Чтобы изготовить любой оптический прибор: телескоп, бинокль или камеру смартфона, − нужно стекло. И обычный материал, из которого делают окна или посуду, не подойдет. Необходимо специальное оптическое стекло, обладающее высокой прозрачностью, однородностью, чистотой и другими важными параметрами.
Производство такого стекла, без которого не обходится практически любая промышленность, − трудоемкий процесс. Существуют десятки видов оптического стекла, изготавливаемого под разные задачи. Качество технологий изготовления и обработки стекол для оптики может многое сказать в целом об уровне развития промышленности в стране.
Ведущим российским производителем оптического стекла и изделий из него является Лыткаринский завод оптического стекла (ЛЗОС), входящий в состав холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех. О том, как на предприятии варят стекло для гигантских телескопов, космических объективов и других устройств – в нашем материале.
Все начиналось с песка
Сегодня лыткаринское предприятие выпускает оптическое стекло и оптику для приборостроения, медицинской техники, объективов фотоаппаратов и других устройств. А начиналось все в 1930-х годах, когда в подмосковном тогда еще поселке, а сегодня городе Лыткарино разрабатывался песчаный карьер. Редкий по своей чистоте здешний кварцевый песок, отложения которого в доисторические времена были дном моря, должен был стать сырьем для производства высококачественного стекла. Поэтому в 1933 году в поселке начал строиться завод зеркальных отражателей. В 1946 году завод приступил к выпуску оптического стекла.
Песок и сегодня лежит в основе большинства стекол. Однако для производства оптического стекла в настоящее время применяют максимально чистый оксид кремния – бесцветные или беловатые кристаллы, обладающие высокой прочностью и твердостью.
В зависимости от требуемых свойств будущего стекла при варке к оксиду кремния добавляются различные ингредиенты: сода, оксид свинца, борная кислота, оксид или гидроксид алюминия, фториды, оксиды редкоземельных металлов и т.д. В случае с оптическим стеклом эти элементы всегда должны быть особо чистыми. Получаемая в итоге порошкообразная смесь, из которой дальше варится стекло, называется шихтой.
Горшочек, вари!
Варка шихты происходит в газовых стекловаренных печах в специальных горшках объемом 500-700 литров, выполненных из огнеупорного материала − шамота. Кроме самой шихты в горшки может добавляться стеклобой от прошлых варок, подходящий по качеству. Температура варки достигает 1400-1550 °C, а продолжается процесс обычно несколько суток.
На этом этапе из шихты и боя получается расплав, который нужно осветлить и гомогенизировать, то есть сделать однородным, что выполняется уже при максимально высоких температурах. Стекло в горшке нужно регулярно перемешивать, чтобы достичь однородности и избежать образования так называемых свиль – полосок стекла с отличающимся показателем преломления. Для этого применяют стекломешальные машины с керамическими мешалками.
В процессе варки несколько раз проводятся пробы полученного расплава, и если его характеристики устраивают, то варка заканчивается, или, как говорят на заводе, закрывается. Горшок остывает до нужного состояния, когда стекломассу можно переливать в форму. Для каждой марки стекла – а их могут быть десятки – прописаны свои режимы варки и остывания.
Охладиться в печи
Далее специальный шаржирный кран клещами достает горшок с расплавом из печи. Верхний, более холодный слой стекла, называемый стяжкой, снимается – в нем могут быть примеси или пузыри. Затем кран переворачивает горшок и выливает стекло в форму, где оно дальше будет остывать. Формы могут быть разного размера в зависимости от будущего предназначения стекла.
Остывание стекла в форме − тоже не такой простой процесс, как может показаться. Чтобы в разных слоях блока в процессе остывания не возникало напряжения, вызывающего разрушение, а также чтобы в итоге получить материал с нужными характеристиками, стекло охлаждается по определенному режиму. Остывание проходит в специальной печи и называется отжигом. Отжиг делится на предварительный и оптический (тонкий). Первый может длиться две-три недели, а второй – месяц и даже дольше.
Охлажденный блок вынимается из печи и проходит проверку отдела технического контроля. Если заготовка соответствует всем требованиям, она отправляется на участки разделки, где стекло режется, шлифуется, полируется и т.д. Например, стеклу для зеркал телескопов придается вогнутая сферическая или асферическая форма, а обработка ведется на станках с ЧПУ.
Сегодня на Лыткаринском заводе оптического стекла производят оптическое стекло для аэрокосмического мониторинга, медицинской техники, научных приборов и многих других устройств. Специалисты ЛЗОС принимали участие в создании оптики для крупнейших мировых телескопов в разных частях света, а недавно здесь изготовили уникальное зеркало для самого большого телескопа Алтайского оптико-лазерного центра им. Г.С. Титова, где занимаются сбором информации о космических аппаратах.
