通过离子调控具有高折射率和中低色散的光学玻璃的研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Research of optical glass with high refractive index and medium-low dispersion regulated by ions

本研究通过熔融淬火法制备了掺杂La3?、Y3?、Ta??、Nb??的硼硅酸盐光学玻璃，有效解决了高折射率与低色散的矛盾。最优样品RN11折射率1.8122，阿贝数57.60，可见光透射率>86.37%，热膨胀系数88.3×10??/°C，玻璃转变温度664.7°C，软化点755.7°C。高场强离子通过调控玻璃网络结构及极化率，实现折射率与色散的协同优化。该材料在精密光学成像、光电检测及集成光子学等领域具有应用前景。

　　

杨胜云|张阳|李子金|韩宇|张梅伦|王凯|徐嘉轩|闫梦涵|谢国兴|吕学良|周游|贾金生

中国国家建筑材料光子技术有限公司，枣庄 277100，中国

摘要

先进光学器件的性能不断接近物理极限，而传统光学玻璃通常需要在高折射率和低色散之间进行权衡。采用熔融淬火法制备了硼硅酸盐基玻璃。通过共掺入高场强离子（La³⁺、Y³⁺、Ta⁵⁺、Nb⁵⁺）来调节玻璃网络结构和光学性能，所得材料实现了高折射率和中等低色散的理想组合。最佳样品RN11的折射率（n_d）达到1.8122，阿贝数（ν_d）为57.60，可见光透射率大于86.373%，热膨胀系数为88.3 × 10^–7 / °C，玻璃转变温度为664.7 °C，软化点温度为755.7 °C。其主要机制是这些高场强离子作为网络修饰剂或中介物，有效增强了玻璃网络的聚合度和极化率，从而协同实现了折射率的显著提高和色散的有效控制。通过离子调控，本研究实现了玻璃材料的功能化，满足了先进光学系统的苛刻要求。该研究为设计下一代高性能、多功能光学玻璃提供了重要的理论和实验基础，在精密光学成像、光电成像检测和集成光子学领域具有广阔的应用前景。

引言

紧凑型高性能光学系统（如手机镜头、内窥镜、AR/VR设备和特种光纤）的进步不断推动着传统光学材料的极限[[1], [2], [3], [4]]。这些应用对核心玻璃性能提出了严格要求，特别是需要高折射率（n_d ≥ 1.81）和中等低色散（v_d: 50–60）[5,6]。这种组合对于系统小型化、像差减少和图像质量提升至关重要[[7], [8], [9]]。然而，在传统玻璃系统中存在一个众所周知的权衡：高折射率玻璃通常具有高色散（v_d < 40），而低色散玻璃则往往折射率较低（n_d < 1.65）[[10], [11], [12], [13]]。

现有的提高折射率的方法，如引入PbO或GeO₂，通常会导致阿贝数较低（21–23），同时伴有毒性和高成本的问题[14,15]。另一种方法是将Nb₂O₅和Ga₂O₃等改性氧化物掺入La₂O₃-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂基玻璃中，可以获得n_D = 1.81且v_D在40–46范围内的玻璃，但制备过程容易发生结晶[16]。其他方法，包括引入La₂O₃-Nb₂O₅-TiO₂体系，可以实现非常高的折射率（> 2.2），但代价是可见光透射率严重降低（< 70%）和热稳定性差（热膨胀系数超过120 × 10^–7 / °C），这限制了实际的光学均匀性和加工性[[17], [18], [19]]。因此，开发兼具高折射率和中等低色散的新型玻璃材料已成为光学材料领域亟需突破的关键挑战。

在本研究中，通过引入高极化离子（La³⁺、Y³⁺、Ta⁵⁺、Nb⁵⁺）精确调节了玻璃网络结构。这种方法显著提高了玻璃的折射率，同时有效抑制了色散效应，实现了光学性能的协同优化：n_d ≥ 1.81，v_d: 50–60，可见光透射率 > 86%，同时具有优异的热性能和加工性。因此，成功开发出了一类新的硼硅酸盐基光学玻璃，满足了尖端光学应用的迫切需求。

试剂和材料

在本研究中，使用的试剂包括SiO₂（≥ 99.5%，江苏东海石湖石英有限公司）、B₂O₃（≥ 99.9%，上海世邦贸易有限公司）、BaO（≥ 99.5%，青岛红蝴蝶精密材料有限公司）、SrO（≥ 99.5%，廊坊乾尧科技有限公司）、CaO（≥ 99%，现代东方（北京）科技有限公司）、La₂O₃（≥ 99.9%，山东梦希新材料有限公司）、Y₂O₃（≥ 99.9%，山东梦希新材料有限公司）、Ta₂O₅（≥ 99.9%，九江中奥钽铌有限公司）等。

Y₂O₃对玻璃性能的影响

图1(a)显示了不同Y₂O₃含量下玻璃样品的CTE（热膨胀系数）、T_g（玻璃化转变温度）、T_f（熔融温度）和T_s（软化温度）的变化。观察到，随着Y₂O₃含量的增加，玻璃样品的CTE从97.9 × 10^–7 / °C降低到94.6 × 10^–7 / °C，而T_g、T_f和T_s分别从631.0 °C、677.4 °C和721.0 °C升高到648.0 °C、689.4 °C和735.8 °C。这些变化主要归因于阳离子场强。

结论

本研究通过热膨胀系数测量、折射率测量、透射光谱和红外光谱等分析技术，研究了La₂O₃、Y₂O₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅含量变化对高折射率玻璃材料性能的影响。研究得出以下结论：从RN01到RN10样品，随着Y₂O₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅含量的增加，玻璃样品的CTE降低，而T_g、T_f

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

杨胜云：数据整理、初稿撰写。张阳：概念构思、审稿与编辑。李子金：正式分析、方法论。韩宇：实验研究、项目管理。张梅伦：方法论。王凯：软件开发、验证。徐嘉轩：软件支持。闫梦涵：资源协调。谢国兴：数据可视化。吕学良：研究指导。周游：资金筹措。贾金生：资金筹措、审稿与编辑。

利益冲突声明

本人没有需要声明的利益冲突。

致谢

本研究得到了国家建筑材料行业重大科技项目（202201JBGS11-01）、山东省人才项目（TSCX202507059、TSCX202408053、TSJN20231213）以及枣庄人才集聚项目的资助。