[發明專利]用于透射可見至中波紅外輻射的光學器件的摻有二氧化硅和氟化物的重金屬氧化物玻璃及其制備方法

有效

• 申請號: 201380033744.7
• 申請日: 2013-06-25
• 公開（公告）號: CN104619659B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 西米·喬治;薩利·普西羅斯科
• 申請（專利權）人: 肖特公司
• 主分類號: C03C3/07
• 分類號: C03C3/07;C03C4/10
• 代理公司: 北京思益華倫專利代理事務所(普通合伙)11418
• 代理人: 趙飛,郭紅麗

技術領域

本發明涉及一種透射可見光譜至中波紅外(IR)光譜、例如在0.5-5μm的波長范圍內的光線的玻璃材料，其在0.7-1.0μm的近紅外范圍和3-5μm的中波紅外范圍(MWIR)內具有高的透射率。這樣的材料用于紅外窗口、圓頂和透鏡應用，以及用于光纖應用。

發明內容

例如，本發明的玻璃可以被用作纖維光錐技術中的芯玻璃。這樣的應用包括芯玻璃和包層玻璃的用途。芯玻璃是紅外透過性的，例如對中波紅外光是透過性的。然而，包層玻璃在中紅外光譜是不透光的，其需要大的芯直徑。

芯玻璃和包層玻璃的熱性能和物理性能應盡可能地相似，同時保持盡可能大的兩者的折射率差。大的折射率差對于實現所需的接近1.0的數值孔徑(NA)是必要的。為了實現大的NA，芯玻璃的折射率通常應高于2.0。然而，取決于對包層玻璃的選擇，更低芯玻璃的折射率、例如1.8也是可以的，但玻璃仍可實現所需的NA。

包層玻璃優選具有如下性能：

1)CTE(10^-7/K)-50，nd-1.48，SP(℃)-729；

2)CTE(10^-7/K)-92，nd-1.56，SP(℃)-630；或

3)CTE(10^-7/K)-91，nd-1.57，SP(℃)-574。

本文公開的玻璃適合在可被制成纖維面板、導管、柔性傳像束等的紅外透射熔融纖維束中使用。此外，這些玻璃可以用作標準光學器件的材料，以及作為紅外檢測器或攝像頭窗口。

本發明的目的是提供一種“低成本”的重金屬氧化物玻璃，其可以透射可見光譜到紅外光譜內的光，特別是在中波紅外光譜中具有高的紅外(IR)透射率，優選在甚至大于5.0μm的波長處表現出良好的透射率。所取得的波長透過性優選在0.5-5μm?nm的范圍內，在該區域具有相對平的透射率。

通常，在中波紅外光譜具有高的紅外(IR)透射率的重金屬氧化物玻璃由于殘余羥基的吸收表現出在約3.0μm處的降低的透射率。本發明的另一個目的是提供一種在約3.0μm處的降低的透過率被減小的玻璃。對在這一區域的損失起作用的因素為在制備時混入玻璃中的羥基基團。本發明人證明，這些可以幾乎被完全去除。

至于光纖，另一個目的是提供一種這樣的重金屬氧化物玻璃：其是熱穩定的，具有低于900℃的拉伸溫度，并具有高于包層玻璃的軟化溫度(SP)，以使得滿足“硬芯、軟包層”的規則。包層玻璃需要折疊圍繞核心以便具有適當的粘附。

重金屬氧化物玻璃常常用于需要高紅外透射率的應用。但是這樣的玻璃具有高的密度，如果輕質光學材料是所需的，這通常不具有吸引力的。因此，另一個目的是提供一種比文獻中常見的玻璃具有更低的密度的用于紅外透射率的重金屬氧化物玻璃。

通過根據本發明的玻璃來實現這些目的。根據本發明，提供了一種包含二氧化硅和氟化物的重金屬氧化物玻璃組合物。本發明的玻璃實現了密度的降低，而同時保持了紅外透射應用所需的范圍內的透射水平和折射率值。

另外，在重金屬氧化物玻璃組合物中Si和氟化物的存在將玻璃轉化溫度T_g和軟化溫度有利地提高了150℃以上。更高的T_g是有吸引力的，因為它意味著玻璃可以進行涂層處理以及在標準條件下處理。更高的軟化溫度是有利的，因為它提供了對于拉伸處理所必要的硬度。對于熔融纖維束，玻璃需要被拉伸和再拉伸多次，這要求組合物具有低的結晶傾向，因此在標準加工條件下的穩定性是極其重要的。

除了光學和熱的改進之外的另外的優點包括：使用廉價的原材料、易于加工、在大批量制造條件下的穩定性。通過調整被發現是穩定地混合入所述玻璃中的這些組合物中的氟化物組分，可以進一步改進透射窗口。

根據本發明的一個方面，提供了一種基于Pb、Bi、Si、Ga、和F的重金屬氧化物玻璃組合物，其包括(基于摩爾％)：

至少1摩爾％的氟化物、優選PbF₂是必需的，以有效地去除成品玻璃產品中的OH含量。更優選使用大于2％的氟化物。