玻璃纖維用玻璃光學(xué)性能測試技術(shù)綜述

隨著玻璃纖維在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，玻璃纖維的光學(xué)參數(shù)也越來越重要。在現(xiàn)有玻璃光學(xué)性能測試技術(shù)中，難以測定玻璃在玻璃纖維形態(tài)下的光學(xué)參數(shù)，一般情況下均是以同種配方玻璃的光學(xué)參數(shù)來表征玻璃纖維的光學(xué)性能。本文綜述玻璃纖維行業(yè)用玻璃的常用光學(xué)性能測試技術(shù)。在可見光波段（波長范圍為380～780nm），玻璃纖維用玻璃常用的光學(xué)參數(shù)包含折射率及色散性能、透光性能及玻璃顏色等。同時，本文以玻璃纖維行業(yè)典型玻璃配方為例，應(yīng)用上述測試技術(shù)，進行性能對比分析。當(dāng)光入射到玻璃表面時，部分反射（反射率R），部分透射（透射率T），部分吸收（吸光率A），滿足式（1）：透射光線產(chǎn)生折射，其特征用玻璃的折射率n表示。反射率取決于玻璃表面的光滑程度、光的入射角、玻璃的折射率和入射光的頻率。當(dāng)入射角為90°時，反射率可用折射率估算：1折射率及色散性能（1）折射率玻璃折射率是玻璃纖維產(chǎn)品的必要參數(shù)，高折射率玻璃纖維及特定折射率玻璃纖維產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)需求。玻璃折射率是指光在真空中的傳播速度（c）與光在玻璃中的傳播速度（v）之比，反映了玻璃對光的折射能力：式（3）中，第一個等號的意義為玻璃折射率的定義，第二個等號的意義為折射率的測試應(yīng)用。如無特殊說明，玻璃的折射率是指相對于標(biāo)準(zhǔn)空氣的折射率（折射率為1.000272）。目前常用測定玻璃折射率的方法及測試原理、測試精度如表1所示。表1玻璃折射率常用測試方法表1中，阿貝折射儀法和油浸法對樣品的加工要求不高，具有更好的適用性，但是其測試精度較低；最小偏向角法與V棱鏡法的測試精度較高，且可測定多種波長進而可測色散，但是其加工要求較高。在玻璃折射率測試技術(shù)中，一般用V棱鏡法來標(biāo)定阿貝折射儀法與油浸法的折射率測試精度。本文也應(yīng)用V棱鏡法測定玻璃的折射率，相比于最小偏向角法，V棱鏡法測試制樣更簡單。（2）色散性能玻璃的折射率與入射光的波長有關(guān)，因此規(guī)定玻璃的折射率為入射波長589nm時的折射率，測試時使用鈉黃光源，折射率符號為nD，不特殊說明一般簡寫成n。可見光中波長越大，樣品的折射率越小，即光產(chǎn)生了色散。為了表征這種色散，引入平均色散和色散系數(shù)γ。平均色散為（nF－nC），其中nF為氫淺藍(lán)色光源在486nm時玻璃的折射率，nC為氫紅光源在656nm時玻璃的折射率；色散系數(shù)也叫阿貝數(shù)，計算見式（4），其中nd為氦光源在588nm時玻璃的折射率。色散系數(shù)越大，色散越小。色散系數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中消色差經(jīng)常使用的參數(shù)。2透光性能及玻璃顏色玻璃透光性能和玻璃顏色在理論研究和應(yīng)用方面都有重要意義，它不僅關(guān)系到各種特定透光玻璃的生產(chǎn)，而且由于離子的電價、配位、極化，影響到玻璃的透光性能及光譜特性，故可通過玻璃透光性能偏差來研究玻璃的結(jié)構(gòu)與成分、玻璃的物理化學(xué)處理工藝等參數(shù)的變化。在應(yīng)用時，基于玻璃的光譜曲線讀取或者計算玻璃光譜透射比τ(λ)、可見光透射比（T380-780nm）、顏色參數(shù)及色差。（1）光譜透射比τ(λ)按照步驟：關(guān)閉或遮擋照明光源時，采集各波長下的光度響應(yīng)值I0(λ)；測量光路中無樣品時，采集各波長下的光度響應(yīng)值I100(λ)；將樣品置于測量光路中，采集各波長下的光度響應(yīng)值I(λ)；按式（5）計算得出樣品的光譜透射比值τ(λ)。

由于在測試時，關(guān)閉照明光源時，380～780nm可見光波長范圍內(nèi)各波長下光度響應(yīng)值為0，即I0(λ)為0。因此，此時光譜透射比τ(λ)的含義等同波長為l時玻璃的透光率T(λ)。（2）可見光透射比T380-780nm可見光透射比也稱為可見光透光率，按照式（6）（a）計算。由于測試時無法選用可見光波段的每一點，因此用式（6）（b）近似替代。（3）Lab顏色參數(shù)及色差ΔE為了科學(xué)地表述顏色特點，保證商品玻璃顏色的一致性，國際照明委員會創(chuàng)立了CIE系統(tǒng)，應(yīng)用L、a、b值表征玻璃的顏色。如圖1所示。圖1CIE

Lab顏色空間Lab顏色空間中，L用于表示亮度，取值范圍是［0，100］，表示從純黑到純白；a表示從紅色到綠色的范圍，一般取值為［127，-128］，正值為紅色；b表示從黃色到藍(lán)色的范圍，一般取值為［127，-128］，正值為黃色。顏色參數(shù)Lab均是基于各波長的透光率數(shù)據(jù)計算得出。當(dāng)然，顏色系統(tǒng)不僅僅有Lab系統(tǒng)，也有RGB等顏色系統(tǒng)，本文應(yīng)用的是Lab顏色系統(tǒng)。3測試對比測試用分光光度計的型號為ThermoSCIENTIFICEvolution201紫外-可見光分光光度計。設(shè)備原理如圖2所示。圖2分光光度計原理圖測試所用試樣厚為（19±1）mm的長方體玻璃試塊，需保證兩測試面平行，且表面粗糙度Ra≤0.025。測試時，選取玻璃塊上均勻分布的9個點，取平均值，精確到0.01mm，且9點的偏差不超過0.10mm，以此控制玻璃厚度偏差，否則需對樣品再加工。所用2種玻璃纖維典型無堿玻璃（E玻璃），成分為：E1和E2玻璃中主體質(zhì)量成分SiO2為53.00%，B2O3為6.50%，Al2O3為14.50%，CaO為24.10%，堿金屬R2O（即Na2O+K2O）為0.60%，不同之處在于：E1玻璃的著色成分TiO2、FeO、Fe2O3含量分別為0.30%、0.29%、0.18%；E2玻璃的著色成分TiO2、FeO、Fe2O3含量分別為0.24%、0.11%、0.13%，其他成分均為MgO和F2。配料時選用玻璃纖維用玻璃常用玻璃原料，即葉臘石、高嶺土、石灰石、石英、硼酸等，配料后混合為均勻配合料；配合料在1560℃時熔制3h；玻璃液澆注成厚為（19±1）mm的長方體玻璃試塊；透光性能符合樣品要求時可直接測試，不符合要求時進行加工處理；退火工藝為650℃保溫90min；切割和拋光達(dá)到樣品尺寸和光滑度要求，其中折射率測試要求邊長為15mm的立方體或具有不少于一個準(zhǔn)確直角的其他幾何體，兩通光面要求表面粗糙度Ra≤0.025，成角要求90°±10′。澆注出的E1和E2玻璃冷卻后均呈黃綠色，且E2玻璃的黃綠色更淺，這與玻璃的成分特征相匹配。玻璃處理后，測試透光性能T

如圖3所示，測試折射率n、計算反射率R

和吸光率A

數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)圖3數(shù)據(jù)計算顏色參數(shù)

L、a、b如表3所示。圖3中，E2玻璃在可見光波段的透光率均高于E1玻璃，在589nm波長下，E1玻璃的透光率為55.18%，E2玻璃的透光率為29.87%。圖3玻璃可見光透光性能測試表2玻璃光學(xué)性能參數(shù)R、T、A（589nm）測試計算表3玻璃光學(xué)性能參數(shù)L、a、b測試計算表2中，玻璃的光學(xué)參數(shù)均為589nm波長下的參數(shù)，R

數(shù)據(jù)根據(jù)公式（2）計算，A數(shù)據(jù)根據(jù)公式（1）計算。E1和E2玻璃成分的主要差別是TiO2、FeO、Fe2O3著色成分的偏差，且偏差均在0.2%以內(nèi)，這少量的著色成分偏差對玻璃的折射率影響在±0.005左右，因此對反射率R

的影響較小。而這少量的著色成分偏差對玻璃的透光率影響較大。表3中，E2玻璃相比于E1玻璃，亮度更高，綠值更小，黃值更小，這也與E2玻璃相比于E1玻璃外觀黃綠色更淺相匹配；E1和E2玻璃的ΔE達(dá)到了19.26，這一級別的色差在人眼觀察外觀方面截然不同。由此可見，少量的著色成分偏差對玻璃的色差影響較大。4結(jié)語通過測試玻璃纖維行業(yè)典型無堿玻璃的常用光學(xué)性能，可知：主體成分相同或者近似的無堿玻璃中，TiO2、FeO、Fe2O3等著色成分的微小差異，對玻璃的透光率、吸光率以及玻璃顏色等光學(xué)性能參數(shù)影響較大。在玻璃纖維生產(chǎn)過程中，由于玻璃纖維