离子交换法制备含银梯度折射率透镜的研究

离子交换法制备含银梯度折射率透镜的研究 离子交换法制备含银梯度折射率透镜的研究 离子交换法制备含银梯度折射率透镜的研究 由于梯度折射率材料在光电系统、成像系统、光纤耦合系统及集成光学系统中有着重要的作用，引起人们的极大兴趣。离子交换法是目前实现折射率梯度最成熟的方法，目前商品化的梯度折射率材料多采用铊-钾(钠)离子交换制得，而铊离子有极强的毒性，处理不当会严重污染环境，增加了制备梯度折射率材料的成本和难度。随着科技的发展，现有的梯度折射率材料制备技术受到了挑战。因此，研究无毒的梯度折射率材料制备工艺十分重要。 本文所采用的Ag~+,Na~+离子交换法是目前研究最多的一种工艺。由于直接熔炼含银量高的玻璃有很大的难度，多采用两步法(Ag~+,Na~+或Na~+,Ag~+离子交换)来制备含银梯度折射率材料。本文系统的从基础钠玻璃配方、钠玻璃熔炼工艺、离子交换熔盐种类、离子交换温度、离子交换时间等方面研究了含银梯度折射率透镜。采用 SiO_2-Al_2O_3-B_2O_3-Na_2O-RO(CaO，ZnO，MgO)-As_2O_5作为钠玻璃基质组分，设计出钠含量为15—20 mol,的钠基质玻璃;研究了钠铝硼硅酸盐玻璃的熔炼工艺，得到了光学性能良好、化学性能稳定、无色透明的玻璃;将制得的钠玻璃基质切块、磨棒、拉丝，所拉丝肉眼观测不到析晶现象。所拉丝直径为 1.8mm。直径为 1.8mm的钠玻璃棒在370?硝酸银熔盐中进行140小时的离子交换，制得数值孔径在0.5左右的含银梯度折射率负透镜，成像质量良好，且离子交换后玻璃轻微着色，交换后的玻璃透过率超过85,。延长离子交换时间，实现银离子的填充，获得含银量高的玻璃进行二次离子交换，可制得含银的自聚焦透镜，这种透镜在光通讯领域和成像领域有很大的应用潜力。 摘要3-4Abstract4-6第一章 前言6-17 1.1 梯度折射率材料概况6-7 1.2 梯度折射率(GRIN)材料的分类及其应用7-12 1. 2.1 轴向梯度8-9 1. 2.2 径向梯度9-10 1. 2.3 球面梯度10-11 1. 2.4 层状梯度11-12 1. 2.5 圆锥状梯度12 1.3 径向梯度折射率棒透镜(Radial-GRIN rod lens)的光学特性 12-16 1.4 径向梯度折射率棒透镜的应用16-17第二章 离子交换法制备 梯度折射率材料17-27 2.1 离子交换的理论基础17-22 2. 1.1 离子交换反应18-19 2. 1.2 离子扩散理论19-22 2.2 现行的几种离子交换22-25 2. 2.1 Tl~+-Na~+，K~+24 2. 2.2 Ag~+-Na~+离子交换24-25 2.3 Ag~+-Na~+离子交换的研究25-27第三章 钠玻璃基质及离子交 换用银盐的研究27-38 3.1 钠玻璃基质材料的组分设计27-34 3. 1.1 玻璃的抗析晶能力27-29 3. 1.2 玻璃的化学稳定性29-30 3. 1.3 玻璃的光学性能30-31 3. 1.4 玻璃的交换性能31-32 3. 1.5 离子交换后着色问题32-34 3.2 离子交换用银盐的研究34-36 3.3 小结36-38第四章 Na-Al-B-Si系统钠玻璃及含银梯度折射率 透镜的制备38-48 4.1 钠基质玻璃的制备38-39 4.2 含银梯度折射率透镜的制备39-46 4. 2.1 离子交换温度的确定41-42 4. 2.2 离子交换时间的确定42-45 4. 2.3 折射率分布控制45-46 4.3 小结46-48第五章 小结48-50 5.1 本论文的主要研究工作48-49 5.2 研究课题的进一步展望49-50 参考文献 50-55硕士期间所发表的论文55硕士期间所获得的奖励55-56致 谢56