[發明專利]玻璃材料、梯度折射率玻璃及其制造方法

有效

• 申請號: 202011024680.2
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112110646B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 馬赫;毛露路
• 申請（專利權）人: 成都光明光電股份有限公司
• 主分類號: C03C3/11
• 分類號: C03C3/11;C03C3/118;C03C3/112;C03C3/097;C03C3/064;C03C3/066;C03C21/00
• 代理公司: 成都希盛知識產權代理有限公司 51226
• 代理人: 蒲敏

本發明提供一種玻璃材料，其組分以摩爾百分比表示，陽離子含有：Si⁴⁺：20～50％；Al³⁺：18～30％；B³⁺：0～15％；Na⁺：15～35％，其中B³⁺/(B³⁺+Al³⁺)為0.35以下。通過合理的組分設計，本發明獲得的玻璃材料離子擴散系數大，適于制造具有優化的折射率分布的梯度折射率玻璃；本發明獲得的梯度折射率玻璃數值孔徑較大。

技術領域

本發明屬于玻璃技術領域，尤其是涉及一種適于制造梯度折射率玻璃的玻璃材料，以及由其制成的梯度折射率玻璃及其制造方法。

背景技術

梯度折射率(Gradient index,GRIN)透鏡是一種用于改變光線軌跡的光學元件。梯度折射率玻璃一般為圓柱體，其在光路中的作用與凸透鏡相當，但聚光作用是通過內部折射率的特定連續變化實現。若使入射子午光線(即光路與梯度折射率玻璃中軸相交的光線)的像差為0，梯度折射率玻璃應具有雙曲線性的折射率分布。

目前，梯度折射率玻璃的量產方式主要是離子交換法，這種方法實現的折射率分布受到擴散過程的菲克第二定律限制，所得的梯度折射率玻璃的折射率分布與理想情況(即，使入射子午光線的像差為0的情況)存在差別。梯度折射率玻璃的折射率分布直接決定其成像質量。優化梯度折射率玻璃中的折射率分布，可以減小梯度折射率玻璃的成像畸變，對于內窺鏡、雙光子成像等應用具有重要意義。在優化梯度折射率玻璃的折射率分布方面，現有技術中主要包括以下幾種技術手段：

第一種，通過堆疊基本單元材料的制造方式制造梯度折射率玻璃。如CN1300724A、CN106094065B中采用化學氣相沉積法制造梯度折射率玻璃，通過連續改變氣相沉積蒸氣組分，能夠實現梯度折射率玻璃中折射率的可控變化，但是這種方法的生產效率非常低。CN105873744B中通過3D打印等增材制造技術制造梯度折射率玻璃，能實現梯度折射率中折射率的可控變化，但是該方法的效率低，折射率空間控制精度不高。因此，這些方法在現有的技術條件下均不適合大批量工業生產。

第二種，采用電場輔助離子交換的方法實現對擴散過程的控制。例如文獻(AppliedPhysicsletter,2014,105(10),103102)報道了一種利用電場輔助的離子交換可控制備光波導的方法。但是，這種方法需要在樣品一面事先涂覆電極，一般僅適用于形狀為平板、折射率沿厚度方向變化的元件制備，而不適用于形狀為柱狀、折射率垂直于高度方向變化的元件制備。

第三種，通過改進離子交換工藝實現梯度折射率玻璃的折射率分布優化。例如技術文獻(西南大學學報，2007,29(9),36-41)、(光子學報，2005,34(8),1141-1144)介紹了在原本僅需一次離子交換的情況下，通過二次或多次離子交換過程實現優化的折射率分布。劉德森所著專著《變折射率介質理論及其技術實踐》中介紹了在離子交換后進行后續熱處理，能夠優化梯度折射率玻璃的折射率分布。這些方法存在以下兩點問題：首先，增加的工序對于工藝執行的難度有明顯的提高，工藝穩定性下降較大；第二，這些公開資料中的方法均基于一種含劇毒的鉈(Tl)組分的玻璃。因此，這種方法尚有改進的空間。

第四種，通過計算光學矯正梯度折射率玻璃的像差、成像畸變。這種方法一般在光纖光學系統領域應用，屬于事后補救的方法。這種方法的問題在于，若光纖系統處理的光信號模數、信道數過多，對于算法芯片的壓力將增大。因此，這種方法增加光學系統復雜度，提高光學設計難度。

第五種，通過離子交換過程中變化的混合堿金屬效應，使離子交換擴散過程的擴散系數隨擴散時間變化。但是，由于玻璃組成成分范圍的限制，利用混合堿金屬效應，將減少玻璃中離子交換的堿金屬總量，會導致所得梯度折射率玻璃的數值孔徑較小，收光能力較弱。

發明內容

基于以上原因，本發明所要解決的技術問題是提供一種玻璃材料，所述玻璃材料可用于制造具有優化的折射率分布的梯度折射率玻璃。