[发明专利]一种大尺寸透红外铝酸钙玻璃

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝酸钙玻璃，具体地是适宜于制备大尺寸透红外光学器件的铝酸钙玻璃及其制备方法。

背景技术

玻璃容易制成高精度的光学器件，表现出良好的光学均匀性、较高的机械强度和表面硬度、制备和加工过程简单等特点。一直以来红外玻璃是红外材料研究的重点。目前，红外光学玻璃主要有石英玻璃、硅酸盐玻璃、铅锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、非氧化物玻璃和铝酸钙玻璃等。

石英玻璃具有优异的光谱特性，既透过红外又透过紫外，而且其可见光区透过性能高。但石英玻璃熔制温度较高且容易吸水，使其在近红外区透过率降低，并且由于Si-O键强较大，其红外透过截止极限较小，限制了该类玻璃的应用。

常见的红外硅酸盐玻璃主要有PbO-SiO₂和BaO-PbO-SiO₂等，其红外光透过截止可达5.5μm。BaO-TiO₂-SiO₂玻璃在2.8μm有吸收峰，但台阶没有一般的红外光学玻璃严重，通过引入氟化物脱水能减少此处因羟基引起的吸收。但该玻璃有强烈的析晶倾向，为熔炼大尺寸玻璃及解决特殊制品的成形带来困难。

目前国内外研究比较成熟的铅锗酸盐红外玻璃，直到5.8～6μm都有良好的红外透过性能，对可见光区也有较高的透过性能，并且软化温度高，抗水解能力强，硬度高，具有较高的实用价值。但其中GeO₂含量高，使得成本高，而且机械性能不是十分理想，从而影响了广泛应用。碲酸盐红外玻璃折射率高，长波极限达6μm，但化学稳定性差，热膨胀系数高，软化温度低(300～400℃)。

目前发展的非氧化物玻璃主要是氟化物玻璃和硫属化合物玻璃。氟化物玻璃具有宽的红外截止波长、固有损耗低(10^-2～10^-3dB/km)、低折射率、高色散系数和耐辐射等特点，是超远距离无中继光通信、红外传感、激光能量传输较为理想的红外光纤材料。硫属化合物玻璃长波极限截止在10μm。但非氧化物玻璃对原料的纯度要求很高，尤其是要尽量杜绝氧化物杂质；熔制时须在真空或充以惰性气体的条件下进行；此外，非氧化物玻璃的一些物理性质比氧化物玻璃差(如硬度低、软化温度低、热膨胀系数大等)。因此非氧化物玻璃没有得到足够的重视和发展。

铝酸钙玻璃是以氧化铝(Al₂O₃)和氧化钙(CaO)为主要成份的红外玻璃。该玻璃具有良好的光学性质，表现在它具有类似于蓝宝石的红外透过，从近紫外到中红外具有很好的透过率，长波截止约6μm。同时，铝酸钙玻璃是一种低损耗的光学材料，在1.55μm的色散值约为0.04dB/km，而硅酸盐玻璃此处的色散值是0.16dB/km。另外该玻璃的软化温度高于750℃，耐温度急变性能好，机械性能高，是制造耐高温整流罩的侯选材料。从Al₂O₃-CaO二元相图可知，12CaO·7Al₂O₃低共熔组份附近的较窄区域可以形成玻璃，但从结晶钙铝酸盐12CaO·7Al₂O₃的结构可知：[AlO₄]沿对角线方向的连接并不十分坚固，并且[AlO₄]的单键强度小于诸如[SiO₄]等的单键强度，因此铝酸钙玻璃的稳定性较差，容易析晶。铝酸钙玻璃的析晶极大地限制了其制备和应用，一旦产生析晶，玻璃的光学和机械性质都会遭到破坏。影响铝酸钙玻璃制备和应用的另一个方面是：和其它红外玻璃一样在近红外区表现出羟基的强烈吸收，一般羟基将同氢键结合对玻璃产生红外吸收。而在本领域中，减少铝酸钙玻璃中水分的方法还未见报道。目前报道的铝酸钙玻璃在2.9μm(水分造成羟基的强烈吸收带)处都有明显吸收，透过率一般在75％以下，并相应地影响整个红外区域的透过率。

发明内容

综上所述，本领域需要一种稳定性强、不易析晶，并且能够减少羟基引起的红外透过率下降从而在可见区至红外区具有良好的透过性能的铝酸钙玻璃，从而满足大尺寸透红外光学器件的要求。

为了解决上述现有技术的问题，本发明人通过研究分析，通过在原料配比、处理和熔制工艺等方面的改进，解决了铝酸钙玻璃的除羟基和析晶难题，成功制备出大尺寸高透过红外异形光学器件。

因此，本发明的目的在于提供一种适宜制备大尺寸透红外光学器件的铝酸钙玻璃。