專利名稱：一種制作梯度光學(xué)玻璃的裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特種玻璃技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種梯度光學(xué)玻璃的制作裝置和采用該裝置制作梯度光學(xué)玻璃的方法。
背景技術(shù)：
梯度光學(xué)玻璃是一種沿其徑向或軸向折射率呈現(xiàn)連續(xù)變化的玻璃。由于具有這一特性，導(dǎo)致入射光在玻璃中以曲線形式傳播。以此特性它被廣泛用于集成光學(xué)領(lǐng)域和光傳播、光通信領(lǐng)域。用梯度光學(xué)玻璃制作的梯度折射率透鏡是光通訊無源器件中必不可少的基礎(chǔ)元器件。應(yīng)用于要求聚焦和準(zhǔn)直功能的各種場(chǎng)合，被分別使用在光耦合器、準(zhǔn)直器、光隔離器、光開關(guān)、激光器等方面。
近年來，隨著微型光學(xué)系統(tǒng)、醫(yī)用光學(xué)儀器、光學(xué)復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)作為其基礎(chǔ)材料梯度光學(xué)玻璃的需求持續(xù)遞增。加之上述光學(xué)系統(tǒng)集成化、多功能化的迅猛發(fā)展，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的精密程度、相關(guān)儀器設(shè)備的集合體積和重量要求越來越高，使得對(duì)梯度光學(xué)玻璃的折射率漸變均勻性和內(nèi)在品質(zhì)也提出了更高的要求。
梯度光學(xué)玻璃的制備方法很多。以離子交換法最為成熟，但靠離子交換法進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)存在生產(chǎn)工序復(fù)雜、制作成本高、制品體積小、成品率低等問題，顯然不能滿足該領(lǐng)域發(fā)展對(duì)梯度光學(xué)玻璃的性能、用量及內(nèi)在品質(zhì)的要求。
專利文獻(xiàn)US005630857A中介紹了一種制作梯度光學(xué)玻璃的方法，將制備好的光學(xué)玻璃熟料按光學(xué)性能和玻璃密度排序。先將密度大的熟料投入熔爐中的坩堝內(nèi)熔化，待密度大的熟料化好，即玻璃熔液中無氣泡、熔化均勻后，再投入密度適中的玻璃熟料。由于密度的原因，中等密度的玻璃熟料會(huì)浮在密度大的玻璃熔液上面熔化，待中等密度的玻璃熟料化好后再投入密度小的玻璃熟料，直至密度小的玻璃熟料化好后就得到自下而上折射率梯度變化的玻璃液。將該具有梯度折射率的玻璃液按一定的降溫速率冷卻，就得到所需的梯度光學(xué)玻璃。
該種方式制作梯度光學(xué)玻璃由于以下原因影響玻璃的品質(zhì)和成品率
1.對(duì)熟料的二次熔化時(shí)由于不摻入同一組分的配合料助熔，使玻璃液中裹挾的氣泡不宜排除，從而影響玻璃品質(zhì)。
2.前面密度大的熟料化好時(shí)再投入密度適中的玻璃熟料的操作要格外注意，不能破壞先前熔化好的液層，否則會(huì)影響折射率梯度漸變的均勻程度。
3.成品率低，不易商業(yè)化生產(chǎn)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種直接熔制和成型梯度光學(xué)玻璃的裝置及以此裝置生產(chǎn)成型梯度光學(xué)玻璃的方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及第一技術(shù)方案的梯度光學(xué)玻璃的裝置，包括熔爐，其特征在于，該熔爐設(shè)有第一溫室和第二溫室，該第二溫室的內(nèi)部工作時(shí)被加 熱為適于將玻璃料熔化的熔化溫度，該第一溫室的內(nèi)部溫度工作時(shí)為比所述熔化溫度低的成型溫度，在所述第二溫室的內(nèi)部設(shè)置有用于熔化玻璃料的熔制坩堝，在所述第一溫中設(shè)置有用于接收來自所述熔制坩堝的玻璃料熔液的成型舟，在所述熔制坩堝的底部設(shè)有用于將玻璃料熔液從所述熔制坩堝中輸送到所述成型舟的漏料管。
采用本發(fā)明第一技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，由于是用設(shè)置于該第二溫室的內(nèi)部熔制坩堝將玻璃料熔化，將熔化后的玻璃料熔液通過漏料管輸送到設(shè)置于第一溫室中的成型舟中，因此，不會(huì)出現(xiàn)后投入密度適中的玻璃熟料破壞先前投入的前面密度大的玻璃料的液層。
本發(fā)明的第二技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述熔制坩堝設(shè)置有用于對(duì)在所述熔制坩堝中玻璃料熔液進(jìn)行攪拌的攪拌器。
采用本發(fā)明第二技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，由于，在所述熔制坩堝中玻璃料熔液進(jìn)行攪拌的攪拌器，通過對(duì)熔制坩堝中的玻璃料熔液進(jìn)行攪拌，能夠排除玻璃料熔液中裹挾的氣泡，使玻璃液中各種組分熔化均勻，從而提高玻璃品質(zhì)。
本發(fā)明的第三技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第一或二技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述漏料管的出口管口位于所述成型舟的口沿處。
采用本發(fā)明第三技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，能夠使從所述漏料管的出口管口排出的玻璃料熔液順著成型舟側(cè)部內(nèi)表面流到成型舟內(nèi)，從而能夠避免后注入的密度值小的玻璃料熔液與先前注入的密度值大的玻璃料熔液的接觸面形成翻卷?xiàng)l紋。
本發(fā)明的第四技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述第一溫室設(shè)置有第一測(cè)溫?zé)犭娕己偷谝患訜嵩?，所述第二溫室設(shè)置有第二測(cè)溫?zé)犭娕己偷诙訜嵩?br> 采用本發(fā)明第四技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，能夠分別監(jiān)控第一溫室和第二溫室的內(nèi)部溫度。
本發(fā)明的第五技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，在所述熔制坩堝的底部設(shè)有用于將所述熔制坩堝內(nèi)的剩余的玻璃料熔液排出到所述熔制坩堝外部的放料管，在所述放料管上設(shè)有用于將放料管導(dǎo)通和截止的放料管開閉部件。
采用本發(fā)明第五技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，能夠容易地將熔制坩堝內(nèi)的剩余的玻璃料熔液排出，以便在干凈的熔制坩堝內(nèi)投入新的玻璃料進(jìn)行熔化。
本發(fā)明的第六技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第五技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述放料管開閉部件是放料管電極。
本發(fā)明的第七技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第一或三技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，在所述漏料管上設(shè)置有用于將漏料管導(dǎo)通和截止的漏料管開閉部件。
本發(fā)明的第八技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第七技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述漏料管開閉部件是漏料管電極。
本發(fā)明的第九技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第一或三技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述成型舟的底面與側(cè)壁面的夾角呈30 50°。 本發(fā)明的第十技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，是在所述第九技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述成型舟的底面與側(cè)壁面的夾角呈40 45°。采用本發(fā)明的第九或第十技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，能夠進(jìn)一步避免后注入的密度值小的玻璃料熔液與先前注入的密度值大的玻璃料熔液的接觸面形成翻卷?xiàng)l紋。本發(fā)明的第十一技術(shù)方案的采用所述第一技術(shù)方案的裝置制作梯度光學(xué)玻璃的方法，其特征在于，包括以下步驟選擇兩種以上的光學(xué)玻璃按玻璃密度由大到小在熔制坩堝內(nèi)分別依次熔煉制得到玻璃熔液，并使玻璃熔液通過漏料管依次注入成型舟內(nèi)進(jìn)行成型，然后使所述成型舟冷卻，就得到折射率連續(xù)漸變的梯度光學(xué)玻璃。本發(fā)明的第i^一技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的方法，不會(huì)出現(xiàn)后投入密度適中的玻璃熟料破壞先前投入的前面密度大的玻璃料的液層。本發(fā)明的第十·二技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的方法，是在所述第十一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述兩種以上的光學(xué)玻璃具有相同的組成系統(tǒng)、300°C以下的膨脹系數(shù)偏差Λ α ( ±3X1(T/K。相同的組成系統(tǒng)是指不同牌號(hào)玻璃組成中的主要化工原料種類相同，只是配合比例有所不同，其它小含量組成(一般指wt%低于5%)的化工原料種類可以有所不同。這樣可以促使不同折射率玻璃料熔液接觸面形成互溶層，使折射率變化呈連續(xù)平緩遞增(或遞減)。此外首選300°C以下膨脹系數(shù)差值為3 X IO-7A以下的玻璃作為備選牌號(hào)，這是因?yàn)椴钪荡笥? X ΙΟ-7#時(shí)，成型好的梯度光學(xué)玻璃在徐冷過程中會(huì)出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。本發(fā)明的第十三技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的方法，是在所述第十一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述熔煉的溫度為1200 1350°C，所述成型的溫度為900 1100。。。玻璃料在1200 1350°C高溫下充分熔化有利于熔液中氣泡排出，經(jīng)過攪拌器攪拌得到熔質(zhì)均勻無條紋的玻璃熔液。將熔化好的玻璃熔液降至900 1100°C溫度成型，玻璃液粘度增大，流動(dòng)性變差，更適合形成玻璃的光學(xué)梯度層。本發(fā)明的第十四技術(shù)方案的制作梯度光學(xué)玻璃的方法，是在所述第十一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其特征在于，使所述成型舟冷卻是將成型舟按不大于4°C /小時(shí)的降溫速率冷卻至室溫。這樣利于得到具有預(yù)計(jì)光學(xué)性能的梯度折射率玻璃。采用本發(fā)明的裝置制作的梯度光學(xué)玻璃品質(zhì)好，折射率梯度漸變均勻，并且成品率高，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明制作梯度光學(xué)玻璃的裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的制作梯度光學(xué)玻璃的裝置包括熔爐，該熔爐包括第一溫室4、第二溫室11,第一溫室4、第二溫室11并列配置。在第二溫室11的內(nèi)部的中央部設(shè)置有帶有攪拌器5的熔制坩堝8，在該攪拌器5的驅(qū)動(dòng)軸穿過第二溫室11的頂壁而與位于第二溫室11外部的驅(qū)動(dòng)裝置(例如電動(dòng)機(jī))相連接。攪拌器5的攪拌頭位于熔制坩堝8內(nèi)。在熔制坩堝8內(nèi)將玻璃料熔化后，通過驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)攪拌器5旋轉(zhuǎn)，攪拌頭對(duì)熔制坩堝8內(nèi)玻璃料熔液進(jìn)行攪拌，使得玻璃料熔液變均勻。在第二溫室11的內(nèi)部靠近其側(cè)壁的內(nèi)表面的位置，以圍繞著熔制坩堝8的狀態(tài)設(shè)置有第二加熱元件(例如加熱絲)7，通過從外部電源對(duì)加熱元件7通電，對(duì)第二溫室11內(nèi)進(jìn)行加熱，進(jìn)而對(duì)熔制坩堝8內(nèi)的玻璃料進(jìn)行加熱使之熔化成玻璃料熔液。在第二溫室11中設(shè)置有第二測(cè)溫?zé)犭娕?，用于對(duì)第二溫室11的內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)，以便將第二溫室11的內(nèi)部溫度控制成熔化溫度。在熔制坩堝8的底部設(shè)置有漏料管9，該漏料管9與熔制坩堝8的內(nèi)部相連通，漏料管9從熔制坩堝8起穿過第二溫室11的側(cè)壁和第一溫室4的側(cè)壁延伸到位于第一溫室4內(nèi)部的成型舟I，該漏料管9出口管口位于成型舟I的口沿處。在漏料管9上設(shè)置有用于對(duì)漏料管9進(jìn)行導(dǎo)通和截止的開閉部件，在本實(shí)施方式中，該開閉部件采用的是漏料管電極10。通過外接電源給漏料管電極10供電，使漏料管9加熱升溫，溫度達(dá)到約1000°C時(shí)玻璃液流出導(dǎo)入成型舟I，調(diào)整漏料管電極10的電流大小可以控制漏料管9的溫度高低，從而控制玻璃液流速，成型舟I中玻璃液層厚度達(dá)到所需厚度時(shí)，關(guān)閉外接電源，漏料管電極10停止供電，漏料管9溫度驟降，漏料管9中玻璃液凝固自封。在熔制坩堝8的底部還設(shè)置有放料管13，該放料管13與熔制坩堝8的內(nèi)部相連通，從熔制坩堝8延伸的第二溫室11 的外部，用于將熔制坩堝8中剩余(多余)的玻璃料熔液排出到外部。在放料管13上設(shè)置有用于對(duì)放料管13進(jìn)行導(dǎo)通和截止的開閉部件，在本實(shí)施方式中，該開閉部件采用的是放料管電極12。同理，通過外接電源給放料管電極12供電，放料管13升溫使坩堝8中剩余的玻璃液排空后再關(guān)閉電源。成型舟I設(shè)置在第一溫室4的內(nèi)部的中央位置，在第一溫室4的內(nèi)部靠近其側(cè)壁的內(nèi)表面的位置，以圍繞著成型舟I的狀態(tài)設(shè)置有第一加熱元件(例如加熱絲)2，通過從外部電源對(duì)加熱元件2通電，對(duì)第一溫室4內(nèi)進(jìn)行加熱。在第一溫室4中設(shè)置有第一測(cè)溫?zé)犭娕?，用于對(duì)第一溫室4的內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)，以便將第一溫室4的內(nèi)部溫度控制成成型溫度。第一溫室4的成型溫度低于第二溫室11的熔化溫度。所述熔制坩堝8、攪拌器5、漏料管9選用鉬金、鉬鋯合金或鉬金和黃金的合金材料制作，所述成型舟采I用石英或氧化鋁陶瓷材料制作。將所述成型舟I制作成口大底小，底面與側(cè)壁面夾角30 50°，優(yōu)選40 45°。以避免后注入的密度值小的玻璃液與先前注入的密度值大的玻璃液的接觸面形成翻卷?xiàng)l紋。根據(jù)國標(biāo)GB/T903-87《無色光學(xué)玻璃》列舉的光學(xué)玻璃牌號(hào)及其光學(xué)性能和相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，選擇F1、F2、F5三個(gè)牌號(hào)作為梯度光學(xué)玻璃成型用的基質(zhì)玻璃。按表I的重量百分組成范圍稱取化工原料，使三個(gè)牌號(hào)光學(xué)玻璃的光學(xué)常數(shù)偏差A(yù)ndS ±5X10_4，Δ ±0. 5%，300°C以下的膨脹系數(shù)偏差Λ α ( ±3X10_7/K。三種牌號(hào)光學(xué)玻璃的相關(guān)性能指標(biāo)見表2。表l.Fl、F2、F5三個(gè)牌號(hào)的重量百分組成范圍
權(quán)利要求
1.一種制作梯度光學(xué)玻璃的裝置，包括熔爐，其特征在于，該熔爐設(shè)有第一溫室(4)和第二溫室(11)，該第二溫室(11)的內(nèi)部工作時(shí)被加熱為適于將玻璃料熔化的熔化溫度，該第一溫室(4)的內(nèi)部溫度工作時(shí)為比所述熔化溫度低的成型溫度，在所述第二溫室(11)的內(nèi)部設(shè)置有用于熔化玻璃料的熔制坩堝(8)，在所述第一溫室(4)中設(shè)置有用于接收來自所述熔制坩堝(8)的玻璃料熔液的成型舟(1)，在所述熔制坩堝(8)的底部設(shè)有用于將玻璃料熔液從所述熔制坩堝(8)中輸送到所述成型舟(I)的漏料管(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熔制坩堝(8)設(shè)置有用于對(duì)在所述熔制坩堝(8)中玻璃料熔液進(jìn)行攪拌的攪拌器(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述漏料管(9)的出口管口位于所述成型舟(I)的口沿處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一溫室(4)設(shè)置有第一測(cè)溫?zé)犭娕?3)和第一加熱元件(2)，所述第二溫室(11)設(shè)置有第二測(cè)溫?zé)犭娕?6)和第二加熱元件(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述熔制坩堝(8)的底部設(shè)有用于將所述熔制坩堝(8)內(nèi)的剩余的玻璃料熔液排出到所述熔制坩堝(8)外部的放料管(13)，在所述放料管(13)上設(shè)有用于將放料管(13)導(dǎo)通和截止的放料管開閉部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述放料管開閉部件是放料管電極(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的裝置，其特征在于，在所述漏料管(9)上設(shè)置有用于將漏料管(9)導(dǎo)通和截止的漏料管開閉部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述漏料管開閉部件是漏料管電極(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的裝置，其特征在于，所述成型舟(I)的底面與側(cè)壁面的夾角呈30 50°。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述成型舟(I)的底面與側(cè)壁面的夾角呈40 45°。
11.一種采用權(quán)利要求1所述的裝置制作梯度光學(xué)玻璃的方法，其特征在于，包括以下步驟選擇兩種以上的光學(xué)玻璃按玻璃密度由大到小在熔制坩堝(8)內(nèi)分別依次熔煉制得到玻璃熔液，并使玻璃熔液通過漏料管(9)依次注入成型舟(I)內(nèi)進(jìn)行成型,然后使所述成型舟(I)冷卻就得到折射率連續(xù)漸變的梯度光學(xué)玻璃。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述兩種以上的光學(xué)玻璃具有相同的組成系統(tǒng)、300°C以下的膨脹系數(shù)偏差A(yù) a ( ±3X10_7/K。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述熔煉的溫度為1200 1350°C，所述成型的溫度為900 1100°C。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，使所述成型舟(I)冷卻是將成型舟按不大于4°C /小時(shí)的降溫速率冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制作梯度光學(xué)玻璃的熔煉成型裝置和梯度光學(xué)玻璃制作方法。該裝置包括熔爐，該熔爐設(shè)有第一溫室和第二溫室，該第二溫室的內(nèi)部工作時(shí)被加熱為適于將玻璃料熔化的熔化溫度，該第一溫室的內(nèi)部溫度工作時(shí)為比所述熔化溫度低的成型溫度，在所述第二溫室的內(nèi)部設(shè)置有用于熔化玻璃料的熔制坩堝，在所述第一溫室中設(shè)置有用于接收來自所述熔制坩堝的玻璃料熔液的成型舟，在所述熔制坩堝的底部設(shè)有用于將玻璃料熔液從所述熔制坩堝中輸送到所述成型舟的漏料管。將配合好的光學(xué)性能不同、300℃以下的膨脹系數(shù)相近的配合料，按密度由大到小依次熔煉，并依次注入成型舟內(nèi)。使成型舟冷卻就得到折射率連續(xù)漸變的梯度光學(xué)玻璃。
文檔編號(hào)C03B5/235GK103030260SQ20131000862
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者唐雪瓊, 劉向東, 張衛(wèi), 榮幸, 安平 申請(qǐng)人:湖北新華光信息材料有限公司