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无色光学玻璃指标详解

2021-12-20 11:02| 发布者：Davis| 查看：5005| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文详细介绍了无色光学玻璃的各个指标，包括玻璃牌号、折射率、色散、相对部分色散、内部透过率等，并解释了CDGM的玻璃命名方式和使用Sellmeier公式、Schott公式计算折射率的方法。

引言：

本文以CDGM D-K9的指标表作为例子，详细解释无色光学玻璃材料的各个指标。

1.光学玻璃的牌号

根据折射率 nd 和色散系数vd 在 nd-νd 领域图中的位置和玻璃组成，无色光学玻璃按可分为 18 类，如下表：

光学玻璃按照其所属的类别名称代号+序号组成，例如K9。

用于模压成型的低软化点无铅、砷、镉以及其它放射性元素的玻璃牌号，用“低”字汉语拼音字母的声母“D”加“-”作为前缀表示，例如 D-K9。

无铅、砷、镉以及其他放射性元素的玻璃牌号，用“环”字汉语拼音字母的声母“H”加“-”作为前缀表示，例如：H-K9L。

高透过率和特高透过率玻璃牌号，按牌号后+字母（GT，TT）命名。用“GT”即“高透”汉语拼音首位字母表示高透过率玻璃；用“TT”即“特”和“透”的汉语拼音首位字母表示特高透过率玻璃，例如 H-ZF52GT、H-ZF52TT。

此外，还用6位数字作代码来表征各牌号，前三位表示玻璃折射率小数点后三位数字，后三位数字表示玻璃阿贝数，例如D-K9的 nd =1.516330、νd=64.06，其代码为“516641”。

需要注意的是，以上是CDGM的玻璃命名方式，不同光学玻璃公司有不同的名称，可以使用6位数字代码来查找不同光学玻璃公司的相同玻璃。

2.折射率

如果光线进入某种非吸收型均匀材料，在其界面就会产生光的反射和折射现象。折射率n等于光在真空中的速度c与在介质中的速度v的比值。

光学玻璃数据表中的折射率数据是在空气中测得的相对折射率，空气的折射率非常接近于1。

实际上，折射率的测量是通过测量由于光束在界面的折射而产生的偏折角度来测量的，描述偏折度的公式称为斯涅耳（Snell）定律，也称为折射定律：

折射率是随波长变化的。光学玻璃最主要的指标是可见光谱中波段的折射率n，这个主折射率通常用符号n_d表示（n_d—波长为587.56nm时的折射率），在许多情况下有时也用符号n_e表示（n_e—波长为546.07nm时的折射率）。

光学玻璃指标表还列出了 20 条光谱线对应的折射率，按照 GB/T 7962.11-2010 规定的方法测量。

20条光谱线，如下图：

3.色散和阿贝数

中部色散为：

色散系数（阿贝数）定义为：

在传统光学玻璃中，v_d＞50的玻璃称为冕玻璃，v_d≤50的玻璃称为火石玻璃。

通常情况下，折射率低的玻璃，其色散也小，即阿贝数大。折射率高的玻璃，其色散也大，阿贝数小。

4.色散公式- Sellmeier公式

在 302.15nm～2325.42nm 光谱范围内，可用 Sellmeier 1 公式计算其它波长的折射率， Sellmeier 1 公式如下：

式中：K₁、L₁、K₂、L₂、K₃、L₃为常数，随玻璃牌号而变，分别列入各牌号数据表中。

λ—波长，单位μm；n_λ—所求折射率。

注1：Sellmeier公式适用于计算从紫外到可见到近红外（波长到2.3μm）波长范围的折射率。该公式是根据经典色散理论推导出来的，可用一组数据来描述整个透射区域范围的折射率变化曲线，也可用来准确计算中间某个波长的折射率值。

注2：Sellmeier色散公式只在每个牌号玻璃数据表中所列折射率的波长范围内才是有效的。在这个范围内，可以内插计算任意波长的折射率。计算时，波长的单位必须是μm，位数与指标表里所列数据相同。

5.色散公式- Schott公式

对于折射率未拓展的玻璃牌号，在 365.01nm～1013.98nm 光谱范围内，可用 Schott公式计算其它波长的折射率，Schott 公式如下：

式中：A₀～A5为常数，随玻璃牌号而变，分别列入各牌号数据表中。

λ—波长，单位μm；n_λ—所求折射率。

6.相对部分色散

对于高质量的光学系统来说，只有折射率和阿贝数是不够的，使用相对部分色散可以实现对玻璃特性更准确的描述。

波长X对于Y的相对部分色散定义为

玻璃数据表中按牌号给出了常用的相对部分色散值。

根据阿贝公式，对于绝大部分“正常玻璃”，如下线性关系是成立的：

上式中，B_XY是斜率，A_XY是截距。

7.异常色散

为了校正二级光谱（即：校正二个以上波长的色差），则需要不符合这一规律的玻璃。因此，部分色散偏离阿贝经验公式的牌号玻璃就显得特别有用。

为了定量计算部分色散偏离阿贝经验公式的量，引入偏差量ΔP_X,Y，每个P_X,Y-υ_d点相对于“正常线”平移了ΔP_X,Y量。这样，各牌号玻璃的ΔP_X,Y数值可用下式求出：

因此，ΔP_X,Y就定量地表示了与“正常玻璃”相比时的特殊色散的偏离特性。

8.内部透过率（内透射比）

内透射比为不包含试样表面反射损失时的透射比。按照 GB/T 7962.12-2010 规定的方法测量。数据表中列出的内部透过率值是样品厚度为 10mm 和 5mm 的数据，数据表中列出的值是多个熔炼批次的平均值。

9.着色度（λ80/λ5）

光学玻璃短波透射光谱特性用着色度（λ80/λ5）表示。样品厚度 10mm，λ80指玻璃透射比达到 80%时对应的波长，λ5指玻璃透射比达到 5%时对应的波长, 以5nm 为单位表示。例如：玻璃透射比达到 80%时对应的波长为 368nm，玻璃透射比达到5%时对应的波长为 313nm，着色度λ80/λ5 为 368/315，如下图：

当 ne≥1.85 时，由于玻璃的反射损失较大，着色度用玻璃透射比达到 70%时对应的波长 λ70 代替λ80。着色度的变化范围一般在±10nm 内。

10.应力光学系数 B

玻璃中的应力会导致光产生双折射。

应力光学系数表示应力与应力双折射产生的光程差之间的关系：

上式中，δ为总光程差（nm），B为应力光学系数（/Pa），d为光在玻璃中通过的路程（cm），F为应力（Pa）。

11. 折射率温度系数(dn/dT)

数据表中列出了谱线 t（1013.98nm）、 C`（643.85nm）、d（587.56nm）、e（546.07nm）、 F`(479.99nm)及 g（435.83nm）6 条谱线的相对折射率温度系数(dn/dT)_rel。

光学玻璃折射率随温度变化而变化，在真空中的折射率温度系数称为绝对折射率温度系数，在空气等介质中的折射率温度系数称为相对折射率温度系数。

相对折射率温度系数用下式计算：

上式中，n_rel为被测样品的相对折射率，dn_air/dT为空气的折射率温度系数。

下表为空气折射率温度系数：

在波长为 435.83～1013.98nm、温度为-60～140℃的范围内，可根据下式计算不同温度和波长所对应的绝对折射率温度系数(dn/dT)abs：

12.化学性质

光学玻璃元件在制造和使用过程中，其抛光表面抵抗各种侵蚀介质作用的能力称为光学玻璃的化学稳定性。

12.1 耐潮稳定性 RC（S）（表面法）

按照GB/T 7962.15-2010的测试方法，根据与标准样品H（BaK7）和H（ZK9）浊度值的比较，将耐潮稳定性分为4类，见下表：

12.2 耐酸稳定性 RA（S）（表面法）

按照GB/T 7962.14-2010的测试方法，根据对酸溶液的稳定性，分为6类，见下表：

12.3耐水作用稳定性 DW（粉末法）

在玻璃表面附着了水滴、或者因温度、湿度的急剧变化、空气中的水分在玻璃表面凝结成水滴的情况下、会有玻璃中的可溶成份和水发生反应、玻璃表面被侵蚀变得粗糙、析出水分蒸发后的溶出成份和溶出成份与空气中的气体(例如CO2)发生反应的生成物、表面看上去白色发乌的现象。这种现象叫做白霉。

用耐水作用稳定性 DW（粉末法）来评价白霉发生的容易程度。

按 GB/T 17129 的测试方法，根据下式计算：

上式中，D_W—玻璃浸出百分数（%），B—过滤器和试样的质量（g）， C—过滤器和侵蚀后试样的质量（g），A—过滤器质量（g）。

由计算出的浸出百分数，将光学玻璃耐水作用稳定性 D_W 分为 6 类，见下表：

12.4 耐酸作用稳定性 DA（粉末法）

被研磨后的光学玻璃的表面因水分、酸等受到侵蚀，在表面可以看见干涉的反射光的现象，这种现象叫做青霉。这是因为玻璃与水和酸接触、就会产生化学反应(玻璃中的阳离子和水中的水合氢离子发生离子交换反应)、在表面生成比母体玻璃折射率更低的薄膜、从而出现干涉。

用耐酸作用稳定性 DA（粉末法）来评价青霉发生的容易程度。

GB/T 17129 的测试方法，根据下式计算：

上式中，D_A—玻璃浸出百分数（%），B—过滤器和试样的质量（g）， C—过滤器和侵蚀后试样的质量（g），A—过滤器质量（g）。

由计算出的浸出百分数，将光学玻璃耐水作用稳定性 D_A 分为 6 类，见下表：

12.5耐候性（CR）

将试样放置在相对湿度为90％的饱和水蒸气环境的测试箱内，在40℃～50℃ 每隔1h交替循环，循环15个周期。根据试样放置前后的浊度变化量来划分耐候性类别，耐候性分类情况见下表：

13.热性质

13.1 转变温度 Tg 与弛垂温度 Ts

光学玻璃在某一温度区间会逐渐由固态变成可塑态，其转变温度 Tg 是指玻璃试样从室温升温至驰垂温度Ts，其低温区域和高温区域直线部分延长线相交的交点所对应的温度，弛垂温度 Ts 是指玻璃试样在升温过程中停止膨胀时的温度。如下图：

13.2 应变点T10^14.5

应变点是玻璃粘度为 10^14.5dpa·s（或 10^13.5pa·s）时的温度，即在几个小时之后才能消除玻璃内应力的温度，也称为玻璃退火下限温度。

13.3 退火点T10¹³

退火点是玻璃粘度为 10¹³dpa·s（或 10¹²pa·s）时的温度，几分钟内即可消除玻璃内应力的温度，也称为玻璃退火上限温度。

13.4 软化点T10^7.6

软化点是玻璃粘度为 10^7.6dpa·s（或 10^6.6pa·s）时的温度。表示玻璃明显软化，并在其自重下变形时的温度。

13.5热膨胀系数α

光学玻璃热膨胀系数是指一定温度范围内温度升高 1℃时，玻璃单位长度的伸长量。按 GB/T 7962.16-2010 规定的方法测量。数据表中给出了-30℃～＋70℃ 和＋100℃～＋300℃的平均热膨胀系数。

13.6热传导系数 λ

热传导系数等于热流密度除以温度梯度所获得的商，即单位时间内通过单位面积的热量除以单位距离的温差，用 w/（m·k）为单位表示。

14.机械性质

14.1杨氏模量 E、剪切模量 G 和泊松比 μ

光学玻璃杨氏模量、剪切模量和泊松比按下列公式计算：

14.2 Knoop 硬度

HK Knoop硬度按 GB/T7962.18-2010 规定的测试方法测量。该方法采用对称棱角为 172°30’和 130°的四角锥金刚石压头，给其施加一定负荷垂直压在试样上，保持一定时间后，撤去负荷，用显微镜观察并测量试样上压痕对角线的长度，按下列公式计算 Knoop 硬度：

14.3 磨耗度 F_A

磨耗度是指在完全相同的条件下，试样的磨损量与标准试样（K9 玻璃）的磨损量（体积）的比值乘以 100 后所得的数值，用公式表示如下：

14.4 密度ρ

光学玻璃的密度是指温度为 20℃时单位体积的质量。光学玻璃的密度按GB/T 7962.20-2010 规定的方法进行测量，单位以 g/cm3 表示。

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