CN1132793C - 用作滤光器的玻璃及滤光器 - Google Patents
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Abstract
在一种带通滤光器中,能防止折射率变化的用作滤光器的玻璃,在-20℃~+70℃的温度范围内,其热膨胀系数在90×10-7/℃~120×10-7/℃范围内,并且,优选杨氏模数为75GPa或以上和维氏硬度为550或以上,以及,对于10mm厚片,在950nm~1600nm的波长范围内的透光度为90%或以上。
Description
本发明涉及用作滤光器的玻璃,也涉及使用玻璃的滤光器。
有切断或者通过一种特殊波长光的滤光器,也有减少光照度而与波长无关的滤光器。前者包括一种仅仅通过一种特定波长的带通滤光器,一种切断特定波长的陷波滤波器,以及仅仅通过比一种特定波长短或者长的波长的高通和低通滤光器。后者包括一种ND滤光器。
滤光器也可以分类成一种吸收型滤光器和一种干涉型滤光器。一种典型的吸收型滤光器是ND滤光器,以及一种典型的干涉型滤光器是带通滤光器。一种由例如那些用于照相的塑料制成的基片被应用作吸收型滤光器。由于经受强烈激光光束的用作滤光器的基片需要耐久性和耐热性能,非晶玻璃专门被用作这样的基片。
带通滤光器由玻璃这样的基片上形成多层介电膜制成,这种多层膜是通过交替地层叠一种具有高折射率的电介质薄膜的H层和一种具有低折射率的电介质薄膜的L层形成。
在一种被应用于WDM(波长分隔多路传输)光学通信***的带通滤光器中,当一种为通过波长的窄通带宽度被设置来应用该带通滤光器于一种高密度的波长时,该带的中心波长的温度稳定性就提出了问题。更具体地说,该带通滤光器是一种敏感元件,其中,带的中心频率甚至在温度稍有轻微的变化时就会改变,因此,当应用带通滤光器时,应当用温度控制器来调整温度。然而,这样的温度控制器不能实际应用,因为在带通滤光器的设置上受到空间的限制。由于当光信息量增加时,必需减少通带宽度,所以温度稳定性就变得更加重要了。
在过去,非晶玻璃被当作带通滤光器的一种基片来应用。现有技术的基片在对膜的压缩应力及耐久性是不够的,因为它的热膨胀性能和机械强度不够高。此外,非晶玻璃的表面硬度低。因此,非晶玻璃是不能充分满足作为滤光器的基片,特别是作为带通滤光器的基片的要求的。
因此,本发明的一个目的是提供一种适合于滤光器用的基片的材料,此材料将消除现有技术基片的上述缺点,并且具有一种热膨胀性能,此性能在一种温度下,应用一种有单层或多层膜形成的滤光器时,足以避免在折射率方面的变化(换言之,具有一种高的热膨胀系数,并由此给予此膜以压缩应力,以改进膜的折射率的温度稳定性),也具有一种机械性能,它给予该滤光器足够的耐久性,并且还具有优良的透光度。
本发明的另一个目的是提供一种由这样的基片制成的滤光器。
为了达到上述本发明的目的,由本发明的发明者们所积累的研究和实验已经产生了结果,导致本发明发现,在特定的范围内,那种具有一种热膨胀系数、机械强度和透光度的玻璃适合于达到本发明的这些目的。
按照本发明,提供一种滤光器用玻璃,该玻璃在-20℃~+70℃的温度范围内,具有的热膨胀系数在90×10-7/℃~120×10-7/℃范围内。
本发明的一方面,该玻璃具有杨氏模数为75GPa或以上。
本发明的另一方面,该玻璃具有的维氏硬度为550或以上。
本发明的另一方面,对于10mm的厚片,它在950nm~1600nm的波长范围内的透光度为90%或以上。
本发明的另一方面,该玻璃含有的重量百分组成为:
选自SiO2,B2O3和P2O5的一种或多种组分,总量为35~55%;
选自TiO2,La2O3,ZrO2,Nb2O5,Ta2O5,WO3和Y2O3的一种或多种组分,总量为20~45%;
选自MgO,CaO,SrO,BaO和ZnO的一种或多种组分,总量为3~20%;
选自Li2O,Na2O和K2O的一种或多种组分,总量为5~30%;以及
Sb2O3和As2O3中的一种或两种组分,总量为0~1%。
本发明的另一方面,玻璃基本上不含PbO。
本发明的另一方面,是提供一种滤光器,它是由在上述玻璃上形成一种介电膜制成的。
本发明还有一方面,是提供一种滤光器,它是由在具有一种比构成介电膜的电介质的热膨胀系数大的玻璃上形成一种介电膜制成的。
下面将叙述根据本发明,对用于滤光器的玻璃限制其热膨胀性能,杨氏模数,维氏硬度,透光度和玻璃组成的理由。玻璃的组成以氧化物为基准(重量百分比)表示。
首先说明关于热膨胀性能。如前面所述,带(band)的中心波长的温度稳定性是非常重要的,并且玻璃陶瓷具有一种比构成所需要的膜的材料大的热膨胀系数。由本发明的发明者们所做的研究和实验的结果发现,在温度从-20℃~+70℃范围内,如果热膨胀系数是90×10-7/℃或以上,则在玻璃被用作一种带通滤光器的温度范围内,可以给予该膜以足够的压缩应力,并且如果热膨胀系数超过120×10-7/℃,则在基片和滤光器之间的热膨胀系数的差别变得大到例如膜与基片分离这类的问题就将发生。优选热膨胀系数的范围是95×10-7/℃~115×10-7/℃以及更优选其范围为105±5×10-7/℃。
在带通滤光器中,中心波长处的温度稳定性在某种程度上与构成薄膜的电介质的折射率温度系数有关,并且,在更大程度上与基片的热膨胀系数有关。这是因为折射率是由薄膜的膜原子密度决定的。那就是说,薄膜的膜原子密度越高,则由中心频率的温度引起的变化越小。薄膜的膜原子密度大大地受由用作其上形成薄膜的滤光器基片的热膨胀系数的影响。更具体地说,在膜形成的过程中,基片的温度变成大约200℃,基片由此而较大地膨胀。薄膜就在这种膨胀的基片上形成,并且,当基片冷却时,由于在它们之间的热膨胀系数的不同,该薄膜易受到压缩应力。结果,薄膜的膜原子密度增加和折射率由此增加。由于基片的热膨胀系数增加,加在基片上形成的电介质薄膜上的压缩应力随着由于使用滤光器时的温度降低引起折射率变化的结果而增加。因此,需要设置玻璃的热膨胀系数在一种比电介质薄膜的热膨胀系数更大的值上。
考虑到在带通滤光器中应用的严格条件,除上述性质外,该玻璃的抗机械形变的强度,即杨氏模数和维氏硬度,都不可忽视。
关于杨氏模数,由于在薄膜形成以后,基片被加工成小片(2mm×2mm×2mm或以下),对于该基片需要一种高的杨氏模数和高的强度。考虑到下一道工序,该玻璃应该优选具有杨氏模数为75GPa或以上和维氏硬度为550或以上者。
关于透光度,如果透光度低,在产生信号方面,像减小信噪比这类麻烦将会发生。因此,要求透光度应当尽可能大,并且发现透光度最低限度必需在90%。应用于带通滤光器的波长范围是950nm~1600nm,对于这种波长范围,和10mm厚的片,透光度为90%或以上是需要的。就这种波长范围内的透光度而论,透光度应当优选为93%或以上,更优选95%或以上。
现在将叙述限制上述的基础玻璃的组成范围的理由。
SiO2,B2O3和P2O5组分是玻璃形成的组分。如果这些组分的一种或多种的总量在35%以下,玻璃的化学而久性降低以及杨氏模数和维氏硬度减小,而如果这些组分的总量超过55%,在熔化和成形碱玻璃方面将出现困难,而且,玻璃将不能获得高的热膨胀性能。
TiO2,La2O3,ZrO2,Nb2O5,Ta2O5,WO3和Y2O3组分是重要的组分,对含有比较大量的碱性组分(即Li,Na和K)的玻璃来说,能给出高的热膨胀性能,高的杨氏模数和高的维氏硬度。如果这些组分的一种或多种的总量在20%以下,这些效果就不能得到,而如果总量超过45%,在玻璃熔化和成形方面就会出现困难,并且在玻璃的成形期间抵抗反玻璃化的能力会受损。
Li2O,Na2O和K2O组分对改进玻璃的熔化性能和增高热膨胀性能并同时保持高的杨氏模数等是有效的。如果这些组成的一种或多种的总量在5%以下,这些效果将不能得到,而如果总量超过30%,化学耐久性以及杨氏模数和维氏硬度也会变坏。
MgO,ZnO,CaO,BaO和SrO组分对改进玻璃的熔化性能和增高热膨胀性能并同时保持高的杨氏模数是有效的。如果这些组分的一种或多种的总量在3%以下,就不能获得这些效果,而如果总量超过20%,玻璃的熔化和成形性能就会变坏。
Sb2O3和As2O3组分可以作为一种精炼剂加在熔融的玻璃中。这些组分的一种或两种的加入总量达1%将足够了。优选的总数量是0.5%或少些。
SnO,CuO,CoO,NiO,Fe2O3,CeO和/或MnO可以加入的量最高达5%,这样的量不会损害玻璃所需要的性质。
关于PbO,从保护环境的观点来看,这种组分是不希望的,并且应该尽最大可能地避免使用这种组分。
根据本发明,为了制造用作滤光器的玻璃,含有上述组成的基础玻璃被熔化并形成一种预定的形状,若必要时,进行退火处理。用常规方法研磨和磨光这样获得的玻璃,给用作滤光器的玻璃提供的表面粗糙度(Ra)(算术平均粗糙度)在1.0~5.0的范围内。
根据本发明的玻璃适用于一种干涉型滤光器,其中,在玻璃基片上形成一种多层介电膜,特别是适用于一种具有多层介电膜的带通滤光器,这种多层介电膜是通过交替地层叠一种有高折射率的介电薄膜(H层)和一种有低折射率的介电薄膜(L层)而形成的。
作为电介质,例如TiO2,Ta2O2,Nb2O5和SiO2的无机氧化物可以优选应用。在一种用作波长范围从950nm~1600nm的带通滤光器中,TiO2/SiO2,Ta2O2/SiO2和Nb2O5/SiO2的组合,可以优选用作H层和L层的复合。
本发明的滤光器可以由在玻璃基片上的表面上形成一种电介质薄膜的方法来提供。为了形成这种薄膜,沉积法、射频离子电镀法、磁控管喷镀法、等离子体电镀法等均可以被应用。在这些方法中,特别优选沉积法。
实例
现将叙述本发明的实例。表1,表2和表3表示本发明的实例1~8中用作滤光器的玻璃和现有技术的比较例中用作滤光器的玻璃基片的组成、热膨胀系数、杨氏模数、维氏硬度和透光度情况。表1
实例
1 2 3SiO2 41.39 39.39 41.39(Wt.%)B2O3 2.00P2O5La2O3TiO2 30.00 30.00 26.00ZrO2 2.10Nb2O5Ta2O5WO3Y2O3 4.00MgO 0.5ZnOBaO 3.50 3.50 2.50SrO 0.5Li2O 2.00 2.00 2.00Na2O 14.10 14.10 13.00K2O 9.00 9.00 8.00Sb2O3 0.01 0.01As2O3热膨胀系数(×10-7/℃)(-20℃to+70℃) 110 100 115杨氏模数(GPa) 85 87 114维氏硬度(Hv) 550 580 640透光度(%)(950-1600nm) 99 99 97表2
实例
4 5 6SiO2 17.10 20.00 28.60(Wt.%)B2O3 21.50 10.00 10.00P2O5 8.60La2O3 17.00 12.00 10.00TiO2 7.60 5.00 7.60ZrO2 4.50 4.50 4.50Nb2O5 7.90 7.90 7.90Ta2O5 7.00WO3 2.60Y2O3 5.00MgO 1.00 1.00 1.00ZnO 1.00BaO 2.00 10.00SrO 14.80 11.80 4.80Li2O 8.50 8.50 8.50Na2OK2OSb2O3 0.10 0.10As2O3 0.10热膨胀系数(×10-7/℃)(-20℃to+70℃) 90 95 96杨氏模数(GPa) 117 110 120维氏硬度(Hv) 680 630 670透光度(%)(950-1600nm) 97 96 96
表3
实例
比较例1
7 8SiO2 20.00 40.00 47.00(Wt.%)B2O3 10.00 7.10P2O5 8.60 1.39La2O3 15.00TiO2 7.60 25.00ZrO2 4.50 5.00Nb2O5 7.90Ta2O5WO3 2.00Y2O3MgO 1.00 PbO=9.70ZnO 2.00 0.50 6.10BaO 2.00 2.00 10.00SrO 10.80 1.00Li2O 8.50 4.00Na2O 12.10 6.00K2O 9.00 14.00Sb2O3 0.10 0.01 0.10As2O3热膨胀系数(×10-7/℃)(-20℃to+70℃) 95 110 88杨氏模数(GPa) 120 85 70维氏硬度(Hv) 680 550 480透光度(%)(950-1600nm) 97 99 99
为了制造上述实例1~8中的玻璃,包括氧化物、碳酸盐和硝酸盐的材料被称量和混合并在一种常规的熔化装置中,在约1250℃~1350℃的温度范围内熔化。熔化的玻璃被均匀搅拌,然后成形为一种预定的形状并退火处理,提供一种成形的玻璃。然后,成形的玻璃用800~2000#金钢石粒研磨5~30分钟,最后用具有平均直径为0.02μm到3μm的氧化铈磨光粒进行磨光30~60分钟。表面粗糙度(Ra)(在中心线处的粗糙度)为5或以上。
将实例1~8与比较例1进行比较,现有技术的用作滤光器的玻璃基片的热膨胀系数是88×10-7/℃,它不足以把压缩应力给予成形的膜。现有技术的玻璃基片也显示了低的杨氏模数70GPa和维氏硬度480。相反,本发明的玻璃具有足够的热膨胀系数把压缩应力给予成形的膜,也有足够的杨氏模数和维氏硬度,这表明本发明的玻璃适用于作滤光器的基片。
由在上述实例中的玻璃基片上形成TiO2/SiO2,Ta2O2/SiO2和Nb2O5/SiO2的多层膜来提供的干涉型滤光器,具有优良的中心波长的温度稳定性,并且发现最适合于用作光通信中的一种带通滤光器。
如以上所述,本发明克服了现有技术基片的缺点,并给用作滤光器的玻璃基片提供中心波长优良的温度稳定性。这些特性,即高透光度、高热膨胀系数、高杨氏模数和高维氏硬度,适用于干涉型滤光器,特别是一种带通滤光器,并且在光通信***中最适用于作WDM(波长分隔多路传输)和DWDM(密度波长分隔多路传输)。此外,由在本发明的玻璃基片上形成TiO2/SiO2,Ta2O2/SiO2和Nb2O5/SiO2的多层介电膜提供的带通滤光器元件,具有中心波长优良的温度稳定性,并且不仅能够应用于地面光通信***,而且也能用于空间站卫星光通信***。
Claims (7)
1.用作滤光器的玻璃,其重量百分比组成为:
选自SiO2,B2O3和P2O5的一种或多种组分,其总量为35~55%;
选自TiO2,La2O3,ZrO2,Nb2O5,Ta2O5,WO3和Y2O3的一种或多种组分,其总量为20~45%;
选自MgO,CaO,SrO,BaO和ZnO的一种或多种组分,其总量为3~20%;
选自Li2O,Na2O和K2O的一种或多种组分,其总量为5~30%;以及
Sb2O3和As2O3中的一种或两种,其总量为0~1%,
其在-20℃~+70℃的温度范围内,具有从90×10-7℃~120×10-7/℃范围内的热膨胀系数。
2.按照权利要求1的玻璃,其具有杨氏模数为75GPa或以上。
3.按照权利要求1的玻璃,其具有维氏硬度为550或以上。
4.按照权利要求1的玻璃,其中,对于10mm厚片,在950nm~1600nm的波长范围内的透光度为90%或以上。
5.按照权利要求1的玻璃,其中基本上不含PbO。
6.一种滤光器,它是由在按照权利要求1的玻璃上形成一种介电膜制成的。
7.一种滤光器,它是由在一种比构成介电膜的电介质的热膨胀系数大的玻璃上形成一种介电膜制成的。
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