硅酸盐玻璃 Silicate glasses

2023-01-30 11:20:34 浏览:201

定义

基于二氧化硅(二氧化硅)和一些添加物的玻璃。

硅酸盐玻璃是历史上人类制造的最古老的玻璃类型,并且仍然是最常见的玻璃。 它们主要由二氧化硅(SiO2 )组成,但与纯石英玻璃(熔融石英)相比,它们含有一些额外的物质,如苏打、氧化铝、五氧化二磷、锗和碳酸钾。 根据成分的不同,人们会得到硅铝酸盐、锗硅酸盐、铝锑硅酸盐、硼硅酸盐、磷硅酸盐玻璃等名称。 它们通常在整个可见光谱范围内表现出良好的透明度,并且略高于近紫外和近红外。 可见光的折射率通常在1.5左右。

硅酸盐玻璃是更广泛的氧化物玻璃的一部分。 其他物质,如氧化铝(Al2O3)和日耳曼尼亚(GeO2)也是氧化物,而其他是碳酸盐,例如。 重要的非氧化物玻璃是硫族化物玻璃,例如硫化物,硒化物和亚碲酸盐玻璃,例如用于红外光学,以及氟化物玻璃。

尽管几乎所有的硅酸盐玻璃都是以廉价的方式制造的,质量适中,适用于不太敏感的应用,例如建筑物的窗户(平板玻璃)和玻璃瓶(容器玻璃),但也有用于光学的高质量硅酸盐玻璃:

  • 它们用作光学玻璃(特别是用于冠状玻璃),例如透镜、棱镜、镜面基板、滤光片和各种其他类型的光学元件。
  • 一些变体用于制造光纤;请参阅有关二氧化硅纤维的文章。
  • 石英玻璃还可以掺杂各种类型的稀土离子,主要用于实现激光放大。

在每种情况下,都可以针对特定应用优化化学成分;可以通过添加或避免某些物质来改变广泛的相关特性。

硅酸盐玻璃的种类

苏打石灰玻璃杯

特别常见的是苏打-石灰玻璃,也称为苏打-石灰-二氧化硅玻璃,其中苏打(碳酸钠,Na2一氧化碳3)的加入,基本上是为了获得较低的玻璃化转变温度,并且还添加了石灰(氧化钙,CaO,通常从石灰石中获得)以提高耐久性(例如耐水性)。 其他常见的添加材料是氧化镁(MgO)和氧化铝(Al2O3),这也提高了耐用性。

钠钙玻璃的使用非常广泛,例如作为窗户玻璃,用于瓶子和灯泡。 它们价格低廉且易于回收,尽管熔化需要大量的能量。

钠钙玻璃也可以用作光学玻璃,如果它们经过优化以获得良好的光学均匀性。 不幸的是,它们的热膨胀系数相对较大。 其他种类的硅酸盐玻璃在各个方面都更适合光学应用。

硼硅酸盐玻璃

我添加的三氧化二硼(B2O3)到二氧化硅,获得硼硅酸盐玻璃。 通常,人们使用其他物质,如苏打水和氧化铝。 例如,常见的BK7玻璃就是这种类型的皇冠玻璃。

硼硅酸盐玻璃的一个重要优点是其相对较低的热膨胀系数 - 比钠钙玻璃小得多,尽管仍然比纯石英玻璃(熔融石英)大得多。 与熔融石英相比,硼硅酸盐具有低得多的玻璃化转变温度,因此更容易加工。

掺铽硼硅酸盐玻璃用于法拉第隔离器,因为它们表现出相对较大的Verdet常数。

锗硅酸盐玻璃

锗酸盐玻璃是通过添加氧化锗(GeO2 )获得的,有时是二氧化硅的其他成分(例如氧化铝)。 它们的红外透射率延伸到大约 3 μm。

与纯二氧化硅相比,添加锗会导致折射率增加 - 当然,大小取决于锗的量。 这种效应用于制造光纤:光纤芯(在纯二氧化硅包层内)获得合适的日耳曼掺杂曲线,例如,在某些波长范围内获得单模引导,或用于获得渐变折射率光纤,例如具有近似抛物线轮廓以实现低模间色散。 后者可用于使用多模光纤进行中等距离的光纤通信。

已经开发出精炼的工艺,通过这些工艺可以制造出具有极高化学纯度的光纤芯锗硅酸盐玻璃。 这导致非常低的传播损失;在与光纤通信相关的1.5μm光谱区域中,它可以低于0.2 dB / km。 在红外线中,传播损耗更高,但仍然足够低,可以传输相当高的光功率。

锗硅酸盐玻璃也可以掺杂激光活性稀土离子。 这种稀土掺杂光纤用于光纤激光器和放大器。 氧化铝等其他物质可以帮助更好地结合稀土离子,即避免聚集。

请注意,也有锗酸盐玻璃,主要由GeO2 组成。它们具有更高的折射率,透射范围进一步延伸到红外线,以及较低的玻璃化转变温度。

磷硅酸盐玻璃

磷酸硅酸盐玻璃是通过添加五氧化二磷(P2O5)为硅酸盐。 在光学中,它主要用于稀土掺杂光纤和拉曼光纤。 一个可能的优势是磷硅酸盐玻璃可以实现≈40 THz的非常大的拉曼频移 - 大约是二氧化硅纤维的3倍。 另一方面,也可以实现≈3 THz的非常小的拉曼频移。

硅酸盐滤光玻璃

硅酸盐玻璃有时会掺杂吸收物质以获得光学滤光玻璃。 例如,掺杂铈(Ce)和钐(Sm)的玻璃在灯泵浦激光器中很常见,用于保护激光棒免受紫外线的伤害,紫外线会逐渐降解它们。

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