[发明专利]用于透射可见至中波红外辐射的光学器件的掺有二氧化硅和氟化物的重金属氧化物玻璃及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透射可见光谱至中波红外(IR)光谱、例如在0.5-5μm的波长范围内的光线的玻璃材料，其在0.7-1.0μm的近红外范围和3-5μm的中波红外范围(MWIR)内具有高的透射率。这样的材料用于红外窗口、圆顶和透镜应用，以及用于光纤应用。

发明内容

例如，本发明的玻璃可以被用作纤维光锥技术中的芯玻璃。这样的应用包括芯玻璃和包层玻璃的用途。芯玻璃是红外透过性的，例如对中波红外光是透过性的。然而，包层玻璃在中红外光谱是不透光的，其需要大的芯直径。

芯玻璃和包层玻璃的热性能和物理性能应尽可能地相似，同时保持尽可能大的两者的折射率差。大的折射率差对于实现所需的接近1.0的数值孔径(NA)是必要的。为了实现大的NA，芯玻璃的折射率通常应高于2.0。然而，取决于对包层玻璃的选择，更低芯玻璃的折射率、例如1.8也是可以的，但玻璃仍可实现所需的NA。

包层玻璃优选具有如下性能：

1)CTE(10^-7/K)-50，nd-1.48，SP(℃)-729；

2)CTE(10^-7/K)-92，nd-1.56，SP(℃)-630；或

3)CTE(10^-7/K)-91，nd-1.57，SP(℃)-574。

本文公开的玻璃适合在可被制成纤维面板、导管、柔性传像束等的红外透射熔融纤维束中使用。此外，这些玻璃可以用作标准光学器件的材料，以及作为红外检测器或摄像头窗口。

本发明的目的是提供一种“低成本”的重金属氧化物玻璃，其可以透射可见光谱到红外光谱内的光，特别是在中波红外光谱中具有高的红外(IR)透射率，优选在甚至大于5.0μm的波长处表现出良好的透射率。所取得的波长透过性优选在0.5-5μm nm的范围内，在该区域具有相对平的透射率。

通常，在中波红外光谱具有高的红外(IR)透射率的重金属氧化物玻璃由于残余羟基的吸收表现出在约3.0μm处的降低的透射率。本发明的另一个目的是提供一种在约3.0μm处的降低的透过率被减小的玻璃。对在这一区域的损失起作用的因素为在制备时混入玻璃中的羟基基团。本发明人证明，这些可以几乎被完全去除。

至于光纤，另一个目的是提供一种这样的重金属氧化物玻璃：其是热稳定的，具有低于900℃的拉伸温度，并具有高于包层玻璃的软化温度(SP)，以使得满足“硬芯、软包层”的规则。包层玻璃需要折叠围绕核心以便具有适当的粘附。

重金属氧化物玻璃常常用于需要高红外透射率的应用。但是这样的玻璃具有高的密度，如果轻质光学材料是所需的，这通常不具有吸引力的。因此，另一个目的是提供一种比文献中常见的玻璃具有更低的密度的用于红外透射率的重金属氧化物玻璃。

通过根据本发明的玻璃来实现这些目的。根据本发明，提供了一种包含二氧化硅和氟化物的重金属氧化物玻璃组合物。本发明的玻璃实现了密度的降低，而同时保持了红外透射应用所需的范围内的透射水平和折射率值。

另外，在重金属氧化物玻璃组合物中Si和氟化物的存在将玻璃转化温度T_g和软化温度有利地提高了150℃以上。更高的T_g是有吸引力的，因为它意味着玻璃可以进行涂层处理以及在标准条件下处理。更高的软化温度是有利的，因为它提供了对于拉伸处理所必要的硬度。对于熔融纤维束，玻璃需要被拉伸和再拉伸多次，这要求组合物具有低的结晶倾向，因此在标准加工条件下的稳定性是极其重要的。

除了光学和热的改进之外的另外的优点包括：使用廉价的原材料、易于加工、在大批量制造条件下的稳定性。通过调整被发现是稳定地混合入所述玻璃中的这些组合物中的氟化物组分，可以进一步改进透射窗口。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于Pb、Bi、Si、Ga、和F的重金属氧化物玻璃组合物，其包括(基于摩尔％)：

至少1摩尔％的氟化物、优选PbF₂是必需的，以有效地去除成品玻璃产品中的OH含量。更优选使用大于2％的氟化物。