阅读说明：本技术 具有光吸收层的光学玻璃及其制备方法 (Optical glass with light absorption layer and preparation method thereof ) 是由 那天一 贾金升 郑京明 吕学良 李开宇 李自金 石钰 洪升 李惠全 孙勇 曹振博 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明是关于一种具有光吸收层的光学玻璃及其制备方法,该制备方法包括：在还原气氛下,对待处理的光学玻璃进行第一处理,所述第一处理的压力为0.5MPa～100MPa；在还原气体和氮气的混合气氛下,对所述第一处理后的光学玻璃进行第二处理,所述第二处理的温度T满足：Tg<T<Tf；对所述第二处理后的光学玻璃进行后处理,得到具有光吸收层的光学玻璃。该光学玻璃包括学玻璃基体和光吸收层,所述光吸收层与所述光学玻璃基体之间的界面反射率小于1％；其中,所述光吸收层为自基底光吸收层,所述光吸收层的光吸收率大于99％。该制备方法解决了难以在结构致密的光学玻璃中制备光吸收层的问题,且不存在受热或者收外界作用力后发生脱落的问题。(The invention relates to an optical glass with a light absorption layer and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: carrying out first treatment on optical glass to be treated in a reducing atmosphere, wherein the pressure of the first treatment is 0.5-100 MPa; and carrying out second treatment on the optical glass after the first treatment under a mixed atmosphere of reducing gas and nitrogen, wherein the temperature T of the second treatment satisfies the following conditions: tg < T < Tf; and carrying out post-treatment on the optical glass after the second treatment to obtain the optical glass with the light absorption layer. The optical glass comprises an optical glass substrate and a light absorption layer, wherein the interface reflectivity between the light absorption layer and the optical glass substrate is less than 1%; the light absorption layer is a self-substrate light absorption layer, and the light absorption rate of the light absorption layer is more than 99%. The preparation method solves the problem that the light absorption layer is difficult to prepare in the optical glass with a compact structure, and has no problem of falling off after being heated or receiving external acting force.)

具有光吸收层的光学玻璃及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学玻璃加工技术领域，具体为一种具有光吸收层的光学玻璃及其制备方法。

背景技术

由光学玻璃构成的部件是光学仪器中的关键性元件，可用于接收目标光信号。但光学玻璃自身会因玻璃材料的边界反射等原因而不可避免地产生一定量的干扰性杂散光，这些干扰性杂射光的存在无疑会影响光学仪器的成像精度，对于高精度的光学仪器，就需要尽量避免这些光干扰的影响。因此，需要采取一些必要的措施来减少或消除光干扰的不良影响，从而提高光学仪器的精度。

在光学仪器生产领域，目前消杂光技术比较完善的方法是光吸收层涂敷法，即在光学镜片边缘涂覆光吸收层，对散射到器件边缘的杂光进行吸收。这项技术简单易行，成本适宜，是目前应用得最多的方法。然而，此方法在具有上述优点的同时也存在着一定的弊端，例如：①光学玻璃器件的涂覆层和器件本身之间不可避免地存在着一个界面，此界面必然会产生相应的界面反射，同样会影响光学仪器系统的成像清晰度，进而对观测精度有一定的影响；②涂覆层一般与所涂敷的光学镜片二者的膨胀系数差异较大，当镜片在在一定的高低温环境中连续工作，或者承受高量级的力学振动后，可能会导致涂覆层大概率从镜片边缘发生脱落，进而影响光学系统正常工作，严重者甚至导致系统报废。基于上述问题，探索一种工艺简单、稳定性高的新型消杂光技术的研究受到了国内外研究人员的广泛关注。

针对去除杂散光问题，近年来，也提出了一种对光学镜片进行高温还原处理的工艺，解决了一部分光学玻璃的光串扰问题，但是光学玻璃大多结构致密，即使在高温条件下进行还原处理，还原气体也难以扩散进入玻璃；就算进入一小部分，也难以生成一定厚度的吸收层，如此则无法实现吸收足量杂散光的效果。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种具有光吸收层的光学玻璃的制备方法及其制备方法，所要解决的技术问题是现有高温还原工艺无法满足在结构致密的光学玻璃中制备光吸收层。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其包括：

在还原气氛下，对待处理的光学玻璃进行第一处理，所述第一处理的压力为0.5MPa～100MPa；

在还原气体和氮气的混合气氛下，对所述第一处理后的光学玻璃进行第二处理，所述第二处理的温度T满足：Tg<T<Tf；

对所述第二处理后的光学玻璃进行后处理，得到具有光吸收层的光学玻璃。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中所述还原气氛包括H₂、CO和CH₄中的至少一种。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中所述第一处理的时间为1-2h。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中所述第一处理的温度为20-30℃。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中在所述还原气体和氮气的混合气氛中，所述还原气体和氮气的体积比为1:1，所述还原气体包括H₂、CO和CH₄中的至少一种。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中所述第二处理的压力为0.1-1MPa。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中所述第二处理的时间为1-2h。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其中所述后处理包括：

在氮气气氛下，将所述第二处理后的光学玻璃冷却至室温；

根据需要对处理后的光学玻璃进行切割、磨削、抛光，得到具有光吸收层的光学玻璃。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种具有光吸收层的光学玻璃，其包括：光学玻璃基体和光吸收层，所述光吸收层位于所述光学玻璃基体的周边部，所述光吸收层与所述光学玻璃基体之间的界面反射率小于1％；其中，所述光吸收层为自基底光吸收层，所述光吸收层的光吸收率大于99％。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的具有光吸收层的光学玻璃，其中所述光吸收层的厚度为0.2～0.7mm。

借由上述技术方案，本发明提出的具有光吸收层的光学玻璃及其制备方法至少具有下列优点：

1、本发明提出的具有光吸收层的光学玻璃的制备方法主要分为两步：先在高压还原气氛下进行高压处理，让还原气体在光学玻璃表层更加充分地充分扩散和渗透；然后在还原气体和氮气的混合气氛下，进行高温还原，渗透有还原气体的光学玻璃表层在高温下就容易发生还原反应，得到具有光吸收层的光学玻璃。该制备方法将高压和高温处理分开进行，一是减少了对设备的要求，不需要同时满足高温和高压要求，解决了因受炉体本身材料限制，很难同时达到高温高压；二是解决了难以在结构致密的光学玻璃中制备光吸收层的问题。

2、通过本发明的方法制备的光学玻璃具有自基底光吸收层，经检测，该光吸收层的吸光效率大于99％，减少光学玻璃自身引起的光串扰。由于这个光吸收层是由光学玻璃自基底进行还原反应生成的，吸收层与基体玻璃本为一体，该光吸收层与所述光学玻璃基体之间的界面反射率小于1％，防止生成界面反射，且不存在受热或者收外界作用力后发生脱落的问题，从而更加适于实用。

3、本发明的方法可适用于市面上大多数牌号的光学玻璃，尤其对于高致密度的光学玻璃，解决高致密度的光学玻璃表层难以被还原的技术难题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1示出了本发明实施方式提出的一种具有光吸收层的光学玻璃的示意图；

图2示出了本发明实施方式提出的一种高压炉的外观结构示意图；

图3示出了本发明实施方式提出的一种高压炉的剖面结构示意图；

图4示出了本发明实施方式提出的一种高温还原炉的外观结构示意图；

图5示出了本发明实施方式提出的一种高温还原炉的剖面结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有光吸收层的光学玻璃及其制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，其具体包括以下步骤：

步骤S1、将待处理的光学玻璃放入高压炉内，向高压炉内通入足量的高压还原气体，使高压炉内的压力保持在0.5MPa～100MPa之间，在25℃左右的常温下进行高压处理，优选在20-30℃持续1-2h，使还原气体在高压的作用下在光学玻璃表层充分扩散或渗透。

对于相同的光学玻璃，在一定温度下，压力越大，高压处理的时间越长，还原气体扩散或渗透到光学玻璃表层的深度越深，浓度也越大，可以根据所需的光吸收层的厚度来确定压力和高压处理的时间。对于不同种类的光学玻璃，可以根据光学玻璃的致密度来选择压力，致密度越高，选择的压力越大，例如青板玻璃Soda-lime(0.5-10MPa)，D236T、B270(0-50MPa)，Borofloot、Eagles200(50-100MPa)等等。

在步骤S1中，待处理的光学玻璃中含有金属离子，在光学玻璃中，金属离子大多以氧化物的形式存在，且金属离子的氧化物是无色，且不具有吸光性能；同时，该金属离子氧化物容易被还原，形成金属单质，形成的金属单质能够稳定存在，并具有良好的吸光性能。本实施方式中的金属离子包括但不限于银离子、铜离子，在还原气氛下，该金属离子被还原成金属单质，含有金属单质的光学玻璃可吸收杂散光，同时还可屏蔽外界杂光，防止杂散光影响光学玻璃的性能。还原气体选自具有还原性的气体，本发明不限制还原气体的种类，只要能够实现还原光学玻璃中相关组分即可，该还原气体包括但不限于H₂、CO和CH₄中的至少一种。

在一些实施方式中，高压炉的结构如图2和3所示，分别为高压炉的外观结构示意图和剖面结构示意图，高压炉包括高压炉体21，为高压腔体，用于对待处理的光学玻璃1进行高压处理，高压炉体21设在底座22上，高压炉体21上设有进气口24，用于通入所需的高压还原气体，高压炉体21上设有加固箍23，使高压炉体更加安全耐用。为了排出空气中氧气等气体的干扰，在通入高压还原气体之前，先对高压炉体进行抽真空。

步骤S2、将步骤S1处理后的光学玻璃送入高温还原炉中，通入一定压力的还原气体与氮气的混合气体作为升温保护气，将温度升至该种光学玻璃的Tg到Tf之间，进行高温还原处理，时间为1-2h。

在步骤S2中，不需要刻意控制处理的压力，在常压下即可，使其压力为0.1-1MPa，如在1标准大气压(101.325kPa)下。在所述还原气体和氮气的混合气氛中，所述还原气体和氮气的体积比为1-3：1，还原气体包括H₂、CO和CH₄中的至少一种，优选所述还原气体和氮气的体积比为1-3：1，更优选所述还原气体和氮气的体积比为1：1，此比例可以将容器交换时可能混入的氧气量降到最低，同时保证安全，

Tg为光学玻璃的玻璃化转变温度；Tf为光学玻璃的熔融温度，Tg～Tf之间为高弹态，在此状态下，有利于还原气体还原光学玻璃中的易还原物质。在一些实施方式中，高温还原炉的结构如图4和5所示，分别为高温还原炉的外观结构示意图和剖面结构示意图，高温还原炉包括高温还原炉题31，高温还原炉31由内到外依次设有加热层34和保温层31，光学玻璃1放置在高温还原炉31的炉腔内，高温还原炉31顶部还设有密封盖33。

光学玻璃在从步骤S1中的高压炉转到步骤S2的高温还原炉的过程中，需要注意尽量避免接触空气而引起氧化或氢气的过多逸出，因此在转移光学玻璃的过程中不但需要保护还要快速，尽可能的使其处在惰性气体或氮气的保护氛围内，可以全程向光学玻璃吹惰性气体或氮气，在惰性气体或氮气的保护下进行光学玻璃的转移。

步骤S3、在氮气气氛下，将所述第二处理后的光学玻璃冷却至室温，得到具有所需厚度光吸收层的光学玻璃。还可根据需要对处理后的光学玻璃进行切割、磨削、抛光，得到具有光吸收层的光学玻璃元件。

为了达到使用光学玻璃的目的，还需要对得到的光学玻璃的光吸收层的进行进一步的加工，光学玻璃还原过程四周全部被还原，需要后期加工，将通光区的光吸收层去除掉，以形成所需的光吸收层位于光学玻璃基体的周边部，而中间部分用于接受目标光信号，可有两种处理方法，一种方法是，在处理光学玻璃前，在光学玻璃的光学区涂覆包覆膜或保护胶，使其不能在高温高压下被氧化；另一种办法是将光学玻璃的表层全部进行还原处理，待光学玻璃表层形成光吸收层后，对光学玻璃的光学区的光吸收层进行打磨，磨掉表层的光吸收层，可采用磨削、抛光等方法。

本实施方式将光吸收层的制备分为两步：首先，将待加工的光学玻璃放入耐高压腔体中，在常温下向腔体中通入高压的还原性气体，让高压使还原气体在光学玻璃表层充分扩散与渗透；然后将完成还原气体渗透的光学玻璃转入高温还原炉中，进行高温还原生成光吸收层，以此提高光学玻璃自基底光吸收层的厚度、品质与功能。通过上述的拆分还原气体加压和高温还原的步骤，令还原气体能够达到高温下难以达到的压强(受炉体本身材料限制)，进而使还原气体在光学玻璃表面的扩散和渗透更加充分，实现光学玻璃自基底光吸收层的制备，从而起到更好的还原效果，制造更符合标准的杂散光吸收层。经过实验证明，此制备方法的理论基础合理，操作工艺可行。本发明的方法解决了传统高温还原工艺无法满足在结构致密的光学玻璃中制备光吸收层的问题。

根据玻璃工艺学基本原理，玻璃为不定形材料，具有网状结构，其特点为近程有序、远程无序，因此在无定形玻璃中原子间存在较多悬空键，特别是非桥氧位置。因此，还原气体的小分子或原子能够逐渐扩散进入到玻璃内部，与离子发生氧化还原反应。因此，玻璃的金属离子被还原的金属单质的质量浓度从表层到内部依次降低，表面的金属单质浓度最大。

根据扩散反应动力学，还原气体进入玻璃的深度取决于还原处理条件，压力、温度和时间对还原气体进入玻璃的深度有影响，压力越大，还原气体进入玻璃的深度就越大，含有被还原金属的玻璃的厚度就越厚；温度越高，还原气体进入玻璃的深度就越大，含有被还原金属的玻璃的厚度就越厚；同样的，时间越长，还原气体进入玻璃的深度就越大，含有被还原金属的玻璃的厚度就越厚，因此，可以控制压力、温度和时间来控制含有被还原金属的玻璃的厚度。

根据氧化还原反应热力学原理，还原的温度不能太低，低于玻璃的Tg，还原反应的活化能不够，造成氧化还原反应无法发生或者发生速率极低，金属离子不能被还原成金属单质；还原的温度也不能太高，高于玻璃的Tf，一方面，较高的温度极易造成玻璃表面变形、皲裂等表面缺陷，另一方面，较高的温度也会造成生成的金属单质挥发、团聚等，影响光吸收效果。

在还原处理的过程中，控制还原处理的条件，以还原足够多的金属离子，使的外表面的金属离子被还原，被还原后的金属或合金具有光吸收的作用，同时，要控制还原处理不能还原过多的金属离子，造成含有被还原金属的玻璃的厚度太厚，影响整体结构的光学性能。因此，这需要根据实际需要来选择还原处理的条件。

采用上述方法得到的光吸收层具有吸收光的性能，在还原过程中可能发生的反应主要是光学玻璃中含有易被还原的组分，如氧化银，经还原处理后，金属离子被还原为金属单质，金属单质具有吸收光的性能。由于光学玻璃大多具有较高的致密度，该还原反应自光学玻璃的表层向内逐渐减弱，光学玻璃的表层最强，只要最外层的光吸收层能够达到光吸收率大于99％即可满足光吸收的条件。

从原理上来看，此工艺适用于市面上大多数牌号的光学玻璃，而且其他种类的非光学专用玻璃也可使用本工艺，来制造更加耐用或者符合各种其他标准的功能层，实现玻璃的多功能化。

如图1所示，本发明的另一实施例提出一种具有光吸收层的光学玻璃，其包括：光学玻璃基体1和光吸收层2，所述光吸收层2为自基底光吸收层。

本文中所说的自基底光吸收层是指光吸收层是由光学玻璃自基底进行还原反应生成的，光吸收层与光学玻璃基体为一体结构。通过对光学玻璃进行还原处理，在光学玻璃的非通光区的表面生成一层厚度约为0.1～0.8mm的光吸收层，优选0.2-0.7mm，这个厚度的光吸收层既能满足光吸收的效果，容易通过光学玻璃自基底还原反应得到，而且不会占用太多的光学区域。光吸收层与光学玻璃基体为一体结构，不存在因受热或者受外界作用力而发生脱落的问题。同时光吸收层与光学玻璃基体之间的界面反射率可保持在1％以下。光吸收层的光吸收率大于99％。在一些实施方式中，具有光吸收层的光学玻璃根据上述具有光吸收层的光学玻璃的制备方法制备得到。

需要说明的是，本发明制备方法本发明制得的光学玻璃中，在光学玻璃的非通光区的表面生成光吸收层，光吸收层中的金属离子被还原为金属单质，金属单质具有很好的吸光效果，以吸收形成的杂散光；同时，要控制条件，使通光区的金属离子不被还原，以防止通光区中含金属单质，造成光的损失；因此，本发明在保证通光区的通光性能的前提下，达到吸收杂散光的目的。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

一种具有光吸收层的光学玻璃的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将待处理的光学玻璃(标准浮法光学玻璃，含有银离子)置入图2和3所示的高压炉内，加盖并密封，抽真空，然后从进气口通入高纯度氢气，加压直至腔内压强达到10MPa，并保持1h的时间；

步骤2、加压完成后，将光学玻璃取出，接着置入图4和5所示高温还原炉中，升温至360℃并保持2h，使其充分进行还原反应；

步骤3、反应完毕后，向高温还原炉内充入氮气，防止光学玻璃发生其它反应，自然冷却至室温后，开炉取出光学玻璃，即可得到具有光吸收层的光学玻璃。经检测，该光学玻璃的吸光效率约为99.8％。

实施例2

步骤1、将待处理的光学玻璃(普通浮法光学玻璃，含有铜离子)置入图2和3所示的高压炉内，加盖并密封，抽真空，然后从进气口通入高纯度氢气，加压直至腔内压强达到5MPa，并保持1.5h的时间；

步骤2、加压完成后，将光学玻璃取出，接着置入图4和5所示高温还原炉中，升温至400℃并保持1h，使其充分进行还原反应；

步骤3、反应完毕后，向高温还原炉内充入氮气，防止光学玻璃发生其它反应，自然冷却至室温后，开炉取出光学玻璃，即可得到具有光吸收层的光学玻璃。经检测，该光学玻璃的吸光效率约为99.6％。

实施例3

步骤1、将预加工的、含有铁金属元素离子的光电玻璃元件置入图2和图3所示的高压炉内，加盖并密封，抽真空，然后从进气口通入高纯度氢气，加压直至腔内压强达到5MPa，并保持1.5h的时间。

步骤2、加压完成后，将光学玻璃元件取出，置入图4和图4所示高温还原炉中，升温至400℃并保持1h，使还原反应充分进行。

(3)反应完毕后，向高温还原炉内充入氮气，防止光学玻璃元件发生其他反应。自然冷却至室温后，开炉取出元件，即可得到具有杂光吸收层的光电玻璃元件。经检测，该光学玻璃元件的吸光效率约为99.9％。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。