本發(fā)明涉及一種主要用于航天空間星載星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的鑭火石LaF3系列空間耐輻照光學(xué)玻璃及其制備方法。

背景技術(shù)：

航天空間星載光學(xué)星敏感器在空間航天飛行器的精確姿態(tài)信息獲取與姿態(tài)控制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。光學(xué)星敏感器通過光學(xué)系統(tǒng)凝視將星空成像在探測器上，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量需要滿足空間航天飛行器長期在軌、姿態(tài)測量高精度需求。

對(duì)于中高軌道衛(wèi)星，需要有一種能夠適合中高軌道10年以上甚至滿足25年壽命需求的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)。由于太空空間環(huán)境中，高能量射線與粒子的空間輻射效應(yīng)長期累積將導(dǎo)致普通牌號(hào)光學(xué)玻璃設(shè)計(jì)構(gòu)成的星敏感器等類似的透射式光學(xué)系統(tǒng)透過率快速衰減至不透光，系統(tǒng)成像質(zhì)量降低甚至無法使用。國內(nèi)因缺少空間星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的抗輻照性能革新設(shè)計(jì)與加固所需的高品質(zhì)耐輻照光學(xué)玻璃材料，之前尚無此類長壽命(空間中高軌道、15至25年使用壽命)光學(xué)系統(tǒng)。

國內(nèi)耐輻照光學(xué)玻璃材料品種單一，使得中高軌道、長壽命航天空間載荷透射式光學(xué)系統(tǒng)的抗輻照能力設(shè)計(jì)與星載星敏感器關(guān)鍵性能提升受制于光學(xué)系統(tǒng)可選用的光學(xué)玻璃材料，因而航天空間星載星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大大增加，制約了我國在中高軌道、長壽命空間光學(xué)系統(tǒng)及載荷技術(shù)方面的發(fā)展。

對(duì)火石類光學(xué)玻璃，玻璃體系中PbO含量大增加了光學(xué)玻璃的熔制技術(shù)難度。從玻璃組成考慮，含鉛使光學(xué)玻璃的短波透過率出現(xiàn)下降，鉛含量越高下降越明顯；需要通過玻璃組分調(diào)整優(yōu)化及原料純度、雜質(zhì)含量和熔煉氣氛控制降低材料的紫外吸收，提高短波透過率。在熔制技術(shù)方面，為了減少直接熔煉火石類含鉛玻璃對(duì)貴金屬坩堝的侵蝕，含鉛玻璃之前大多采用粘土坩堝直接熔制，較難獲得高光學(xué)等級(jí)的光學(xué)玻璃產(chǎn)品，特別是光學(xué)玻璃中氣泡較難徹底消除，氣泡度等級(jí)較低，成品率低。而且含鉛光學(xué)玻璃在坩堝中高溫熔煉時(shí)特別容易揮發(fā)和分層，因此采用現(xiàn)有的制備方法難以獲得高光學(xué)品質(zhì)的含鉛光學(xué)玻璃。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前國內(nèi)耐輻照光學(xué)玻璃材料品種單一及含鉛光學(xué)玻璃制備困難的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鑭火石LaF3系列空間耐輻照光學(xué)玻璃及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種鑭火石LaF3系列空間耐輻照光學(xué)玻璃，其特征在于：原料成分及質(zhì)量配比為：13-16％的SiO₂、14-16％的B₂O₃、8-13％的Al₂O₃、39-42％的La₂O₃、11-16％的PbO、1-3％的ZnO、0-2％的CaO、0.5-2.5％的ZrO₂、1-2％的Y₂O₃、0.2-1.5％的CeO₂。

較佳的，SiO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.6-15.1％；B₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.2-15.7％；Al₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.2-9.9％；La₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.8-41.2％；PbO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5-15.2％；ZnO、CaO、Y₂O₃和ZrO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為4.3-6.7％。

本發(fā)明還提供一種鑭火石LaF3系列空間耐輻照光學(xué)玻璃的制備方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】按照權(quán)利要求1中的原料成分及質(zhì)量配比準(zhǔn)確稱量原料并混合均勻；

2】將混合均勻后的原料進(jìn)行高溫熔融、攪拌澄清與均化后得到無氣泡和條紋的高溫玻璃液；

3】采用漏注法成型大尺寸玻璃毛坯；

4】對(duì)玻璃毛坯進(jìn)行退火后得到鑭火石LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃。

上述步驟2】包括以下步驟：

2.1】將混合均勻后的原料加熱至1250℃預(yù)熔化；

2.2】保溫2h后，緩慢升溫至1380℃并用攪拌器進(jìn)行恒速提升和高速攪拌；

2.3】澄清均化5～7h后得到無氣泡和條紋的玻璃液。

上述步驟2】中還包括折射率調(diào)整的步驟：

2.4】取樣后加工折射率測試樣品；

2.5】測定樣品在587.6nm波長處的折射率n_d；

2.6】判斷n_d是否在1.7369±0.0003范圍內(nèi)；若是，則繼續(xù)攪拌提升5h后，執(zhí)行步驟3】；若否，則執(zhí)行步驟2.7】；

2.7】若n_d低于1.7366，則按0.53g/kg玻璃液的比例向玻璃液中加入硅酸鉛；若n_d高于1.7372，則按0.44g/kg玻璃液的比例向玻璃液中加入硼酸進(jìn)行折射率調(diào)整；

2.8】攪拌均勻并澄清后，返回步驟2.4】。

上述步驟3】包括以下步驟：

3.1】將高溫玻璃液在1℃/min的降溫速率下冷卻至1210℃；

3.2】將冷卻后的高溫玻璃液緩慢注入至預(yù)熱到440℃的模具中，進(jìn)行大尺寸玻璃毛坯成型。

上述步驟4】包括以下步驟：

4.1】將成型的玻璃毛坯脫模后轉(zhuǎn)入已升溫至650℃的馬弗爐中進(jìn)行粗退火，保溫12～24h后以2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以5℃/h的降溫速率冷卻至100℃，關(guān)閉馬弗爐使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫后獲得粗退火玻璃毛坯；

4.2】將粗退火玻璃毛坯用細(xì)粒度高純石英砂埋置于不銹鋼材質(zhì)的馬弗箱體中，然后將馬弗箱體置于退火爐中升溫至650℃；保溫48h后，以0.1～1.0℃/h的降溫速率降溫100℃，再以2℃/h的降溫速率冷卻至300℃，然后以4℃/h的降溫速率冷卻至100℃；關(guān)閉退火爐使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫后得到鑭火石LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃。

上述步驟1】中所使用的原料均為粒徑在80-100目的特定純干燥粉料。

上述步驟3.2】中的模具上方設(shè)置有蓋板。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、材料的高耐輻照性能。本發(fā)明提出的系列耐輻照光學(xué)玻璃材料中，如LaF503經(jīng)受總劑量為1×10⁵rad(Si)γ射線輻照后每厘米厚度上的光密度增量ΔD≤0.11，能夠滿足空間光學(xué)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)在太空環(huán)境中長期耐受高劑量累積輻照，可滿足其在空間高軌道、10～25年使用壽命的要求。

2、材料光學(xué)性能優(yōu)異。本發(fā)明中的混合粉料經(jīng)陶瓷坩堝預(yù)熔化為熟料、鉑金坩堝高溫熔融制備系列LaF3耐輻照光學(xué)玻璃的方法較易獲得無鉑金顆粒雜質(zhì)、光學(xué)性能優(yōu)異的耐輻照光學(xué)玻璃材料，其氣泡度可達(dá)到A0級(jí)、條紋度可達(dá)A級(jí)、光學(xué)均勻性可達(dá)1類、應(yīng)力雙折射可達(dá)1類，同一批次材料的折射率和色散系數(shù)的一致性為A級(jí)，耐酸性、耐潮性分別為2、1級(jí)。

3、通過本發(fā)明中特殊的精密退火熱處理工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)耐輻照光學(xué)玻璃材料的折射率n_d精確增值到1.7440±0.0002，并充分消除玻璃材料內(nèi)的應(yīng)力，可有效控制耐輻照光學(xué)玻璃與LaF3普通牌號(hào)光學(xué)玻璃具有同等光學(xué)常數(shù)，兩者的折射率差(±2×10^-4)和色散系數(shù)差值(±0.3％)可同時(shí)控制在0類，應(yīng)力雙折射低可達(dá)1類(<2nm/cm)。

4、材料系列化。通過優(yōu)化調(diào)整耐輻照光學(xué)玻璃組成和輻照穩(wěn)定劑含量，實(shí)現(xiàn)可見光短波透過率與耐高能射線輻照能力的平衡，兼顧空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)材料耐受不同空間輻射總劑量和短波透過率高低的不同側(cè)重要求，可制備獲得具有相近色散性質(zhì)的LaF303、LaF403、LaF503、LaF603、LaF703等系列耐輻照光學(xué)玻璃材料，用以滿足高、低軌道等不同耐輻照能力、不同設(shè)計(jì)壽命的空間投射/折射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和強(qiáng)核輻射環(huán)境下防護(hù)觀測光學(xué)窗口的使用要求。

5、本發(fā)明的空間耐輻照光學(xué)玻璃材料化學(xué)性能穩(wěn)定、適合批量化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明未輻照樣品(LaF303,LaF403,LaF503,LaF603,LaF703,10mm)的內(nèi)透過率曲線。

圖2為不同總劑量(1×10³rad(Si)、1×10⁴rad(Si)、1×10⁵rad(Si)、1×10⁶rad(Si))γ射線分別輻照后LaF503未鍍膜樣品(Ф20mm×2mm)的透過率光譜曲線。

具體實(shí)施方式

研制生產(chǎn)高軌道、長壽命空間光學(xué)載荷用LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃材料，豐富我國空間耐輻照光學(xué)玻璃材料庫的玻璃牌號(hào)種類，可從根本上解決空間光學(xué)系統(tǒng)抗輻射性能加強(qiáng)設(shè)計(jì)的材料支撐問題，助力我國的深空探測與高軌道衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展。另外，耐受高輻照劑量的耐輻照光學(xué)玻璃材料，也可作為強(qiáng)核輻射環(huán)境下的觀測光學(xué)窗口防護(hù)材料或作為系統(tǒng)關(guān)重件構(gòu)成成像光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用于原子能工業(yè)、高能物理與核放射性等重要領(lǐng)域。

為了滿足高、低軌道等不同耐輻照性能、不同使用壽命的空間星敏感器光學(xué)系統(tǒng)抗輻射性能加強(qiáng)設(shè)計(jì)和強(qiáng)核輻射環(huán)境下防護(hù)與成像光學(xué)系統(tǒng)對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃材料系列化的使用要求，本發(fā)明公開了一類鑭火石LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃材料及其關(guān)鍵制備工藝方法，通過結(jié)合玻璃組分調(diào)整、爐前折射率調(diào)制和精密退火工藝等關(guān)鍵控制點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精確控制LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃材料精退火后587.6nm折射率(n_d)在1.7440±0.0002范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(υ_d)在44.9±0.13范圍內(nèi)。

鑭火石LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃材料具體制備方法如下：

(1)按照表1中的成分及配比稱取原料并混合均勻。

表1 原料成分及配比(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))：

各氧化物成份配比之和為100％，根據(jù)各氧化物組分的重量百分?jǐn)?shù)稱取對(duì)應(yīng)原料混合均勻。

SiO₂、B₂O₃主要作為玻璃網(wǎng)絡(luò)生成體。其中，SiO₂總含量為13～16％，最優(yōu)為14～15％(wt)，它可降低玻璃的熱膨脹系數(shù)，提高玻璃的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、軟化溫度、耐熱性、硬度和機(jī)械強(qiáng)度等。B₂O₃總含量為14～16％，最優(yōu)為14.2-15.7％(wt)，可降低玻璃熔制溫度，同時(shí)改善玻璃上述性能，但當(dāng)其含量超過16％時(shí)，會(huì)增加該種玻璃的析晶傾向，降低玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性。

加入ZrO₂、ZnO、CaO和Al₂O₃、Y₂O₃用于調(diào)整玻璃的折射率及熱膨脹系數(shù)，提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能。同時(shí)，ZrO₂、Al₂O₃、Y₂O₃的加入可改善玻璃的析晶性能，提高玻璃、成玻穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可有效延長玻璃的料性，防止大尺寸漏注成型的玻璃毛坯在模具中冷卻過程中炸裂；又能對(duì)玻璃的折射率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。但ZrO₂、ZnO和Y₂O₃總含量不宜超過15％，否則會(huì)使該種玻璃易于失透，縮小成玻范圍，同時(shí)會(huì)增加玻璃的粘度，使玻璃熔制和成型溫度提高，制備更加困難；ZrO₂、CaO、ZnO和Y₂O₃的總和最優(yōu)為4.3～6.7％(wt)。網(wǎng)絡(luò)中間體氧化物Al₂O₃最優(yōu)為9.2～9.9％(wt)。

引入PbO可顯著提高玻璃折射率，但色散增加不大；但PbO含量過高時(shí)玻璃液高溫粘度較小、玻璃容易分層，玻璃中微小氣泡較多，不利于玻璃光性參數(shù)控制，同時(shí)PbO含量過高對(duì)剛玉莫來石陶瓷坩堝和鉑金坩堝的高溫侵蝕性均會(huì)增大。兼顧鑭火石玻璃的折射率與色散參數(shù)的設(shè)計(jì)調(diào)制，該種玻璃中PbO含量不宜超過16％，最優(yōu)為13.5～15.2％(wt)。

(2)將混合均勻的粉料分次加入剛玉莫來石陶瓷坩堝中，1250℃將混合粉料預(yù)熔化，保溫2h后，放入1350℃鉑金坩堝中，緩慢升溫控制鉑金坩堝中玻璃熔制溫度在1380℃左右，并用鉑金葉漿攪拌器進(jìn)行恒速提升和高速攪拌，使玻璃液攪拌均勻；澄清開始2h后，用取樣勺進(jìn)行爐前取樣，冷卻后加工角度為90°±1′的直角折射率測試樣品，測定樣品在587.6nm波長處的折射率n_d；爐前取樣折射率n_d控制在1.7369±0.0003范圍內(nèi)，若n_d偏低，向玻璃液中加入硅酸鉛(0.53g/kg玻璃液)可將折射率調(diào)高0.0001；若n_d偏高，向玻璃液中加入硼酸(0.44g/kg玻璃液)將折射率調(diào)低0.0001；n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值后，繼續(xù)澄清消除氣泡，取樣無氣泡后進(jìn)一步攪拌均化，消除玻璃因不均勻產(chǎn)生的條紋。

(3)待玻璃液澄清消除氣泡并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，將高溫玻璃液緩慢降?-1℃/min)到1210℃，經(jīng)由鉑金坩堝底部細(xì)長漏料嘴緩慢注入到已經(jīng)預(yù)熱到440℃的銅模具中，進(jìn)行大尺寸玻璃毛坯成型。

(4)將成型的玻璃脫模后快速轉(zhuǎn)入已升溫到退火溫度650℃的馬弗爐中進(jìn)行粗退火：650℃保溫12～24h，先以-2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以-5℃/h的降溫速率冷卻至100℃附近，關(guān)閉馬弗爐電源，使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫，取出玻璃毛坯。

(5)將粗退火玻璃毛坯用高純細(xì)粒度石英砂埋置于不銹鋼材質(zhì)馬弗箱體中部，四周均用石英砂填充滿，放置玻璃毛坯的馬弗箱體加蓋，用耐火三腳架隔開后放置于精退火爐中，進(jìn)行精密退火折射率增值和消除應(yīng)力處理：650℃保溫48h，先以-(0.1～1.0)℃/h的降溫速率降溫100℃，再分別以-2℃/h、-4℃/h的降溫速率冷卻至300℃、100℃，關(guān)閉精退火爐電源，使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫。

其中第(2)、(3)、(5)步驟的實(shí)際操作較為關(guān)鍵，混合粉料經(jīng)剛玉莫來石坩堝預(yù)熔化為玻璃態(tài)后再轉(zhuǎn)入到鉑金坩堝中澄清均化，可有效減少PbO組分高溫下對(duì)鉑金坩堝的侵蝕，避免帶入鉑金顆粒進(jìn)入玻璃中；硅碳棒電熔爐加熱高溫熔融玻璃過程中，采用鉑金葉漿攪拌器進(jìn)行提升攪拌，在一個(gè)坩堝內(nèi)先后實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫玻璃液的澄清、均化工序，高溫玻璃液攪拌均勻后通過爐前折射率取樣及外加高/低折射率組分調(diào)整坩堝中玻璃的折射率，精確控制n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值1.7369±0.0003，是后續(xù)經(jīng)過精密退火處理使玻璃n_d數(shù)值調(diào)制為1.7440±0.0002的前提保障。玻璃成型時(shí)高溫玻璃液經(jīng)由坩堝底部的細(xì)長漏料嘴緩慢注入到已經(jīng)預(yù)熱好的銅模具中；澆注開始后模具底部通氣冷卻，防止玻璃澆注過程中與銅模具粘在一起造成脫模困難；模具上方加蓋不銹鋼蓋板，防止成型玻璃表面冷卻過快周邊炸裂。

按照國標(biāo)《GB/T 7962.12—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第12部分：光譜內(nèi)透射比》，使用紫外-可見光-近紅外分光光度計(jì)對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的透過率進(jìn)行測量，獲得1cm厚樣品的內(nèi)透過率曲線。按照國標(biāo)《GB/T 7962.1—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第1部分：折射率和色散系數(shù)》測試獲得樣品在587.6nm、486.1nm、656.3nm波長處的折射率n_d、n_F、n_C，由計(jì)算得到阿貝數(shù)υ_d。按照GB/T 7962分別對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度、耐酸性、耐潮性進(jìn)行測試，根據(jù)《GB 903-87無色光學(xué)玻璃》判定相關(guān)性能的等級(jí)：

GB/T7962.2-2010 無色光學(xué)玻璃測試方法第2部分：光學(xué)均勻性斐索平面干涉法；

GB/T7962.5-2010 無色光學(xué)玻璃測試方法第5部分：應(yīng)力雙折射；

GB/T 7962.7-1987 無色光學(xué)玻璃測試方法條紋度測試方法；

GB/T7962.8-2010 無色光學(xué)玻璃測試方法第8部分：氣泡度；

GB/T7962.8-2010 無色光學(xué)玻璃測試方法第14部分：耐酸穩(wěn)定性；

GB/T7962.8-2010 無色光學(xué)玻璃測試方法第15部分：耐潮穩(wěn)定性。

⁶⁰Coγ射線電離輻照總劑量試驗(yàn)過程簡述如下：

1)依照《硫酸亞鐵劑量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB139-89)對(duì)輻照使用的Co-60γ射線源進(jìn)行劑量場的標(biāo)定；

2)對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記和輻照前檢查，測試試樣輻照前的透過率曲線；

3)依照標(biāo)定找到給定的劑量率線，將樣品的軸線放置在該劑量率線上，對(duì)樣品按照給定的劑量率進(jìn)行輻照試驗(yàn)。

4)依照輻照劑量＝輻照劑量率×輻照時(shí)間，確定試驗(yàn)總劑量對(duì)應(yīng)輻照時(shí)間；

5)輻照劑量(或時(shí)間)進(jìn)行累計(jì)，在樣品輻照劑量達(dá)到試驗(yàn)計(jì)劃總劑量或劑量點(diǎn)時(shí)，取出樣品立即用分光光度計(jì)測試輻照后的透過率曲線。

6)輻照試驗(yàn)劑量率：5×10³rad(Si)/h，總劑量分別達(dá)到：1×10³rad(Si)、1×10⁴rad(Si)、1×10⁵rad(Si)、1×10⁶rad(Si)、1×10⁷rad(Si)。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及測試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明：

表1 具體實(shí)施例中各成分的組成及相應(yīng)樣品的光學(xué)性能

實(shí)施例一：

按表2配方1^#中的玻璃組成重量百分比，稱取原料在塑料混料箱中混合均勻。將所配的粉料依次加入剛玉莫來石陶瓷坩堝中1250℃進(jìn)行預(yù)熔化，保溫后放入1350℃的鉑金坩堝中，通過碳化硅電熔爐加熱熔融，玻璃熔制溫度控制在1380℃左右，熔制時(shí)間為5～7h，在熔制過程中使用鉑金葉漿攪拌器對(duì)玻璃液進(jìn)行攪拌均化。高溫玻璃液攪拌均勻后，通過爐前折射率調(diào)制，精確控制n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值1.7369。繼續(xù)澄清消除氣泡并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，將高溫玻璃液緩慢降溫?210℃左右，通過坩堝底部漏料嘴注入到已經(jīng)預(yù)熱到400℃的銅模具中進(jìn)行玻璃毛坯成型，并快速將成型玻璃樣品脫模后放入已升溫到650℃退火溫度的馬弗爐中進(jìn)行粗退火：保溫12～24h后，先以-2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以-5℃/h的降溫速率冷卻至室溫。將粗退火玻璃毛坯進(jìn)行精密退火處理：用高純石英砂埋置在不銹鋼材質(zhì)馬弗箱體中，在精退火爐中，保溫48h，先以-0.2℃/h的降溫速率降溫100℃，再分別以-2℃/h、-4℃/h的降溫速率冷卻至300℃、100℃附近，關(guān)閉電源使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫。

取精密退火后的樣品，加工一個(gè)折射率測試直角樣品，按照國標(biāo)《GB/T7962.1—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第1部分：折射率和色散系數(shù)測試方法》測試獲得LaF303樣品在587.6nm、486.1nm、656.3nm波長處的折射率n_d、n_F、n_C，其中n_d為1.7439，精密退火后折射率增值0.0070；計(jì)算得到其阿貝數(shù)υ_d為45.00。

將退火后的樣品加工成厚度分別為5mm±0.05mm和15mm±0.05mm的兩通光面拋光的樣品，按照國標(biāo)《GB/T 7962.12—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第12部分：光譜內(nèi)透射比》，使用紫外—可見光—近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的透過率進(jìn)行測量，獲得厚度為10mm樣品的內(nèi)透過率曲線，LaF303材料在470nm波長的內(nèi)透過率τ₄₇₀為97.0％；按照GB/T 7962分別對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度進(jìn)行測試，其等級(jí)分別為1、1、A、A₀級(jí)，耐酸性、耐潮性分別為2級(jí)、1級(jí)；經(jīng)1×10³rad(Si)γ射線輻照后，每厘米厚度上對(duì)應(yīng)470nm的光密度增量ΔD為0.06。

實(shí)施例二：

按表2配方2^#中的玻璃組成重量百分比，稱取原料在塑料混料箱中混合均勻。將所配的粉料依次加入剛玉莫來石陶瓷坩堝中1250℃進(jìn)行預(yù)熔化，保溫后放入1350℃的鉑金坩堝中，通過碳化硅電熔爐加熱熔融，熔制溫度控制在1380℃左右，熔制時(shí)間為5～7h，在熔制過程中使用鉑金葉漿攪拌器對(duì)玻璃液進(jìn)行攪拌。高溫玻璃液攪拌均勻后，通過爐前折射率取樣及加入高/低折射率組分，精確控制n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值1.7371。繼續(xù)澄清消除氣泡并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，將高溫玻璃液緩慢降溫?210℃左右，通過坩堝底部漏料嘴注入到已經(jīng)預(yù)熱到400℃的銅模具中進(jìn)行玻璃毛坯成型，并快速將成型玻璃樣品脫模后放入已升溫到650℃退火溫度的馬弗爐中進(jìn)行粗退火：保溫12～24h后，先以-2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以-5℃/h的降溫速率冷卻至室溫。將粗退火玻璃毛坯進(jìn)行精密退火處理：用高純石英砂埋置在不銹鋼材質(zhì)馬弗箱體中，在精退火爐中，保溫48h，先以-0.5℃/h的降溫速率降溫100℃，再分別以-2℃/h、-4℃/h的降溫速率冷卻至300℃、100℃附近，關(guān)閉電源使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫。

取精密退火后的樣品，加工一個(gè)折射率測試直角樣品，按照國標(biāo)《GB/T7962.1—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第1部分：折射率和色散系數(shù)測試方法》測試獲得LaF403樣品在587.6nm、486.1nm、656.3nm波長處的折射率n_d、n_F、n_C，其中n_d為1.7442，精密退火后折射率增值0.0071；計(jì)算得到其阿貝數(shù)υ_d為44.79。

將退火后的樣品加工成厚度分別為5mm±0.05mm和15mm±0.05mm的兩通光面拋光的樣品，按照國標(biāo)《GB/T 7962.12—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第12部分：光譜內(nèi)透射比》，使用紫外—可見光—近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的透過率進(jìn)行測量，獲得厚度為10mm樣品的內(nèi)透過率曲線，LaF403材料在470nm波長的內(nèi)透過率τ₄₇₀為95.6％；按照GB/T 7962分別對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度進(jìn)行測試，其等級(jí)分別為1、1、A、A₀級(jí)，耐酸性、耐潮性分別為2級(jí)、1級(jí)；經(jīng)1×10⁴rad(Si)γ射線輻照后，每厘米厚度上對(duì)應(yīng)470nm的光密度增量ΔD為0.08。

實(shí)施例三：

按表2配方3^#中的玻璃組成重量百分比，稱取原料在塑料混料箱中混合均勻。將所配的粉料依次加入剛玉莫來石陶瓷坩堝中1250℃進(jìn)行預(yù)熔化，保溫后放入1350℃的鉑金坩堝中，通過碳化硅電熔爐加熱熔融，熔制溫度控制在1380℃左右，熔制時(shí)間為5～7h，在熔制過程中使用鉑金葉漿攪拌器對(duì)玻璃液進(jìn)行攪拌。高溫玻璃液攪拌均勻后，通過爐前折射率調(diào)制，精確控制n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值1.7370。繼續(xù)澄清消除氣泡并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅瑢⒏邷夭Ａб壕徛禍刂?210℃左右，通過坩堝底部漏料嘴注入到已經(jīng)預(yù)熱到380℃的銅模具中進(jìn)行玻璃毛坯成型，并快速將成型玻璃樣品脫模后放入已升溫到650℃退火溫度的馬弗爐中進(jìn)行粗退火：保溫12～24h后，先以-2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以-5℃/h的降溫速率冷卻至室溫。將粗退火玻璃毛坯進(jìn)行精密退火處理：用高純石英砂埋置在不銹鋼材質(zhì)馬弗箱體中，在精退火爐中，保溫48h，先以-1.0℃/h的降溫速率降溫100℃，再分別以-2℃/h、-4℃/h的降溫速率冷卻至300℃、100℃附近，關(guān)閉電源使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫。

取精密退火后的樣品，加工一個(gè)折射率測試直角樣品，按照國標(biāo)《GB/T7962.1—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第1部分：折射率和色散系數(shù)測試方法》測試獲得LaF503樣品在587.6nm、486.1nm、656.3nm波長處的折射率n_d、n_F、n_C，其中n_d為1.7440，精密退火后折射率增值0.0070；計(jì)算得到其阿貝數(shù)υ_d為44.82。

將退火后的樣品加工成厚度分別為5mm±0.05mm和15mm±0.05mm的兩通光面拋光的樣品，按照國標(biāo)《GB/T 7962.12—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第12部分：光譜內(nèi)透射比》，使用紫外—可見光—近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的透過率進(jìn)行測量，獲得厚度為10mm樣品的內(nèi)透過率曲線，LaF503材料在470nm波長的內(nèi)透過率τ₄₇₀為94.2％；按照GB/T 7962分別對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度進(jìn)行測試，其等級(jí)分別為1、1、A、A₀級(jí)，耐酸性、耐潮性分別為2級(jí)、1級(jí)；經(jīng)1×10⁵rad(Si)γ射線輻照后，每厘米厚度上對(duì)應(yīng)470nm的光密度增量ΔD為0.11。

實(shí)施例四：

按表2配方4^#中的玻璃組成重量百分比，稱取原料在塑料混料箱中混合均勻。將所配的粉料依次加入剛玉莫來石陶瓷坩堝中1250℃進(jìn)行預(yù)熔化，保溫后放入1350℃的鉑金坩堝中，通過碳化硅電熔爐加熱熔融，熔制溫度控制在1380℃左右，熔制時(shí)間為5～7h，在熔制過程中使用鉑金葉漿攪拌器對(duì)玻璃液進(jìn)行攪拌。高溫玻璃液攪拌均勻后，通過爐前折射率調(diào)制，精確控制n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值1.7368。繼續(xù)澄清消除氣泡并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，將高溫玻璃液緩慢降溫?210℃左右，通過坩堝底部漏料嘴注入到已經(jīng)預(yù)熱到390℃的銅模具中進(jìn)行玻璃毛坯成型，并快速將成型玻璃樣品脫模后放入已升溫到650℃退火溫度的馬弗爐中進(jìn)行粗退火：保溫12～24h后，先以-2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以-5℃/h的降溫速率冷卻至室溫。將粗退火玻璃毛坯進(jìn)行精密退火處理：用高純石英砂埋置在不銹鋼材質(zhì)馬弗箱體中，在精退火爐中，保溫48h，先以-0.2℃/h的降溫速率降溫100℃，再分別以-2℃/h、-4℃/h的降溫速率冷卻至300℃、100℃附近，關(guān)閉電源使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫。

取精密退火后的樣品，加工一個(gè)折射率測試直角樣品，按照國標(biāo)《GB/T7962.1—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第1部分：折射率和色散系數(shù)測試方法》測試獲得LaF603樣品在587.6nm、486.1nm、656.3nm波長處的折射率n_d、n_F、n_C，其中n_d為1.7440，精密退火后折射率增值0.0072；計(jì)算得到其阿貝數(shù)υ_d為44.93。

將退火后的樣品加工成厚度分別為5mm±0.05mm和15mm±0.05mm的兩通光面拋光的樣品，按照國標(biāo)《GB/T 7962.12—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第12部分：光譜內(nèi)透射比》，使用紫外—可見光—近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的透過率進(jìn)行測量，獲得厚度為10mm樣品的內(nèi)透過率曲線，LaF603材料在470nm波長的內(nèi)透過率τ₄₇₀為89.5％；按照GB/T 7962分別對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度進(jìn)行測試，其等級(jí)分別為1、1、A、A₀級(jí)，耐酸性、耐潮性分別為2級(jí)、1級(jí)；經(jīng)1×10⁶rad(Si)γ射線輻照后，每厘米厚度上對(duì)應(yīng)470nm的光密度增量ΔD為0.15。

實(shí)施例五：

按表2配方5^#中的玻璃組成重量百分比，稱取原料在塑料混料箱中混合均勻。將所配的粉料依次加入剛玉莫來石陶瓷坩堝中1250℃進(jìn)行預(yù)熔化，保溫后放入1350℃的鉑金坩堝中，通過碳化硅電熔爐加熱熔融，熔制溫度控制在1380℃左右，熔制時(shí)間為5～7h，在熔制過程中使用鉑金葉漿攪拌器對(duì)玻璃液進(jìn)行攪拌。高溫玻璃液攪拌均勻后，通過爐前折射率調(diào)制，精確控制n_d達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值1.7370。繼續(xù)澄清消除氣泡并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，將高溫玻璃液緩慢降溫?210℃左右，通過坩堝底部漏料嘴注入到已經(jīng)預(yù)熱到370℃的銅模具中進(jìn)行玻璃毛坯成型，并快速將成型玻璃樣品脫模后放入已升溫到650℃退火溫度的馬弗爐中進(jìn)行粗退火：保溫12～24h后，先以-2℃/h的降溫速率降溫100℃，再以-5℃/h的降溫速率冷卻至室溫。將粗退火玻璃毛坯進(jìn)行精密退火處理：用高純石英砂埋置在不銹鋼材質(zhì)馬弗箱體中，在精退火爐中，保溫48h，先以-0.5℃/h的降溫速率降溫100℃，再分別以-2℃/h、-4℃/h的降溫速率冷卻至300℃、100℃附近，關(guān)閉電源使玻璃樣品隨爐自然降溫至室溫。

取精密退火后的樣品，加工一個(gè)折射率測試直角樣品，按照國標(biāo)《GB/T7962.1—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第1部分：折射率和色散系數(shù)測試方法》測試獲得LaF703樣品在587.6nm、486.1nm、656.3nm波長處的折射率n_d、n_F、n_C，其中n_d為1.7441，精密退火后折射率增值0.0071；計(jì)算得到其阿貝數(shù)υ_d為44.86。

將退火后的樣品加工成厚度分別為5mm±0.05mm和15mm±0.05mm的兩通光面拋光的樣品，按照國標(biāo)《GB/T 7962.12—2010無色光學(xué)玻璃測試方法第12部分：光譜內(nèi)透射比》，使用紫外—可見光—近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的透過率進(jìn)行測量，獲得厚度為10mm樣品的內(nèi)透過率曲線，LaF703材料在470nm波長的內(nèi)透過率τ₄₇₀為84.8％；按照GB/T 7962分別對(duì)耐輻照光學(xué)玻璃樣品的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度進(jìn)行測試，其等級(jí)分別為1、1、A、A₀級(jí)，耐酸性、耐潮性分別為2級(jí)、1級(jí)；經(jīng)1×10⁷rad(Si)γ射線輻照后，每厘米厚度上對(duì)應(yīng)470nm的光密度增量ΔD為0.18。

選取可滿足空間高軌道、15至25年使用壽命要求的空間光學(xué)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以采用的LaF503耐輻照光學(xué)玻璃，材料的內(nèi)透過率曲線如圖1所示，LaF503玻璃材料在470nm波長的內(nèi)透過率τ₄₇₀為94.2％。LaF503玻璃材料經(jīng)過總劑量分別為1×10³rad(Si)、1×10⁴rad(Si)、1×10⁵rad(Si)、1×10⁶rad(Si)的γ射線輻照后的透過率曲線如圖2所示，與未輻照的LaF503玻璃材料相比，每厘米厚度上對(duì)應(yīng)470nm的光密度增量ΔD分別為0.003、0.011、0.10和0.49。

由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明鑭火石LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃的制備方法為：以高純石英砂、硼酸、氧化鋁、氧化鑭和氧化鉛為主要組成，添加少量氧化鋯、氧化釔和輻照穩(wěn)定劑氧化鈰，通過陶瓷坩堝預(yù)熔化原料混合料、鉑金坩堝高溫熔化澄清與均化，熔制過程中通過外加組分微調(diào)精確控制玻璃折射率，用漏料法成型大尺寸玻璃毛坯，再經(jīng)過精密退火工藝最后實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃折射率增值的精確控制，獲得高光學(xué)質(zhì)量、鑭火石LaF3系列耐輻照光學(xué)玻璃材料。該方法制備的LaF3系列耐輻照玻璃材料氣泡度為A0級(jí)，條紋度A級(jí)，光學(xué)均勻性1類，應(yīng)力雙折射可達(dá)1類，同一批次材料的折射率和色散系數(shù)的一致性為A級(jí)，其中LaF503玻璃材料輻照前(厚度為10mm)在470nm處的內(nèi)透過率≥94.2％，經(jīng)受總劑量為1×10⁵rad(Si)γ射線輻照后每厘米厚度上的光密度增量ΔD≤0.11；該玻璃材料能夠滿足空間光學(xué)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)在空間環(huán)境中長期耐受高劑量輻照，可滿足空間高軌道、15至25年使用壽命要求。耐輻照光學(xué)玻璃的折射率和色散系數(shù)與的普通不耐輻照的LaF3牌號(hào)光學(xué)玻璃的標(biāo)準(zhǔn)的折射率和色散系數(shù)差值可控制在0類，兩者具有同等光學(xué)常數(shù)；制備的耐輻照光學(xué)玻璃材料化學(xué)性能穩(wěn)定、適用于大批量生產(chǎn)。通過優(yōu)化調(diào)整玻璃組成和輻照穩(wěn)定劑含量，可獲得可見光短波透過率高低可調(diào)、具有相同色散性質(zhì)的系列耐輻照光學(xué)玻璃材料，可滿足高、低軌道等不同耐輻照性能要求、不同使用壽命的星敏感器設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。大大豐富我國耐輻照光學(xué)玻璃材料牌號(hào)，為空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加更多選擇。