ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CỦA VẬT LIỆU QUANG –
THUỶ TINH QUANG HỌC
PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ QUANG HỌC
1

Bản chất của ánh sáng
Ánh sáng là sóng điện từ có điện từ trường biến thiên trong khơng gian. Nó được đặc

trưng bởi vector cường độ điện trường E r , vector cường độ từ trường H r , vng góc
nhau và vng góc với phương truyền sóng v r . Quang phổ của ánh sáng mặt trời
được cho bởi dãy dưới đây:

Hình 1: Dãy quang phổ ánh sáng mặt trời
1

Lý thuyết hạt ánh sáng

Lý thuyết hạt ánh sáng, được Isaac Newton đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là dòng di
chuyển của các hạt vật chất. Lý thuyết này giải thích được hiện tượng phản xạ và một
số tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên khơng giải thích được nhiều hiện tượng như
giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng.
2

Lý thuyết sóng ánh sáng của Huygens
Lý thuyết sóng ánh sáng, được Christian Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là

sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất
sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ
và phản xạ.
3

Thuyết điện tử của Maxwell
Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk

Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, lý


thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy
ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí nghiệm sau này về sóng
điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính chính xác của
lý thuyết của Maxwell.
2
1

Các tính chất cơ bản của ánh sáng
Tính chất truyền thẳng của tia sáng

Trong một mơi trường đồng tính, ánh sáng truyền theo đuờng thẳng
2

Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng
Phản xạ ánh sáng là hiện tượng sóng ánh sáng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của

hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại mơi trường mà nó đã tới.
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa
hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nha
3

Sự truyền ánh sáng
Sự hấp thụ ánh sáng: Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng môi trường vật chất làm giảm


cường độ của chùm ánh sáng truyền qua nó.
Hiện tượng tán sắc ánh sáng là hiện tượng một chùm ánh sáng trắng khi qua lăng
kính khơng những bị khúc xạ lệch về phía đáy lăng kính mà cịn tách ra nhiều chùm
sáng có màu sắc khác nhau. Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc
khác nhau. Khi đi qua lăng kính các ánh sáng đơn sắc sẽ bị lệch về đáy lăng kính với
các góc lệch khác nhau: D = A (n -1)
Do đó chúng khơng cịn chồng chất lên nhau nữa mà tách ra thành một dải gồm nhiều
màu liên tục. Với ánh sáng đỏ, lăng kính có chiết suất nhỏ nhất, vì vậy tia đỏ có góc
lệch nhỏ nhất. Với ánh sáng tím, lăng kính có chiết suất lớn nhất, vì vậy tia tím có góc
lệch lớn nhất.
4

Màu sắc của ánh sáng
Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người từ sự kết hợp tín hiệu của

ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người. Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng "dài hạn" từ
trí nhớ lưu lại q trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và "ngắn hạn" bởi các hiệu
ứng ánh sáng của phông nền. Màu sắc của một tia ánh sáng là cảm giác màu mà tia


sáng đó gây nên ở mắt người. Màu sắc của các vật thể là màu sắc của ánh sáng xuất
phát từ chúng.
PHẦN 2: KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU QUANG HỌC
2.1 Vật liệu quang học là gì?
Vật liệu quang học là vật liệu có chức năng thay đổi hoặc kiểm sốt bức xạ điện từ ở
vùng quang phổ tia cực tím (UV), vùng có thể nhìn thấy (Vis) hoặc hồng ngoại (IR).
Các vật liệu như vậy được chế tạo thành các yếu tố quang học như trịng kính, gương,
cửa sổ, lăng kính, bộ phân cực , máy dị và bộ điều biến, v.v., và chúng có thể được sử
dụng để khúc xạ, phản xạ, truyền, phân tán, phân cực, phát hiện và biến đổi ánh sáng.
Ở cấp độ siêu nhỏ, các nguyên tử và cấu hình điện tử của chúng trong vật liệu tương

tác với bức xạ điện từ (photon) từ đó có thể xác định các tính chất quang học của nó
như truyền và khúc xạ. Các tính chất quang học này là các hàm của bước sóng của ánh
sáng tới, nhiệt độ của vật liệu, áp suất tác dụng lên vật liệu và trong một số trường hợp
nhất định của điện từ và từ trường bên ngoài tác dụng lên vật vật liệu.
Có rất nhiều chất hữu ích làm vật liệu quang học. Hầu hết các phần tử quang học
được chế tạo từ thủy tinh, vật liệu kết tinh, polyme hoặc vật liệu nhựa. Trong việc lựa
chọn vật liệu, các đặc tính quan trọng nhất thường là mức độ trong suốt và chỉ số khúc
xạ, cùng với sự phụ thuộc vào quang phổ của mỗi đặc tính. Ngồi ra cịn là tính đồng
nhất của vật liệu, độ bền và độ cứng, giới hạn nhiệt độ, bản chất hút ẩm và điện trở
suất hóa học.
2.2 Tính chất chung của vật liệu quang học?
2.2.1 Chỉ số khúc xạ:
Còn được gọi là chiết suất, là tỷ số giữa tốc độ của ánh sáng trong chân khơng và tốc
độ của nó trong mơi trường khi ánh sáng truyền qua môi trường. Chiết suất là một mô
tả về mức độ ánh sáng chậm lại khi nó đi qua một số vật liệu quang học. Giá trị này
cũng xác định góc mà ánh sáng bị khúc xạ khi đi vào hoặc rời khỏi chất. Chỉ số khúc
xạ nằm trong khoảng từ 1 đối với chân khơng, đến khoảng 1,8 đối với kính quang học
được sử dụng phổ biến nhất. Chỉ số khúc xạ của bất kỳ vật liệu thủy tinh nào khác
nhau một chút ở các bước sóng ánh sáng khác nhau, dẫn đến sự lan truyền không đồng


đều cho từng bước sóng riêng lẻ, gây ra quang sai màu. Nói chung, kính có chỉ số khúc
xạ cao có độ phân tán cao hơn, dẫn đến quang sai màu lớn hơn. Những chiếc kính này
được gọi là thủy tinh đá lửa, và thường được ghép với thủy tinh vương miện (thủy tinh
có chỉ số khúc xạ thấp) để tạo ra achromat, được sử dụng để hiệu chỉnh quang sai màu.
2.2.2Sự phân tán:
Sự phân tán mô tả sự thay đổi của chiết suất theo bước sóng. Tán sắc gây ra quang sai
màu trong ống kính, một hiệu ứng khơng mong muốn làm giảm chất lượng hình ảnh.
Mặt khác, sự phân tán cung cấp sự phân tách màu sắc trong lăng kính, có thể được sử
dụng để xây dựng máy quang phổ.

2.2.3 Hệ số giãn nở nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt xác định lượng thay đổi của một vật thể so với sự thay đổi nhiệt
độ xung quanh của nó. Nó đo lường sự thay đổi từng phần của thể tích trên mỗi mức
độ thay đổi của nhiệt độ dưới một áp suất không đổi. Hệ số này cần được xem xét để
tránh khó khăn trong việc lắp đặt khi đóng gói quang học. Giá trị này cũng cần được
xem xét khi hệ thống quang học cần được sử dụng ngoài trời để đảm bảo hệ thống hoạt
động tối ưu.
2.2.4 Giá trị truyền dẫn so với bước sóng
Truyền dẫn là đặc tính của mơi trường cho phép ánh sáng truyền qua mơi trường đó
với một phần hoặc khơng có ánh sáng tới bị hấp thụ trong quá trình này. Các vật liệu
thủy tinh khác nhau có phạm vi truyền khác nhau, cho phép ánh sáng đi qua ở các
bước sóng khác nhau. Nên sử dụng đường cong truyền để ước tính sự suy giảm của
ánh sáng ở các bước sóng khác nhau trong một môi trường nhất định cho bất kỳ ứng
dụng nào. Điều quan trọng là phải xem xét giá trị này để đảm bảo ánh sáng có thể
truyền qua hệ thống của bạn trên một dải bước sóng cụ thể. Kính quang học tiêu chuẩn
cung cấp khả năng truyền cao trong tồn bộ quang phổ nhìn thấy được và mở rộng
sang các vùng tử ngoại gần và hồng ngoại gần.
2.2.5 Tính chất cơ học
Để đạt được hiệu suất tối ưu của hệ thống, các đặc tính cơ học sau đây cần được xem
xét: mật độ, độ cứng và độ đàn hồi. Khối lượng riêng của vật liệu xác định “độ nặng”


tương đối của vật thể có thể tích khơng đổi, có thể ảnh hưởng đến trọng lượng chung
của hệ. Độ cứng có thể ảnh hưởng khi chế tạo vật liệu thành hình dạng nhất định, ảnh
hưởng đến giá thành sản phẩm cũng như độ bền của quang học. Độ cứng của vật liệu
cũng quyết định khả năng chống xước của quang học, cho phép người dùng có ý tưởng
sơ bộ về việc xử lý quang học này khi vận hành hoặc làm sạch. Tính đàn hồi của vật
liệu cho biết khả năng chịu được chênh lệch áp suất cao.
Phần III. NGUỒN GỐC VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU THUỶ TINH
3.1 Nguồn gốc và sự phát triển của vật liệu thủy tinh

Thủy tinh là một vật liệu khá phổ biến và có nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội
xưa cũng như của con người ngày nay. Nhưng ít ai biết được quá trình lịch sử hình
thành của vật liệu này với vẻ đẹp mong manh và trong suốt của nó.
Thủy tinh đầu tiên là loại khống chất ốpxiđian, được tạo ra một cách tự nhiên trong
những vụ nổ núi lửa. Thủy tinh được làm ra khoảng 1500 năm trước Công nguyên ở
Ai Cập và Mesopotamia. Những người thợ đầu tiên tạo hình cho thủy tinh bằng cách
đắp thủy tinh lỏng xung quanh một cái lõi bằng cát hay đất sét, sau đó dỡ bỏ nguyên
liệu làm lõi. Cuối cùng thủy tinh đã nguội đƣợc cắt bẻ và mài bóng.
Trong thiên niên kỷ tiếp theo, những người thợ thủy tinh đã học cách cho thêm một
số thành phần vào thủy tinh để tăng độ bền, làm cho thủy tinh trong hơn và tạo ra màu
sắc đặc biệt.
Công nghiệp thủy tinh chứng kiến cuộc cách mạng đầu tiên khoảng 300 năm trước
Công nguyên, khi những người thợ thủy tinh Siri phát minh ra chiếc ống thổi, giúp cho
việc tạo ra vô số sản phẩm khác nhau về hình dáng và độ dày.
Đế chế La Mã cũng sản xuất kính tấm bằng cách thổi những quả bóng hay mặt trụ
thủy tinh lớn, sau đó tách ra và làm phẳng. Họ bắt đầu chế tạo gương soi bằng cách
phủ hỗn hợp bạc lên kính tấm.
Những người Venecia đã hồn thiện cơng nghệ sản xuất kính tấm theo phương pháp
đúc thủy tinh khơng màu trên chiếc bàn thép, sau đó đánh bóng tấm kính cho đến khi
khơng cịn gợn sóng. Người Venecia cũng phát triển phương pháp tráng thủy ngân để
làm những chiếc gương nổi tiếng khắp châu Âu. Không lâu sau những người thợ thủy


tinh Pháp đã cải tiến công nghệ Italia bằng những chiếc bàn lớn để làm ra những tấm
kính kích cỡ lớn hơn, chế tạo ra những lò ủ để làm nguội kính trong vài ngày.
Ngành sản xuất kính chỉ hồn tồn thay đổi khi Alastair Pilkington phát minh ra cơng
nghệ kính nổi hiện đại vào những năm 1960, giảm thiểu sự khác biệt so với tấm kính
đã qua đánh bóng. Trong công nghệ của Pilkington, thủy tinh lỏng theo một dịng hẹp
chảy liên tục đƣợc rót vào một bể nơng chứa kim loại nóng chảy, thơng thường là
thiếc. Thủy tinh lỏng lan ra trên bề mặt kim loại nóng chảy và tạo ra băng kính chất

lượng cao với độ dày ổn định và đƣợc làm bóng bằng nhiệt.
Cơng nghệ của Pilkington đã cách mạng nền cơng nghệ kính tồn thế giới về nhiều
mặt. Nó làm giảm đáng kể giá thành kính tấm, tạo ra những ứng dụng mới cho những
sản phẩm kính tấm như trang trí nội thất hay xây nên những tịa nhà văn phịng cao
chọc trời.
Cơng nghệ kính nổi cho ra đời nhiều công nghệ mới và những sản phẩm kính mới.
Lần đầu tiên, kính tấm chất lượng cao đƣợc làm ra với nhiều độ dày khác nhau từ 0,519mm hay lớn hơn. Kính được làm dày hơn vì mục đích an tồn, chống ồn mà vẫn
đảm bảo những tiêu chuẩn thẩm mỹ. Thêm vào đó, cơng nghệ này còn cho phép những
nhà sản xuất thay đổi thành phần phối liệu để làm ra những sản phẩm mới, trong số đó
có kính màu.
Do cuộc khủng hoảng năng lượng tồn cầu vào đầu những năm 1970, nhu cầu kính
tấm có suy giảm và ảnh hƣởng đến tồn ngành cơng nghệ. Vì những lý do hiệu quả
năng lượng, kính đƣợc sử dụng ít hơn trong những cao ốc.
Cơng nghiệp xây dựng ở bên bờ vực do sự tụt hậu nghiêm trọng của nền kinh tế.
Những chiếc xe hơi nhỏ gọn sử dụng ít kính hơn, và như là để làm cho tình hình càng
xấu hơn, hãng Ford Motor bắt đầu sản xuất kính nổi cho nhu cầu riêng của họ, làm
giảm nghiêm trọng mức kính bán cho ngành chế tạo ôtô.
Thực tế, năm 1970, công ty Nashville của Ford là nhà sản xuất kính nổi lớn nhất thế
giới. Với nhiều cơng nghệ mới, ngành cơng nghiệp kính đã đáp ứng được nhu cầu
ngày càng tăng liên quan đến hiệu quả năng lượng và những đặc tính mới. Ví dụ nhau
với việc nghiên cứu năng lượng ánh sáng, những nhà sản xuất đã tạo ra những lớp phủ
giúp cho kính thu nhận ánh sáng mặt trời và bức xạ nhiệt hiệu quả hơn, hay những lớp


phủ kiểm sốt ánh nắng có khả năng ngăn cản nhiệt của mặt trời đối với những vùng
khí hậu nóng mà vẫn cho ánh sáng truyền qua.
Năm 1970, kính hàm lượng sắt thấp dùng cho pin mặt trời đã ra đời. Những tấm kính
này tăng cường sự truyền ánh sáng mặt trời giúp cho sự biến đổi nhiệt năng thành điện
năng. Ngoài ra, những nhà sản xuất đã bắt đầu giới thiệu các loại lớp phủ phản quang
mức độ cao và trung bình, cho phép các kiến trúc sư và các nhà xây dựng đạt đƣợc

hiệu quả đặc biệt về độ truyền ánh sáng, phản xạ ánh nắng hay hiệu quả bóng râm.
Những sản phẩm kính phản quang cao đƣợc tạo ra từ q trình lắng đọng trong chân
khơng cùng với kính phản quang trung bình được phủ bằng phương pháp nhiệt phân
đã tạo ra một cuộc cách mạng trong kiến trúc cuối những năm 1970, đầu những năm
1980, xây nên những tòa nhà quyến rũ với hiệu quả năng lượng.
Những nhà sản xuất đã cho ra những loại kính dán dễ uốn hơn, an toàn, lần đầu tiên
được sản xuất cho ôtô trong những năm 1920 đã trở nên mỏng hơn, nhẹ hơn, dễ tạo
hình hơn.
Kính phản quang là thành cơng lớn nhất của cơng nghiệp kính trong thập kỷ gần đây.
Thực tế cho thấy sản phẩm kính phản quang đã tăng 13% từ năm 1990. Một trong số
những công nghệ mũi nhọn cuối những năm 1980 là hệ thống phân cách. Một vài nhà
sản xuất ở châu Âu đã ghép những tấm kính với độ dày khác nhau để lọc những dải âm
thanh khác nhau, trong khi một số khác thêm để giảm sự ô nhiễm tiếng ồn.
2 Sự phát triển của thủy tinh quang học
Những cửa hàng bán dụng cụ quang học cũng như những ngành công nghiệp thủy
tinh ban đầu cho rằng thủy tinh không thể tái tạo, khơng biết th ành phần cấu tạo và
tính chất của thủy tinh có liên quan với nhau.
Trước năm 1880 người ta chỉ biết đến thủy tinh cron và flint (xấp xỉ có 30 loại) (Thủy
tinh cron, bao gồm silicate vơi-soda, có chiết suất thấp và chỉ số Abbe cao, mặc dù
theo những quan điểm hiện tại số Abbe được đánh giá ở mức độ cao hơn. Thủy tinh
flint, chiết suất cao và số Abbe thấp, là đại diện duy nhất của silicat kiềm ch ì. Sự phân
biệt mới giữa cron và flint là chỉ số Abbe, thủy tinh flint có νd < 50 khi nd > 1.6, và νd
< 55 khi nd < 1.6. )


Năm 1880, Otto Schott mở rộng biểu đồ thủy tinh bằng việc tạo ra 2 loại thủy tinh
mới l à fluorine (νd rất cao và nd thấp) và boron (nd/νd vừa phải) và bắt đầu sử dụng
BaO (νd vừa phải, nd cao) làm thành phần của thủy tinh. Từ đó trong bản đồ thủy tinh
cịn có thủy tinh nặng (chiết suất lớn) v à nhẹ (chiết suất nhỏ) bên cạnh cron và flint.
Năm 1930, bắt đầu sử dụng các hợp chất khác nh ư đất hiếm (đặc biệt là lantan), Ti,

Zn hoặc P…. để làm hợp chất của thủy tinh ◊ mở rộng biểu đồ thủy tinh với nhiều loại
thủy tinh có tính chất v à thành phần hóa học khác nhau.
Phần IV. THUỶ TINH QUANG HỌC
4.1 Khái quát về thuỷ tinh quang học
Thủy tinh quang học là một thuật ngữ truyền thống cho tất cả các loại kính có ảnh
hưởng đến sự truyền sóng điện từ trong vùng từ 200nm đến 1500nm
Thủy tinh quang học được đặc trưng bởi 2 giá trị quang học chính:
- Chiết suất nd ( 1,4 – 2,0)
- Số Abbe vd (1/ độ tán sắc) ( 20 – 90 )
(Số Abbe: V=

với nD ; nF; nC lần lượt là chiết suất của vật liệu tại các

bước sóng của D – Fraunhofer: 589,2nm; 486,1nm; 656,3 nm. )
Thủy tinh quang học thường được sử dụng chủ yếu trong các bộ phận như thấu kính,
lăng kính trong các ứng dụng tạo hình ảnh, máy chiếu kỹ thuật số, thuyền thông,
truyền dẫn quang học v à kỹ thuật laze.
4.2 Cơng dụng của thủy tinh quang học
Thủy tinh có chứa Pb được biết đến trong thời gian dài, nó được sử dụng chủ yếu
trong thủy tinh quang học cũng như các thành phần khác, PbO đóng một vai trị quan
trọng vì nó làm tăng chiết suất, giảm số Abbe, ảnh hưởng đáng kể đến độ tán sắc, hệ số
lưỡng chiết = 0. Ngồi ra cịn oxit của As, Th, Cd cũng là thành phần của thủy tinh.
Tuy nhiên chúng rất độc hại đến môi trường sinh thái cũng như sức khỏe của con
người. Do vậy năm 1980 người ta đã cấm hoàn toàn sử dụng ThO2 và CdO trong việc
tạo màu cho thủy tinh quang học. Cuối thập niên 80, người ta cũng bắt đầu giảm dần
việc sử dụng Pb là thành phần của thủy tinh. Năm 1985, As2O3 cũng bị cấm.


Hiện nay người ta đã dùng một số chất thay thế như TiO2, Nb2O5, ZrO2, WO3. Việc
thay thế này làm thay đổi hầu hết các tính chất vật lý và quang học của thủy tinh. Tuy

nhiên cũng có những ưu điểm là độ trơ về mặt hóa học tăng lên, độ cứng cao, điểm
nóng chảy cao hơn và tỷ trọng thấp hơn.
4.3 Phân loại thuỷ tinh
Thủy tinh quang học được sắp xếp thành các nhóm theo nhiều tiêu chí khác nhau:
Thành phần hóa học, màu sắc, theo cơng dụng, … Ở đây, ta xem xét một số cách phân
loại thủy tinh chủ yếu.
Phân loại theo thành phần cấu tạo thủy tinh
Tất cả thủy tinh quang học thơng thường có thể được chia thành hai loại tùy
thuộc vào các thành phần chứa trong thủy tinh:
- Thủy tinh hữu cơ.
- Thủy tinh vơ cơ: Chủ yếu gồm hai nhóm chính:
+ Nhóm thủy tinh Crown (chứa Na2O, CaO).
+ Nhóm thủy tinh Flint (có chứa PbO).
Từ hai loại chính, thủy tinh quang học được chia thành 200 loại khác nhau với
những tính chất hồn toàn khác nhau.
Phân loại theo màu sắc của thủy tinh (theo độ tán sắc ánh sáng)
- Thủy tinh không màu: Loại thủy tinh khơng lọc được ánh sáng, thường có
dạng trong suốt.
- Thủy tinh có màu (kính màu hay kính lọc ánh sáng): Có khả năng hấp thụ
màu của ánh sáng tùy theo thành phần cấu tạo của nó và chỉ cho một số màu sắc ít bị
hấp thụ đi qua tạo nên màu của tấm thủy tinh.
Phân loại theo công dụng
- Thủy tinh quang học.
- Thủy tinh dân dụng.
- Thủy tinh hóa học và chịu nhiệt dùng trong phịng thí nghiệm.
- Thủy tinh kĩ thuật
. - Thủy tinh xây dựng.


- Thủy tinh phòng ngự

Mác thủy tinh

Chiết suất
nD

nF

ne

Hệ số nở dài

Nhiệt

Độ

Độ

Từ

Từ

độ

cứng

nhớt

200C-

200C-


thiêu

mài

kết

mòn

T0C

tương

0

60 C

0

120 C

g/c
m3

đối
Kron

LK5

1,4781


1,48319

1,47590

33

35

675

1,6

2,27

K8

1,5163

1,52195

1,51389

68

76

600

1,0


2,52

K14

1,5147

1,52067

1,51218

62

71

610

1,0

2,53

BK10

1,5688

1,57595

1,56581

65


71

660

0,7

3,12

SK2

1,5724

1,57942

1,56946

64

70

700

0,8

3,20

SK14

1,6130


1,62012

1,61000

63

69

680

0,7

3,51

KF4

1,5181

1,52428

1,51459

64

71

610

0,8


2,57

BF16

1,6709

1,68098

1,66679

78

84

665

0,5

4,02

BF25

1,6076

1,61697

1,60379

66


73

650

0,9

3,47

LF5

1,5749

1,58481

1,57089

66

72

570

0,8

3,23

F2

1,6164


1,62843

1,61159

74

76

540

0,6

3,60

F8

1,6248

1,63737

1,61980

95

101

500

0,7


3,61

SF1

1,7398

1,66119

1,64207

83

87

520

0,5

3,86

SF4

1,6475

1,75817

1,73243

77


82

490

0,6

4,65

CF1

1,5294

1,53661

1,52604

59

63

500

0,9

2,56

nhẹ
kron


Kron
Bari
Kron
nặng
Kron
flint
Flint
bari
Flint
nhẹ
flint

Flint
nặng
Flint
đặc


biệt
Bảng 1: Phân loại – kí hiệu và tính chất cơ bản của thuỷ tinh quang học
4.4 Thành phần của thủy tinh quang học

Hình 2: Hệ thống thành phần thuỷ tinh hiện đại

4.4.1 SiO2-B2O3-M2O
Hệ thống này được hình thành bởi sự tạo thành mạng SiO2 và B2O3. Oxit kiềm M2O
được bổ sung. Sự có mặt của B2O3 và oxit kiềm là cần thiết, khi tạo thủy tinh oxit SiO
2 có nhiệt độ nóng chảy cao. Việc bổ sung tăng tính kim loại cho các thủy tinh này.
Thủy tinh quang học B17 là một trong những thủy tinh ti êu biểu của hệ này. Đây là
thủy tinh quang học được sử dụng thường xuyên nhất và có thể sản xuất đồng loạt.

4.4.2 SiO2- B2O3-BaO + SiO2 -BaO- M2O
Nếu BaO được dùng như màng chính thay cho oxit ki ềm hoặc B2O3 thì sẽ tạo ra
một hệ thống thủy tinh lớn nữa. Ngược lại với những mạng oxit kiềm thổ khác, BaO
có những lợi thế h ơn hẳn. Bên cạnh PbO, không có oxit hóa trị 2 khác làm tăng chiết


suất mạnh như BaO. Hơn nữa, BaO cũng không làm giảm số Abbe, cũng không thay
đổi đường truyền UV đến những bước sóng lớn hơn như PbO. Thủy tinh có chứa BaO
thường có độ cứng tốt. Trong một vài loại thủy tinh, BaO một phần được thay thế bởi
ZnO.
4.4.3 (SiO2, B2O3)- M2O –MO
Để đạt được hệ thống thủy tinh này, oxit hóa trị 2 (MO) được thay thế cho B2O3.
Chỉ các oxit hóa trị 2 như ZnO, CaO, PbO được sử dụng. Để trơ về mặt hóa học cao và
độ kết tinh thể tốt, ZnO đặc biệt quan trọng v ì nó làm tăng độ bền với nước và axit
hơn CaO, xấp xỉ 10 wt%. Cũng có thể l àm giảm nhiệt độ nóng chảy bằng cách thay
thể ZnO cho SiO2 và để tăng kính kiềm mà khơng làm tổn hại đến độ bền. ZnO hiệu
quả h ơn B2O3. Việc sử dụng CaO là cho các sản phẩm thủy tinh có tính chất hóa học
v à độ bền cao. Độ bền hóa học của thủy tinh này tăng khi hàm lượng CaO tăng.
4.4.4 (, B2O3)- –PbO
Hệ thống này là sự pha trộn của hai hệ thống SiO2 –BaO-M2O và SiO2 – PbO –
M2O. Vì vậy những thủy tinh này đại diện cho một quá trình chuyển đổi từ một hệ
thủy tinh khác. Trong hệ SiO2 –BaO-M2O, ….

Phần V. THUỶ TINH MÀU
Màu của thủy tinh là so sự tắt dần hay sự khuếch đại ánh sáng tới trong vùng ánh
sáng nhìn thấy (380nm đến 760 nm). Dạng đường truyền qua theo bước sóng thường
được mơ tả bởi:

Độ
truyền

qua

Thơng lượng bức xạ phát xa
Thông lượng bức xạ tới.


Hình 3: Sự phụ thuộc màu của thuỷ tinh
Màu của thủy tinh phụ thuộc
 thành phần các ion có trong thủy tinh
 nồng độ các ion
 điều kiện oxi hóa khử trong suốt q trình nóng chảy.


Hình 4: Màu sắc của thành phần ion có trong thuỷ tinh

Phần VI: THUỶ TINH LASER
Thủy tinh laser là một vật liệu trạng thái rắn có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng
phát xạ cảm ứng. Dạng phổ biến nhất của nó là thủy tinh oxit nhiều thành phần được
kích thích bởi ion phát laser chẳng hạn nh ư Nd (neodymium).
Trong phần này, chúng ta chủ yếu nói đến thủy tinh đa thành phần trong sự đối lập
với SiO2 có pha nguyên tử đất hiếm. Những vật liệu này thường được dùng trong các
bộ khuếch đại sợi quang được pha tạp Er.
Thủy tinh laser được ứng dụng trong những hệ laser lớn trong các nghiên cứu nhiệt
hạch giam cầm quán tính ứng dụng cho khoa học năng lượng nhiệt hạch (một phương
pháp sản sinh năng lượng nhiệt hạch bằng cách nén một bao nang nhiên liệu đến mật
độ cao. Một loạt ch ùm tia laser không kết hợp tới trên một quả cầu điện môi trong
suốt trong chân không sẽ l àm cho nó co lại dưới áp suất để thu được sự nhiệt hạch hạt
nhân.) và vật lý vũ khí, ngồi ra thủy tinh laser cũng dần dần được sử dụng trong các
mơi trường cơng nghiệp và phịng thí nghiệm. Ví dụ, một ứng dụng dẫn đầu là lĩnh vực
rèn laser (laser shock peening).

Laser sốc peening (LSP) là một trong những quy trình cơng nghiệp mới
nhất cho biến dạng phần bề mặt. Khi chiếu một chùm tia laser xung trên một bề


mặt kim loại, nó tạo ra một đợt sóng chấn động đi qua các phơi; gây ra một
sóng làm biến dạng một lớp gần bề mặt. Để nâng cao hiệu lực, hai lớp giao
diện đ ược thêm vào giữa 6 laser và phần cần làm biến dạng. Chùm tia sẽ được
gửi vào một lớp phủ trong suốt mỏng (thường là nước, nhưng nó cũng có thể
thủy tinh hoặc thạch anh) và sau đó thơng qua một lớp phủ hấp thụ (một mỏng
màu đen sơn hoặc băng). Các lớp phủ và các hình thức bốc hơi và chuyển
thành plasma, do đó tạo ra sóng có biên độ mạnh, áp lực thời gian ngắn. Với
các thiết lập chính xác, áp lực của l àn sóng vượt quá sức mạnh sản lượng
năng động của kim loại, gây ra biến dạng dẻo giống nh ư rèn bắn thông
thường. Lớp phủ cũng ngăn cản các bề mặt kim loại khỏi bị tan mịn hoặc nóng
chảy.

Hình 6: Công nghệ rèn laser

Thủy tinh laser thương mại được chia làm 3 loại phụ thuộc vào cơ chế vận hành của
các hệ laser được dùng.
- loại thủy tinh laser được thiết kế cho công suất đỉnh cao
- loại thủy tinh laser cho cơng suất trung bình cao


- thủy tinh dùng trong ống dẫn sóng.
Một cách khác để phân loại thủy tinh laser là phân loại theo loại thủy tinh. Loại thủy
tinh laser đầu tiên được phát hiện là thủy tinh làm bằng silic điôxit (thông thường gọi
là kính silicat). Ngày nay, thủy tinh đa thành phần thủy tinh laser đa thành phần được
sử dụng phổ biến nhất là loại được làm bằng các hợp chất có Photpho. Những thủy
tinh này có chất lượng quang học cao có sẵn ở một số tác nhân với một vùng tạp chất

và mức tạp chất rộng, và đặc biệt cho hiệu suất vượt trội cản trở sự hư hại của laser khi
được vận hành trong các ứng dụng dòng cao.
PHẦN VI: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU THUỶ TINH
Thấu kính

Hình 7: Hình dạng và mặt phẳng chính của thấu kính đơn giản
Cáp quang
Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng
để truyền tín hiệu. Các sợi thủy tinh dài, mỏng thành phần của thủy tinh trong suốt
bằng đường kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang
và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa. Không giống như cáp
đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và truyền xa hơn
Gồm 2 loại cáp quang:
Ribbon: cáp quang dạng ruy-băng, chứa nhiều sợi quang bên trong.
Zipcord: hai sợi quang có vỏ ngồi liền nhau (như dây điện)
Một số ứng dụng khác
Thuỷ tinh bao bì
Thuỷ tinh bát đĩa, pha lê


Hình 8: Ứng dụng của thuỷ tinh trong đời sống hang ngày
Thuỷ tinh làm dụng cụ thí nghiệm, nhiệt kế
Thuỷ tinh tấm, gạch thuỷ tinh

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết quả đạt được từ nghiên cứu đề tài:
Sau quá trình tìm hiểu về vật liệu thủy tinh quang học và các ứng dụng của nó trong
cơng nghệ - kĩ thuật cũng như trong đời sống, nhóm em đã rút ra được nhiều kinh
nghiệm quý báu trong quá trình nghiên cứu các tài liệu khoa học, phân tích bảng biểu
số liệu và tổng hợp các kết quả nghiên cứu từ các phân tích tài liệu có được. Mặt khác,

q trình tìm kiếm tư liệu phục vụ cho đề tài cũng cung cấp rất nhiều kiến thức bổ ích
về đặc điểm của thủy tinh quang học, các yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm thủy
tinh, các công đoạn và phương pháp chế luyện thủy tinh, đặc biệt là nắm được cơ chế
áp dụng vật liệu tương thích để chế tạo các thiết bị quang và quang - điện tử trong kĩ
thuật. Qua quá trình tìm hiểu về đề tài vật liệu thủy tinh quang học, tôi đã tổng hợp
được một số các vấn đề cơ sở của công nghệ vật liệu như khảo sát các đặc tính quang
học của vật liệu thủy tinh và các kĩ thuật chế tạo và gia công thủy tinh. Về mặt ứng


dụng thực tế, đề tài đã tìm hiểu được các thông số, thiết kế và nguyên lý hoạt động của
một số dụng cụ và thiết bị quang học được sử dụng rộng rãi.
Những hạn chế của đề tài:
Bên cạnh các kết quả đã đạt được, do điều kiện thời gian thực hiện đề tài khá hạn
hẹp, mặt khác vừa học một số môn học ở trường đại học trong cùng thời gian thực
hiện đề tài nên đề tài chỉ đưa ra cơ sở lý thuyết cơ bản của công nghệ vật liệu thủy tinh
quang học. Bên cạnh đó, một nguyên nhân khách quan nữa là do điều kiện Việt Nam
chưa có nhiều ứng dụng cơng nghệ cao trong việc chế luyện thủy tinh và số lượng nhà
máy tinh luyện vẫn cịn hạn chế cho nên phần quy trình chế biến và gia công thủy tinh
chưa đi sâu vào các loại thủy tinh đặc biệt.
Hướng phát triển đề tài:
Trong quá trình thực hiện đề tài, do một số khó khăn vì thế đề tài mới chỉ dừng lại ở
việc tổng hợp các kết quả nghiên cứu từ các nguồn tư liệu khác nhau. Thủy tinh nói
chung và thủy tinh quang học nói riêng là loại vật liệu có tầm quan trọng đặc biệt đối
với các ứng dụng hiện đại trong lĩnh vực quang - điện tử hiện đại. Hiện nay, ở nước ta
các nhà máy mới chỉ dừng lại ở mức chế tạo các sản phẩm thủy tinh thông thường do
hạn chế về công nghệ và chủ yếu là sử dụng các loại thủy tinh công nghiệp từ các
nước phát triển hơn để nghiên cứu và sử dụng trong các thiết bị quang. Trong tương
lai, nếu có đầy đủ phương tiện và thời gian nghiên cứu lâu dài, đề tài hy vọng sẽ mở
rộng hướng nghiên cứu sâu hơn về các loại thủy tinh đặc biệt, phương pháp và phương
tiện sản xuất của chúng và các ứng dụng mới của thủy tinh quang học trong công nghệ

kĩ thuật số hiện đại.