Сергей Песков - История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей

Стекло для производства оптического оборудования создавалось еще в XVIII веке. Но несмотря на это, производство оптических стеклянных материалов связано с изобретением ученым из Швейцарии Гинаном способа механического размешивания стеклянных масс в процессе варки и охлаждения круговыми движениями глиняного стержня, погруженного в стекло в вертикальном положении.

Сегодня подобные материалы применяется для изготовления:

✓ призм;

✓ деталей для наблюдательных систем;

✓ деталей для измерительных приборов;

✓ линз;

✓ пластинок;

✓ кювет.

В зависимости от того, для какой детали предназначено стекло, каждая оптическая константа выдерживается максимально тщательно, а производственные технические параметры соблюдаются в высочайшей точностью. Если пренебрегать этими правилами, то качество детали будет очень низким или вовсе материал не будет соответствовать назначению.

Среди характеристик стекла стоит различать:

– показатель преломления – характеристика, определяющаяся парой спектральных линий, которые именуются «натриевый дублет»;

– средняя дисперсия – показатель, который определяется разностью характеристик преломления синей и красной линий спектра;

– коэффициент дисперсии – число, заданное соотношением характеристики преломления к показателю средней дисперсии.

Кроме бесцветного следует различать цветное и оптическое стекло для трансформации излучения. Из цветного стекла производятся абсорбционные светофильтры. Основное различие цветного оптического стекла от художественного или технического – высокий показатель оптической однородности.

Стекло для трансформации излучения делится на:

✓ фотохромные;

✓ генерирующие люминисцирующие;

✓ магнитно-оптические.

Для всех эти стекол характерно явление фото– и радиационного окрашивания и люминисценции.

Изготавливаются стекла для сферы оптического производства из неорганических и органических материалов.

Поэтому стоит различать основные виды оптического стекла:

✓ неорганическое;

✓ органика или, так называемое, оргстекло;

✓ минерало-органическое.

Основное отличие неорганического стекла – состав веществ, которые образуют материал. К ним относятся оксиды (TeO 2, B 2O 3) и фториды (AlF 3). К неорганическим стеклам относится и оптическое кварцевое стекло. Химическая формула его основной образующей всем знакома – SiO2 (кварцевый песок). Такое стекло может образоваться и в природе (попадание молнии в кварцевый песок), но оно не считается оптическим.

На производстве оптическое кварцевое стекло носит сокращенное наименование – кварц. Такое стекло обладает наименьшим показателем преломления и наибольшей характеристикой светопропускания.

Кварцу характерна высокая стойкость к термической обработке. Благодаря широкому диапазону прозрачности данный вид оптического стекла применяется в сфере телекоммуникаций (вспомните оптическое волокно). Современное производство оптических линз считает именно силикатное стекло незаменимым в изготовлении оптических систем разной сложности.

Силикатное стекло бывает:

– прозрачное. В свою очередь делится на оптическое и техническое. Оптическое стекло из кварцевого песка получается средством плавки горного хрусталя. Такой материал полностью однороден;

– непрозрачное. Цвет придается маленькими пузырьками газа, которые находятся внутри материала.

Кремниевое стекло также производится на базе Si, как и кварц, но отличается от него оптическими свойствами. Кремний – один из наиболее востребованных материалов, которые служит основой для производства оптических агрегатов и деталей.

В некоторых случаях кремниевые элементы просто незаменимы. Так, они способны пропускать ИК излучение и преломлять Х-лучи. Другие материалы не способны настолько эффективно работать в столь широком диапазоне, как оптические стекла на основе кварца.

Органическое стекло (ПММА) –синтетический материал полимерной группы. Оргстекло – прозрачный, твердый в меру хрупкий материал, относящийся к классу термопластов. Материал нередко применяется в качестве замены кварцевому стеклу.

Особенности ПММА:

– материал устойчив к агрессивным факторам окружающей среды (повышенное влагосодержание, пониженные температуры);

– оргстекло – значительно мягче в сравнении с техническим стеклом и довольно чувствительно к механическим повреждениям (удары, царапины);

– данный вид оптического стекла гораздо проще поддается обработке, даже обычным металлорежущим инструментом;

– его удобно применять при резке лазером, что, несомненно, играет ключевую роль в гравировке;

– Эффективно отражает инфракрасные лучи, но ультрафиолет проходит сквозь него. Рентгеновское излучение также проходит сквозь оргстекло;

– материал плохо противостоит спирту, ацетону;

– отличная прозрачность, с которой может сравниться только кварц;

– безопасный материал в силу своей безосколочности;

– высокая стойкость к воздействию воды;

– легко обрабатывается при нагревании.

В отличие от минерального стекла полимерное оргстекло обладает повышенной устойчивостью к агрессивным условиям, но при этом обладает довольно хорошими оптическими характеристиками.

Поэтому, оргстекло нашло широкую область применения во многих сферах деятельности:

✓ научно-исследовательские работы;

✓ медицина;

✓ изготовление оптических агрегатов;

✓ строительство.

Минерало-органическое стекло.Оптические свойства стекла позволили применять материал в сегменте офтальмологии. Яркий пример – контактные линзы. Мягкие линзы производятся из материалов, которые обладают бифазной структурой.

Процесс изготовления линз из оптического стекла довольно сложный, требует определенных знаний и навыков.

Процесс изготовления линз можно описать в нескольких пунктах:

– подготовка сырья;

– расплавления материала, получение исходной смеси;

– процесс варения стекла;

– заливка расплавленного материала в формы (заготовки);

– остывание материала (данный этап наиболее продолжительный, в некоторых случая может потребоваться несколько месяцев);

– механическая обработка остывшего стекла;

– нанесение специального покрытия.

Чтобы продукт получился качественным, к нему ставится ряд требований. Смесь должна быть гомогенной, без добавок (газов), что обеспечивает линзам полную чистоту.

Однородность – один из главных показателей для оптического стекла. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.