Оптическое стекло

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к бесцветным оптическим стеклам, не содержащим оксидов свинца, со значением коэффициента преломления nd≥l,73, числом Аббе νd≥40 и плотностью ρ≤4,2 г/см3. Изобретение можно использовать для изготовления высокоразрешающих оптических систем, фото-, кино-, объективов, лазерной техники, офтальмологии, а также оптических систем записи, считывания и передачи информации. Технический результат изобретения – низкая склонность к кристаллизации, которая достигается дополнительным содержанием Аl2О3 (до 12 мас.%) и Ga2O3 (до 10 мас.%) при большом содержании компонентов La2O3 (до 63 мас.%) и Nb2O5 (до 12 мас.%), обеспечивающих высокие значения оптических постоянных. 5 пр.

 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к бесцветному оптическому стеклу с высоким показателем преломления nd≥1,70. Изобретение можно использовать для изготовления высокоразрешающих оптических систем, фото-, кино-, объективов, лазерной техники, офтальмологии.

Стремительное развитие техники и технологий оптической передачи данных, оптических систем записи и считывания информации требуют новых оптических материалов с экстремально высокими значениями оптических постоянных.

Известно большое множество стекол с высоким значением коэффициента преломления, например: RU 2316486, RU 2329958, RU 2326058, RU 2325338, в которых заявляемые оптические характеристики обеспечиваются наличием в составе стекла оксида свинца.

Известно стекло (патент RU 2036172) по свойствам близким к требуемым, которое содержит в масс. %: Р2О5 14-40; B2O3 0,4-16; PbO 34-54; Li2O 0,2-2,3; K2O 0,3-5,5; Sb2O3 0,5-6; Nb2O5 1-20; Al2O3 0,5-2; La2O3 0,5-2; BaO 2-13; WO3 5-14; GeO2 2,5-5 Среди недостатков этого стекла можно выделить то, что он получен на фосфатной основе, которая не обеспечивает приемлемую химическую устойчивость, а так же содержит очень большое количество оксида свинца при высокой склонности к кристаллизации, что характерно для большинства стекол с повышенным значением коэффициента преломления.

Близкими по достигаемому результату являются материалы, заявленные в патентах US 6.753.278 и US 2005/0209087. В патенте US 6.753.278 решается задача создания оптических стекол для оптических систем считывания и записи информации. Защищаются составы стекол, которые имеют показатели преломления nd≥l,70, число Аббе νd≥35 и плотности ρ≤4,5 г/см3. В указанном изобретении представлены составы четырех категорий оптических стекол, обладающих совокупностью заявляемых оптических характеристик, и первые две из них относятся к стеклам на основе лантаноборатной стеклообразующей системы.

К первому классу заявленных стекол относятся PbO-содержащие стекла с составом (в масс. %): La2O3 30-45; B2O3 30-40; PbO 0,1-5; MgO 0-8; СаО 0-8; SrO 0-8; сумма (MgO+СаО+SrO+BaO) 0-10; ZnO 1-10; TiO2 0-5; ZrO2 1-10; Y2O3 1-8; Yb2O3 0,1-5; Gd2O3 0,1-5; Nb2O5 0,1 - стекла имеют показатели преломления nd≥l,74, число Аббе νd≥40 и плотности ρ≤4,5 г/см3. Наличие в составе заявляемой группы стекол оксида свинца не позволяет использовать их в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Стекла второго класса содержат GeO2 и имеют следующий общий состав (в масс. %): La2O3 35-50; В2О3 30-40; SiO2 0-8; GeO2 0,1-15, предпочтительно (GeO2+SiO2) 5-13; MgO 0-5, СаО 0,1-7, SrO 0-2; BaO 0,1-7; ZnO 0-5; ZrO2 0,1-8; Y2O3 0,1-6; Gd2O3 0-5 и Nb2O5 1-10. Эти стекла имеют показатели преломления nd≥l,70, число Аббе νd≥45 и плотности ρ≤4,4 г/см3, однако наличие в составе стекла тугоплавких и дорогостоящих оксидов циркония, иттрия, гадолиния без использования оксидов, понижающих кристаллизационную способность стекла (A12O3, Ga2O3) не позволяет рассматривать их в качестве перспективного материала для практического применения. Представленная совокупность составов стекол обладает повышенной склонностью к кристаллизации.

Стекла третьего класса изобретения имеют следующий состав (в масс. %): La2O3 40-55; В2О3 22-32; SiO2 1-8; Al2O3 0-5; MgO 0-8; СаО 0-8; SrO 0-8; BaO 0-2; ZnO 0,5-6; TiO2 0-3; ZrO2 2-10; Y2O3 3-11; M2O (М=Li, Na, K, Rb и/или Cs) 0-8. Указано, что для улучшения сопротивления кристаллизации стекла содержат до 5 масс. % A12O3. Отмечено, что при увеличении содержания оксида алюминия число Аббе снижается, а тугоплавкость выбранной композиции возрастает. Это во многом связано с тем, что в качестве компонентов стекла, повышающих значение коэффициента преломления, выбраны тугоплавкие оксиды титана, циркония и иттрия, которые значительно увеличивают склонность стекла к кристаллизации. Оксиды циркония и титана являются широко известными нуклеаторами кристаллизации и для использования их в качестве стеклообразующих оксидов необходимо наличие большого количества щелочных и щелочноземельных оксидов, которые понижают коэффициент преломления. Кроме того оксиды титана и иттрия окрашивают стекла в желтый цвет.

Стекла четвертого класса имеют следующий состав (в масс. %): La2O3 10-16; B2O3 1-8; SiO2 20-30; Al2O3 0-3; MgO 0-8; СаО 20-30; SrO 0-8; BaO 0-8; ZnO 1-8; TiO2 3-11; ZrO2 0,5-6; Nb2O5 10-18; M2O (М=Li, Na, K, Rb и/или Cs) 0-8. Очевидно, что из-за относительно низкого содержания оксидов лантана и бора отнести указанный класс стекол к ланатаноборатным было бы неправильно. Это кальцийсиликатные стекла с рядом стеклообразующих и модифицирующих добавок.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются материалы, заявленные в патенте US 2005/0209087 «LEAD- AND ARSENIC-FREE OPTICAL LANTHANUM FLINT GLASSES)). Заявляемые оптические стекла группы лантановых флинтов не содержат оксидов свинца и мышьяка и могут быть использованы в области цифрового изображения, лазерной технологии, телекоммуникационных оптических сетей, фотолитографии, оптики. Заявленные составы стекла обладают требуемой совокупностью свойств: коэффициент преломления l,73≤nd≤1,82, число Аббе 43≤νd≤53 и отличаются хорошей химической согласованностью, превосходной кристаллизационной стабильностью при следующем соотношении компонентов (масс. %): SiO2 0,1-5,5, В2О3 27-35, La2O3 42-48, BaO 0-5, ZnO 0,5-5, Y2O3 6-12, TiO2 0-4, ZrO2 4-10, Nb2O5 0-5, WO3 0-5.

Отличительной особенностью указанного патента является отсутствие в составе исходного стекла таких компонентов как GeO2, Al2O3, Ga2O3 при небольшом содержании стеклообразующего оксида SiO2, повышающего механическую прочность заявляемого материала. Наиболее важным компонентом для достижения высоких значений коэффициента преломления и понижения значения числа Аббе является оксид иттрия, который должен быть введен в количестве от 6 до 12 масс. %. Еще одним важным компонентом для достижения необходимых значений оптических констант является оксид циркония. Это один из наиболее тугоплавких оксидов и резко повышающий склонность стекла к кристаллизации. В состав защищаемого изобретения включен оксид титана в ограниченном до 4 масс. % количестве, но при этом обязательно наличие щелочноземельных оксидов (MgO+СаО+SrO) в сумме до 8 масс. %, иначе оксид титана не может играть роль стеклообразователя. Перечисленные щелочноземельные оксиды снижают уровень заявляемых оптических свойств стекла. Оксид ниобия вводится для подавления процессов зародышеобразования кристаллов, который неизменно проходит при использовании в составе стекла оксидов титана и циркония, а также большого количества оксидов лантана и иттрия. Оксид вольфрама WO3 является не обязательным компонентом заявляемого состава стекла и служит для корректировки точного значения коэффициента преломления и числа Аббе.

Задачей изобретения является разработка состава высокопреломляющего оптического стекла с низкой склонностью к кристаллизации. Состав должен обеспечить получение стекла со значением коэффициента преломления nd≥l,73, числом Аббе νd≥40 и пониженной плотностью ρ≤4,2 г/см3.

Решение поставленной задачи изобретения достигается составом, включающего (масс. %): La2O3 45-63; B2O3 10-25; SiO2 5-15; A12O3 5-12; ВаО 1-6; Nb2O5 5-12; Sb2O3 0,1-2 отличающееся тем, что дополнительно содержит (масс. %) GeO2 1-7 и Ga2O3 2-10.

Совокупность заявляемых компонентов позволяет получать оптическое стекло с пониженной склонностью к кристаллизации в объемах пригодных для промышленного применения. Замещение 1 мол. % SiO2 на 1 мол. % GeO2 дает прирост в значении коэффициента преломления Δnd=15,6⋅10-4. Замещение 1 мол. % B2O3 на 1 мол. % Ga2O3 дает прирост в значении коэффициента преломления Δnd=19,2⋅10-4. Благодаря использованию указанных оксидов, повышающих значение коэффициента преломления без использования оксидов щелочных металлов, понижающих оптические константы, удается получить стекла с требуемой совокупностью свойств. Оксиды бария и ниобия так же повышают оптические характеристики заявляемых стекол, при этом снижают склонность стекла к кристаллизации. Наличие оксида алюминия необходимо в ограниченном количестве для подавления процессов кристаллизации. Оксид сурьмы играет роль осветлителя стекломассы в процессе варки стекла.

Синтез заявляемых составов стекол проходит традиционным для оптического стекловарения способом в электрических печах шахтного типа в платиновых тиглях объемом от 100 до 300 мл при температурах не превышающих 1500°С с выработкой стекломассы в металлическую форму и отжигом при температуре 600°С в течение 4 часов.

Отличительной особенностью предлагаемых в заявляемом изобретении стекол является отсутствие в их составе оксидов тяжелых металлов (свинца, кадмия и т.д.), которые являются сильными загрязнителями окружающей среды и усугубляют экологическую обстановку при производстве таких стекол.

Пример 1 Бесцветное оптическое стекло, включающее (масс. %): La2O3 - 45; B2O3 - 25; SiO2 - 8,5; GeO2 - 4; Al2O3 - 5; Ga2O3 - 2; BaO - 3; Nb2O5 - 7; Sb2O3 - 0,5 получено по традиционной технологии смешиванием компонентов шихты, варка в платиновом тигле в электрической печи косвенного нагрева при температуре 1450°С, выработкой в разогретую металлическую форму и отжиг при температуре 600°С в течение 4 часов с инерционным охлаждением до комнатной температуры.

Обеспечивается получение стекла без признаков кристаллизации со значением коэффициента преломления nd=1,746, число Аббе νd=51,7, плотность ρ=3,9 г/см3, температура стеклования Tg=680°C, ТКЛР α(50-500°C)=81,4⋅10-7 град-1.

Пример 2 Бесцветное оптическое стекло, включающее (масс. %): La2O3 - 50; B2O3 - 10; SiO2 - 10; GeO2 - 5,5; Al2O3 - 5; Ga2O3 - 10; BaO - 4; Nb2O5 - 5; Sb2O3 - 0,5 получено по технологии указанной в примере 1.

Обеспечивается получение стекла без признаков кристаллизации со значением коэффициента преломления nd=l,764, число Аббе νd=46,3, плотность ρ=4,1 г/см3, температура стеклования Tg=696°C, ТКЛР α(50-500°C)=84,2⋅10-7 град-1.

Пример 3 Бесцветное оптическое стекло, включающее (масс. %): La2O3 - 63; B2O3 - 13,5; SiO2 - 5; GeO2 - 1; Аl2О3 - 6; Ga2O3 - 5; BaO - 1; Nb2O5 - 5; Sb2O3 - 0,5 получено по технологии указанной в примере 1.

Обеспечивается получение стекла без признаков кристаллизации со значением коэффициента преломления nd=l,780, число Аббе νd=40,l, плотность ρ=4,2 г/см3, температура стеклования Tg=672°C, ТКЛР α(50-500°C)=90,5⋅10-7 град-1.

Пример 4 Бесцветное оптическое стекло, включающее (масс. %): La2O3 - 47; B2O3 - 10; SiO2 - 5; GeO2 - 7; А12О3 - 8; Ga2O3 - 3; BaO - 6; Nb2O5 - 12; Sb2O3 - 2 получено по технологии указанной в примере 1.

Обеспечивается получение стекла без признаков кристаллизации со значением коэффициента преломления nd=l,752, число Аббе νd=45,8, плотность ρ=4,1 г/см3, температура стеклования Tg=670°C, ТКЛР α(50-500°C)=86,9⋅10-7 град-1.

Пример 5 Бесцветное оптическое стекло, включающее (масс. %): La2O3 - 50; B2O3 - 11; SiO2 - 15; GeO2 - 2; А12О3 - 12; Ga2O3 - 2,5; BaO - 1,5; Nb2O5 - 5; Sb2O3 - 1 получено по технологии указанной в примере 1.

Обеспечивается получение стекла без признаков кристаллизации со значением коэффициента преломления nd=1,758, число Аббе νd=43,0, плотность ρ=4,1 г/см3, температура стеклования Tg=702°C, ТКЛР α(50-500°C)=78,9⋅10-7 град-1.

Оптическое стекло, содержащее La2O3, SiO2, В2О3, Al2O3, BaO, Nb2O3, Sb2O3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит GeO2 и Ga2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

La2O3 45-63
B2O3 10-25
SiO2 5-15
GeO2 1-7
Al2O3 5-12
Ga2O3 2-10
BaO 1-6
Nb2O5 5-12
Sb2O3 0,1-2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к производству стекол, которые могут быть использованы для изготовления изделий декоративно-художественного назначения.

Стекло // 2661959
Изобретение относится к составам люминесцирующих свинцовоборосиликатных стекол. Стекло содержит следующие компоненты, вес.%: B2O3 6,0-27,0; SiO2 3,0-10,0; Al2O3 1,0-3,0; PbO 60,0-90,0 и по крайней мере один окисел из группы Pr2O3, Sm2O3, Nd2O3, Tb2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Eu2O3, Ce2O3 при следующем соотношении компонентов, причем указанный окисел вводится сверх 100% (вес.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к фосфатным стеклам, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных) и усилителей лазерных импульсов сверхкороткой длительности, генерирующих в ближней инфракрасной области спектра.

Изобретение относится к производству стекол, используемых, преимущественно, в электронной и радиотехнической промышленности. Легкоплавкое стекло содержит, мас.

Изобретение относится к стеклам, предназначенным для применения в твердотельных лазерах, в частности в короткоимпульсных лазерах с высокой пиковой мощностью. Технический результат – увеличение ширины полосы излучения редкоземельных ионов, используемых в качестве генерирующих ионов в активных средах твердотельных лазеров на стекле, особенно в композициях стекол на фосфатной основе.

Стекло // 2614762
Изобретение касается составов стекла, которое может быть использовано для изготовления ваз, декоративных панно, сувениров. Стекло содержит, мас.%: PbO 31,0-32,0; TiO2 3,0-4,0; ZrO2 3,5-4,5; K2O 1,6-2,53; Na2O 1,0-2,1; Al2O3 1,0-1,8; SiO2 29,5-30,4; BaO 17,82-18,76; CaO 3,7-4,5; Nb2O5 1,48-2,22; SnO2 1,74-1,98.

Стекло // 2612380
Изобретение относится к производству стекол, которые могут быть использованы, например, для изготовления плафонов люстр. Стекло содержит, мас.
Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к магнитооптическим стеклам, содержащим оксид тербия, для использования в качестве устройств, работающих на принципе эффекта Фарадея.
Изобретение относится к составам стекла, используемого в оптическом приборостроении. .
Изобретение относится к составам стекол, используемых в производстве оптических приборов, лазерной технике. .

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к бесцветным оптическим стеклам, не содержащим оксидов свинца, со значением коэффициента преломления nd≥l,73, числом Аббе νd≥40 и плотностью ρ≤4,2 гсм3. Изобретение можно использовать для изготовления высокоразрешающих оптических систем, фото-, кино-, объективов, лазерной техники, офтальмологии, а также оптических систем записи, считывания и передачи информации. Технический результат изобретения – низкая склонность к кристаллизации, которая достигается дополнительным содержанием Аl2О3 и Ga2O3 при большом содержании компонентов La2O3 и Nb2O5, обеспечивающих высокие значения оптических постоянных. 5 пр.

Наверх