光学玻璃的发展及其应用王耀祥摘要:随着光子学技术的发展,利用玻璃和光的相互作用改变光的极化态、频率、相干性和单色性,以及产生光子和探测光子的新型光功能玻璃成为光学玻璃发展的主要方向。本文针对光学玻璃及其在光学和信息技术等相关应用领域的重要性和发展作了介绍,重点阐述了非线性光学玻璃、梯度折射率光学玻璃、激光玻璃以及其他光功能玻璃的主要特性和发展状况,并对我国的光学玻璃工业发展作了回顾。关键词:光学玻璃;光功能玻璃;光子学引言玻璃技术经历了5000多年的发展历史。直到近代,为了适应军用光学仪器的发展,SCHOTT公司的创始人OttoSchott于1884年发展了现代光学玻璃熔炼技术,制造出世界上第一块高质量光学玻璃。由于军事上的需要,光学玻璃及其制造技术一直被各国视为关键技术,并严格保密。目前,随着光学、信息技术、能源、航空航天技术、生物技术以及生命科学等学科的迅速发展,光学玻璃由传统意义上的光学仪器用成像介质——透镜(主要是应用几何光学原理进行成像)逐渐向新的应用领域迅速发展。尤其是伴随着光子学技术的发展,光子继电子之后成为信息的主要载体。利用玻璃和光的相互作用改变光的极化态、频率、相干性和单色性,以及产生光子和探测光子的新型光功能玻璃成为光学玻璃发展的主要方向。1光学玻璃的发展1.1普通光学玻璃普通光学玻璃主要是指传统意义上用于各种光学仪器(如光学镜头)的无色光学玻璃和用于滤光片的有色光学玻璃。目前普通光学玻璃有200多种牌号,化学元素周期表中已有2ö3以上的元素被引入到光学玻璃中。对于无色光学玻璃,按其化学组成和光学常数特征,主要分为冕类和火石类。冕类玻璃的PbO含量一般小于3%时,折射率相对较低(nd<1.6),色散较小(Md>55)或者折射率相对较高(nd>1.6),色散较小(Md>50);当PbO含量大于3à时,折射率相对较高(nd>1.6),色散较大(Md<55)。而每一大类又可根据玻璃化学组成中的特征成分以及折射率nd和色散Md的范围,进一步划分为许多亚类,图1为无色光学玻璃nd2Md的示意图。有色光学玻璃是在玻璃组成中引入能够使玻璃着色的着色剂制得的。其所具有的选择吸收的性质取决于玻璃中着色剂的数量和性质。按光谱特性有色光学玻璃可分为3类:胶体着色玻璃(硒镉玻璃)、离子着色的选择性吸收玻璃和离子着色的中性暗色玻璃。图2为3种典型有色光学玻璃的光谱透过率曲线。Pppp2.2新型光功能玻璃2.2.1非线性光学玻璃由于玻璃的各向同性,玻璃具有反演对称中心,而具有反演对称中心的介质偶阶的非线性电极化率为零。因此,理论上玻璃中仅存在三阶非线性光学效应,而不产生二阶非线性光学效应[1]。但是,在1986年,Osterber等人发现含Ge的石英玻璃光纤却可以表现出二阶非线性光学效应。经过研究发现[2],通过电场ö温度场极化法、激光诱导法和电子束辐射法可使玻璃产生二阶非线性光学效应。目前,在玻璃光纤中,利用激光诱导法已经实现了准相位匹配的二阶非线性光纤光栅。一般情况下,高折射率和高平均色散的玻璃如高铅氧化物玻璃、碲酸盐玻璃和硫系玻璃具有高的三阶非线性光学系数V(3)。由于量子尺寸效应缘故,半导体纳米微粒CdS和CdSe掺杂玻璃也具有较高的V(3),这类玻璃可以用于四波混频、相位共轭及光开关。另外,采用溅射和离子注入等玻璃改性处理方法,在玻璃中引入Au,Ag和Cu等纳米金属粒子,也可以得到高V(3)值的非线性玻璃。以高V(3)值非线性光学玻璃作为基底,采用光刻和离子交换工艺产生低损耗非线性光波导,可制备小尺寸密集型超快全光速调制集成光路波导器件,为以超大规模数据传输与处理为基础的信息高速公路通讯网络信息的快速处理和容量的提高提供实用性元件。非线性光学材料和器件已成为光子学微结构和新型光子器件研究的前沿。表1列举了一些不同玻璃种类的三阶非线性光学特性。2.2.2梯度折射率光学玻璃由于梯度折射率光学玻璃材料具有特殊的光学特性,因此在微小光学、集成光学、空间光学和信息光子学器件研究领域具有不可替代的优势。梯度折射率材料(GRIN)按照折射率分布的方向分类,可分为径向、轴向和球面梯度3Ppppp对轴向梯度透镜而言,沿光轴Z方向的折射率呈梯度分布,而在垂直于光轴的平面内折射率恒定。除色差外,轴向梯度透镜的特征基本上与球面透镜相似。利用轴向梯度折射率材料制成的球面轴向梯度折射率透镜,对光学系统像差的纠正等效于普通光学材料制成的非球面透镜。在许多光学系统中,轴向梯度透镜可在保证成像质量的同时,减少系统光学元件的数量,这一点对空间光学有效载荷设计极为有用。轴向梯度折射率材料在高能激光领域以及各种数码可变焦成像系统中的应用也具有特殊的意义。由于离子交换法生产的折射率梯度在材料中分布较浅,因此轴向梯度折射率