晶、硫系玻璃、氟化物等。

硫系玻璃是一種效能優良的紅外光學材料，是以元素週期表VIA族中S、Se、Te為主，並引入一定量的其它類金屬元素（Ga、Ge、As、Sb等）所形成的無氧玻璃，可分為硫基（S）玻璃、硒基（Se）玻璃、碲基（Te）玻璃三大體系。

硫系玻璃是一種非晶態物質，與氧化物玻璃相比，具有較弱的共價鍵特性；禁頻寬度為1-3 eV，比氧化物玻璃（~10 eV）小，具有半導體性質。

此外，硫系玻璃還具有優良的透紅外效能、高的光學非線性、較低的聲子能量、光誘導效應、半導體特性、快離子電導特性等特點，可應用於汽車夜視裝置、紅外成像儀、生命探測儀、紅外肩扛導彈、夜視槍瞄等領域。

成都光明光電股份有限公司聯合寧波大學實現了高質量紅外硫系玻璃規模化生產，解決了Φ100-200 mm硫系玻璃批次化、穩定的製備技術，研製的硫系玻璃產品折射率均勻性為2。0x10-5，批次折射率誤差＜4x10-4，效能指標達到國際先進水平。

除以上介紹外，硫系玻璃還有一個應用技術——精密模壓。2003年，法國Umicore公司章向華博士首先實現了Ge22As20Se58和 Ge20Sb15Se65硫系玻璃球面、非球面的鏡片精密模壓技術，模壓樣品形狀誤差（模壓表面和設計表面之差）低於0。5 μm，與單點金剛石車床加工精度相當，現已批次提供給寶馬高檔轎車夜視裝置用。

精密模壓方法有單站式和多站式兩種，寧波大學的日本東芝211V型單站式模壓機具有模壓口徑大、精度高的優點，但模壓效率低。

硫系玻璃在無熱化紅外光學系統設計中佔有一定優勢。光學鏡片及其金屬外売材料在溫度變化時發生的光學/機械引數變化共同決定著紅外像質變化。紅外光學系統應用環境較為苛刻，更需要有針對性地對環境溫度變化改進光學設計，降低紅外光學系統在溫度變化環境中由於折射率變化導致的移焦、離焦等像質降低問題。

硫系玻璃在無熱化紅外光學系統的典型應用主要有長焦型長波紅外望遠鏡物鏡、基於硫系玻璃的模壓非球面鏡片等。

硫系玻璃鏡頭目前在民用安防監控、測溫熱像儀市場最大，由於國內紅外探測器國產化及成本降低，加之海康威視、大華等監控產品供應商開始涉足紅外夜視領域，硫系玻璃國內市場採購量逐步上升，未來年需求將超過10噸。民用車載夜視系統的發展將會對硫系玻璃產生更大需求。

總 結

先進光學系統、儀器、大型科研裝備、國防武器、航天飛行器等快速發展對效能更優異的特種光學玻璃提出了需求，不斷推動著光學玻璃製造技術革新。

本文根據寧波大學紅外材料及器件實驗室主任戴世勳研究員在“光言萬物”系列研討會中作的《新型特種光學玻璃及應用》報告改編而成。

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