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玻璃材料

日期:2015年5月8日 11:00

用于光学系统的玻璃材料大致分为3种,透过光线的棱镜或半反射镜等的光学玻璃,
用于反射镜的基板玻璃,和根据折射率或波长分散被详细分类的透镜用玻璃。

光学玻璃材料

有代表性的光学玻璃材料有BK7和合成石英。它们的内部品质较高,化学性能稳定,也是比较容易采购的材料。

BK7

一般被称为[BK7]或[BKseven]的光学玻璃,自很早以前就用于透镜或棱镜。
虽然因生产商的不同也有BSC7或BSL7等型号,但是由于成分构成,光学特性,物理特性,化学特性都基本相同,[BK7]作为一般名称被使用。
可见谱区的透过性良好,气泡或杂质较少,对光学系统有不良影响的条纹和折射率的不均匀性也降低到几乎不产生影响的水平。
除透镜或棱镜之外,也用于反射镜或分光镜基板或各种镀膜滤光片基板等的大部分光学元件中。

准分子激光用合成石英

紫外线照射到玻璃上时,有时会产生荧光。
而且,长时间不断透过紫外线时,玻璃内部会附着棕色,会产生被称为曝光变色(Solarization)的现象。
合成石英是不易产生荧光或曝光变色(Solarization)的玻璃,但当紫外线的波长变短时,有时也会产生这种现象。原因是由于玻璃中含有的杂质或玻璃内部存在分子级别的缺陷导致的。通过提高材料的纯度,改善制造方法可以减少这些现象。
通过这种特殊的制造方法生产的合成石英,用于准分子激光Ar*F(193nm)或Kr*F(248nm)中。(用于Ar*F准分子激光时请至营业部门问询。)

合成石英

仅由纯粹的二氧化硅构成的,不含其它成分的光学玻璃。与BK7相比,具有在紫外谱区和红外谱区透过率较高,热膨胀系数较小的特征。
折射率比BK7略小,但具有和BK7同等水平的内部品质,与BK7一样用于各种光学元件。尤其是在可见光之外的波长区域经常被选用。
而且,因为热膨胀系数较小,也用于高面型精度的反射镜基板或平面样板。

无水合成石英

合成石英在红外1.38µm,2.22µm,2.7µm的波长条件下具有特征性的吸收。
这是由于附着在二氧化硅分子上的水(OH基)分子的吸收产生的。
无水合成石英是在没有二氧化硅与水相结合的特殊环境下制造的,扩展到3.0µm的红外区域仍然具有较高的透过率。
但是,为了强制脱水而混有其它杂质,紫外谱区的透过率不太高。

合成石英和BK7的折射率,透过率比较表(参考数据) 板厚 : 10mm

※透过率中包括由于正反面反射造成的光量损失。

基板玻璃材料

普通反射镜使用的是经过高精度抛光的BK7玻璃或合成石英的基板。但是,在不要求高品质面型精度时或使用较薄的基板时,通常使用派热克斯®,白板或蓝板的平板玻璃材料。
尽管这种平板玻璃没有经过抛光,但是有的平板玻璃也具有较高平面度,有时在这种平板玻璃上直接镀膜后,作为反射镜使用。

硬质玻璃(派热克斯®)

餐具或耐热容器等使用的玻璃中,派热克斯®可以算做具有代表性的材料。
化学性质非常稳定且不易受损伤,也可以作为反射镜等的玻璃基板使用。
派热克斯®是康尼公司的注册商标。

波长 [nm] 折射率
350 1.480
400 1.478
500 1.474
600 1.472
密度 [g/cm3] 2.23
膨胀系数 [×10−6/℃] 3.25 (20 〜 300℃)
导热系数 [W・m-1K-1] 1.1
透过谱区 [µm] 0.38 〜 2.3
B270®-Superwhite

是一般被称为白板的平板玻璃。
光学特性接近BK7,有时可以作为BK7玻璃基板的替代品使用。但是,由于没有内部品质保证,所有其用途受到限制。
B270®是SCHOTT AG公司的注册商标。

波长 [nm] 折射率
546 1.525
588 1.523
密度 [g/cm3] 2.55
膨胀系数 [×10−6/℃] 9.4 (20 〜 300℃)
导热系数 [W・m-1K-1] 1
透域 [µm] 0.35 〜 2.5
蓝板

被称为[碱石灰玻璃]或[蓝板]的材料是比较经济实惠的门窗用的玻璃。
为了可以在低温下熔解而加入强碱,因而带有颜色,一般泛有浅绿色。除特殊情况外,几乎不用于光学元件。

透镜用玻璃

用于照相机镜头或各种光学仪器的透镜中,折射率和波长分散(色散系数)各不相同的多种玻璃材料。
只用一种玻璃材料制造透镜系统时,色差会很大,不能得到良好的光学特性。
但是,如果每个透镜使用不同的玻璃材料时,可以制造出高性能的透镜系统。
如果是激光的聚光或准直等的实验用的简单透镜系统,一种玻璃也可以达到目的,在这个产品目录中只介绍一部分透镜用的玻璃材料。
产品目录里玻璃材料使用一般的名称。符合RoHS标准的产品使用不含铅或有害物质的环保材料。

波长 [nm] 折射率
SK2 SF15 LaSF9
334.1 1.643 - -
365.1 1.634 - -
404.7 1.626 1.742 1.898
488.0 1.615 1.715 1.869
546.1 1.610 1.704 1.857
587.6 1.607 1.699 1.850
632.8 1.605 1.694 1.845
706.5 1.602 1.689 1.838
852.1 1.598 1.681 1.830
1064.0 1.595 1.675 1.823
1529.6 1.589 1.666 1.814
1970.1 1.584 1.659 1.807
2325.4 1.579 1.653 1.801
色散系数 νd 56.8 30.1 32.3
密度 [g/cm3] 3.53 2.96 4.36
膨胀系数 [×10−6/℃] 6.5 7.5 7.7
导热系数 [W・m-1K-1] 0.802 1.049 0.874
透过谱区 [µm] 0.36 - 2.2 0.42 - 2.4 0.46 - 2.2

* -30℃ 〜 70℃的情况

冕玻璃和火石玻璃

消色差透镜通过组合折射率和色散较小的玻璃与折射率和色散较大的玻璃来校正色差。
色散较小(色散系数为55以上)的玻璃被称为冕玻璃,色散较大(色散系数为50以上)的玻璃被称为火石玻璃。透镜用玻璃大致分为这两种。
冕玻璃和火石玻璃都根据折射率和色散的特征被详细分类,例如有命名为冕玻璃K,硼珪冕玻璃BK,火石玻璃F,重火石玻璃SF等,被称为○○冕或××火石玻璃。据说BK7是第七个被开发的硼珪冕玻璃。
现在,一般使用SCHOTT公司的旧简称型号,不太使用复杂的玻璃名称称呼。

顺便说一下,所谓冕玻璃在熔化时粘性很高,玻璃熔浆落下到液面时溅起呈皇冠(crown)状的波浪,因此被命名为冕玻璃。
据说原来是由玻璃工匠的暗语中得来的。
火石玻璃是在原料中使用了火石(flint)而来的。

玻璃滤光片

在玻璃里添加金属离子等的具有吸收特性的材料,能够吸收特定波长区域光线的玻璃。
因此透过波长不同时,玻璃的成分也不相同,有时光学特性,化学特性,机械特性会有较大差异。虽然有时透过波长的特性相似,但是因此认为折射率等特性相似是危险的。关于各种玻璃滤光片的特性,请向营业部门问询。

低膨胀玻璃材料

在温度剧烈变化的环境下使用面型精度较高的反射镜时,反射镜的面型精度有时会产生变化。
这是由于反射镜的玻璃基板上产生温度分布,温度高的部分和低的部分膨胀的数量不同。因此,需要高精度反射镜时,基板需要使用低膨胀材料。
一般经常使用石英玻璃(热膨胀系数5.5×10-7/℃),但是要求更高精度时,使用低膨胀玻璃或被称为零膨胀玻璃的材料。

微晶玻璃®

是在低膨胀玻璃中混有膨胀系数为负的晶体的晶体化玻璃,在0℃〜50℃的温度范围内膨胀系数可以降低到±1×10−7/℃。
由于晶体的散射导致玻璃变得模糊不清,玻璃中的光线将会被衰减。
由于比较容易加工,容易抛光,常被用于大型的反射镜中。
微晶玻璃®是SCHOTT AG的注册商标。

波长 [nm] 折射率
486.1 1.5491
587.6 1.5424
656.3 1.5394
透过波长谱区域 0.4 〜 2.5µm
表面反射 4.6%(587.6nm)
密度 2.53g/cm3

CLEARCERAM®-Z

玻璃中析出负膨胀系数微小晶体的零膨胀的晶体化玻璃。
在0℃〜50℃的温度范围内膨胀系数可以降低到±1×10−7/℃。
由于玻璃内部是透明的,可以通过光线。具有良好的导热性质,机械性质,化学性质,可用于激光反射镜或样板块规。
CLEARCERAM®是株式会社小原的注册商标。

折射率 1.546(587.6nm)
透过波长谱区域 0.4 〜 2.5µm
表面反射 4.6% (587.6nm)
密度 2.55g/cm3

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