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中国第一埚光学玻璃的诞生及发展

导读: 在列强争夺的世界环境中,作为光学技术的核心——光学玻璃的制造技术一直是十分保密的。光学玻璃的系列产品是在20世纪初叶,由德国著名光学家阿贝(E.Abbe)和化学家肖特(O.Schott)合作建立。

干福熹院士 中科院上海光学精密机械研究所  

 

        1 建设中国光学玻璃研究和开发中心

  在列强争夺的世界环境中,作为光学技术的核心——光学玻璃的制造技术一直是十分保密的。光学玻璃的系列产品是在20世纪初叶,由德国著名光学家阿贝(E.Abbe)和化学家肖特(O.Schott)合作建立。在第一次世界大战中,由于德国的禁运,美国被迫自己解决制造光学玻璃,战后写出了一本光学玻璃制造的书,但属于内部作品。俄国十月革命后,苏联建立了国家光学研究所,最初重要的成就之一就是掌握了光学玻璃制造技术。苏联玻璃界的前辈加察罗夫写出光学玻璃一书,也是内部的。传说在第二次世界大战中,为封锁德国对其同盟国-日本的光学玻璃供应,美国在太平洋击沉了一只运送光学玻璃的潜艇。

  新中国成立后,为加强中国军用和民用光学仪器的发展,在长春筹建中国科学院仪器馆(长春光学精密机械研究所的前身,简称长春仪器馆)时,王大珩先生就感到光学玻璃在新中国建设中的迫切需要,向当时的东北人民政府申请了40万元的专款,并邀请龚祖同先生加入长春仪器馆,负责光学玻璃的试制工作。龚祖同先生十分兴奋,欣然接受这份工作,并积极投入研制中。从1951年春提出设计试制车间任务书后,即刻奔走联系建筑设计和施工单位,当年动工,并完成厂房的建造。当时,只有刘颂豪刚从大学毕业分配来,即协助龚先生工作。1952年秋,我和一批年轻人(包括王世焯、陈庆云、张佩环、沃新能等),因国家建设需要,提前从大学毕业,分配到长春仪器馆,到了光学玻璃实验室工作。当年就分别成立了化学组、原料和配料组、坩埚组、熔制组、检验组和行政组。陈庆云和张佩环负责原料和玻璃化学分析组;王世焯负责配料和采购玻璃原料;沃新能负责检验组,建立了玻璃光学性质的测试,以及气泡、条纹和光学均匀性的检验;300L容积的大坩埚是一个关键材料,由龚祖同先生亲自指挥刚学义等老师傅做坩埚工作,行政组由“红小鬼”康永华来领导,他15岁参军,过去一直在部队工作。刘颂豪是龚祖同先生的一位得力助手和业务秘书,协助龚先生管理和领导全室工作。我担任了熔制组组长,与我一起工作的还有从上海招聘来的两名中学生:马仲堂和孙仲鸣,以及一批有熔制一般器皿玻璃经验的老师傅。我们从修复煤气炉、设计油喷雾器、敷设煤气和油管道、定制特型耐火材料和建造炉窑等做起。

  1952年这一年中,我们正是从无到有,搭建起光学玻璃的熔制车间,在大学里我们都没有学过有关硅酸盐和玻璃技术的课程,一切都是在“做什么,学什么”中磨炼成长起来,大家意气风发,踌躇满怀。

  2 第一埚光学玻璃的诞生和生产工艺的改进

  1952年7月,坩埚组制造出300L大坩埚,10月中旬大玻璃熔炉开始烤炉,其间经历了坩埚几次在烤烧过程中开裂而遭受失败;有时坩埚已加热到1400℃,开始加玻璃生料,而到熔化时,又破裂了。大家不怕炉前高温,把破裂的坩埚取出,还要把流入炉内的玻璃液清除。这种场面十分感人,没有人畏怯和逃避。龚祖同先生夜以继日和我们一起生活在炉边,大家全身心地把精力灌注炉内坩埚里的玻璃中。1953年的阴历除夕,第一次获得了300L一大坩埚的光学K-8玻璃。接着又成功地熔化了两埚(见图1)。这是一个欢欣鼓舞的新春。龚祖同先生讲:“一生的重担从此获得解脱,这是我毕生最幸福的日子。此生此事永志不忘。”更为可喜的是,从今往后把中国第一埚光学玻璃诞生的事迹,列入光学玻璃厂培养青年一代的教育范例。

  图1 中国第一埚光学玻璃诞生

  (上左)1952年中科院仪器馆光学玻璃试制车间;(上右)光学玻璃出炉浇注;(下)第一埚光学玻璃

  1953年,光学玻璃试制成功以后,进入巩固和提高阶段。首先是扩大光学玻璃品种。我们都是在龚祖同先生直接指导下工作的。当时我拿到的一份资料,就是抗日战争时期派人到美国去学习带回来的。这份资料中只有十几种(普通冕牌和火石)光学玻璃的化学成分和熔制规程图。另外就是龚先生介绍我去阅览的,旅美科学家孙观汉发表在美国陶瓷学会杂志(JournalofAmericanCeramicSociety)中有玻璃光学性质的计算文章。我们先在电炉小坩埚中熔炼从硼冕到火石,又到钡冕光学玻璃,并且取得一批在炉前校正玻璃光学常数的数据。然后在大熔炉中一埚埚地试验,取得不同品种的光学玻璃的化学成分和熔制规程。这时我体会到光学玻璃是多品种的、含有多种化学成分,要知道玻璃的光学性质和成分的关系是十分重要的,如事先能预测到制成后的玻璃光学性质是很必要。从中隐藏了以后我想从玻璃的化学成分去计算熔制后玻璃的物理性质的打算。

  1953年又分配来一批提前毕业的大学生,特别是来自华南工学院(现华南理工大学)的3位成员:姜中宏,他和我一起在熔制组;钟奖生,由王大珩先生指导,负责光学玻璃退火(1964年调到上海新沪玻璃厂,负责研制直径1.5m微晶玻璃成功后,1978年去美国定居);秦启灼负责玻璃粘土坩埚制造。从唐山工学院调来张东祺讲师,加强了光学玻璃检验和热处理的领导。

  1954~1956年,在光学玻璃制造过程中有两件较大的工艺改革:一件是在工艺上,从经典法(熔炼成的光学玻璃与坩埚一起取出,在隔热罩下自然冷却,坩埚和玻璃在冷却时炸裂,然后在室温中挑选品质好的玻璃块),发展到浇铸法(熔炼成的光学玻璃与300L半吨重以上坩埚从高温中取出,浇铸入预热的铁模中,然后一起送入精密退火炉,逐渐冷却下来)。由此很大地提高了成品率,并能获得大尺寸的光学玻璃毛坯。

  第二件是光学玻璃对玻璃光学均匀性要求极高,退火后的光学玻璃毛坯的折射率差(△n)要达到10-6。所以,与其他品种玻璃熔制中十分不同的是高温熔炼过程中玻璃液要搅拌。开始,我们参考从美国带来的资料,采用指形高温耐火材料制成的搅拌棒。1956年学习苏联的先进经验,启用了螺旋形搅拌桨,提高了玻璃液的均匀性。这件事从试制螺旋形搅拌桨和搅拌机到实用只花了一年的时间。

  3  在昆明筹建中国第一条光学玻璃生产线

  20世纪50年代,中国生产军用和民用光学仪器所需的光学玻璃,主要从国际市场上采购,但当时受禁运的限制,只能买到最普通的光学玻璃。为当时的急需和今后人才培养,原国家第五机械部(兵器工业部)决定在国内最大的光学兵器厂(昆明298厂)筹建光学玻璃生产车间,并由中科院仪器馆派人负责技术。1956年初,王大珩先生派我去筹建,并向第五机械部提出,对我要以“专家”相待,乘飞机前往。因为当时从北京到昆明乘火车和长途汽车要一周多时间。1956年3月我去昆明,当时,我年纪不到24岁,初出茅庐,第一次乘飞机,连手表也没有,买了一只双铃马蹄闹钟,事先约了早上去民航办事处的三轮车,乘上20~30只座位的苏制双螺旋桨小飞机,飞越秦岭时,颠簸得很厉害,呕吐后我昏昏沉沉地抵达了昆明。

  我在昆明298厂工作了3个月,做的第一件事是,我和该厂的工程技术人员设计了光学玻璃车间的厂房,布置了工艺流程和设备、坩埚制备,以及生产第一批光学玻璃的配方、原料供应等。这相当于我们近4年研制光学玻璃的总结。第二件事是,我配合当时从苏联请来的援助专家库列晓娃,参加了苏联援建光学玻璃厂的选址(最后选在成都,即以后的五机部成都208厂),库列晓娃为光学玻璃的工艺师,她不太懂建厂设计等,但带来了整套制造光学玻璃的工艺资料,我从中获得不少有用的信息,最主要的一件事,就是知道了用螺旋桨式的搅拌,可很大程度地提高光学玻璃的均匀性。我及时把资料转寄到长春,隔了3个月,当库列晓娃工程师访问长春光机所时,看到我们已用上了螺旋桨式的搅拌工艺,她无比惊讶。

  3个月后,因为中科院要派我去苏联学习,我返回长春。以后昆明光学玻璃车间的建设由刘颂豪和姜中宏先后负责。从1956年到1959年,长春光学玻璃研制基地做了大量推广工作,接待了从全国各地来的人员培养,并供给资料,毫无保留地提供设备图纸和玻璃配方。特别对昆明298厂和上海新沪光学玻璃厂,他们的工程技术人员和老师傅都是配套地来长春学习,以后都成为光学玻璃领域中的生产骨干。

  插曲:1956年秋,我经过2个月突击学习俄语后,去苏联科学院实习。临走前王大珩、龚祖同两位先生多次向中科院和参加中国十二年科技发展规划的苏联有关专家建议,希望我能到苏联国家光学研究所学习光学玻璃。由于国家光学研究所是苏联保密单位,不准许外国人进入工作学习,我只能在苏联科学院硅酸盐化学所学习,请曾在国家光学研究所光学玻璃方面工作过的阿本教授作为我的导师。当时还是中苏友好时期,1957年夏季苏联方面还是安排我到一所光学玻璃生产厂去实习,中国科学院向苏联科学院为我办理了可接触保密部门的手续。这家光学玻璃生产厂建在莫斯科郊区的森林中,这个小镇里从未来过外国人,我住在该厂保卫科科长的家里。第二天出来接待我的是该厂技术科科长库列晓娃工程师(即昆明298厂的苏联援助专家)。我们两人都十分惊奇能在此地相逢。她热情地陪我参观了整个工厂,这时我才知道这个厂所有技术工作都直接由苏联国家光学研究所控制。最后库列晓娃陪我到保密资料室,我在这保密室里可查看资料,也可作笔记记录,但不能带出门,包括我的笔记本都要交回。很侥幸,他们允许我用中文记录。这样,我在这保密资料室整整泡了好几天。最后,我的笔记本给寄到苏联科学院硅酸盐化学所的保密室。经过交涉,他们友好地同意,我的笔记本可通过中国驻苏联大使馆寄回中国。这对当时长春光机所的光学玻璃研究起了较大的作用。

  到1959年秋,我已完成了副博士论文答辩,我请求在苏联再进行一次业务考察访问,也请中国驻苏大使馆向苏联科学院办理了保密手续。1959年底,我虽然又访问了俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰的一些大学和研究所,但已无法再接触保密单位。

  这时,中、苏两方在布加勒斯特会议上已出现了政治上的分歧,虽然外面看来还觉察不到。1960年初我从苏联回国,仍回到当时已改称中科院光学精密机械研究所光学材料部门,继续我的光学玻璃研制工作。

  4  《光学玻璃》专著出版

  1956年初,龚祖同先生曾向我提出要总结这四年的研制工作成果。但是该年我先去了昆明298厂,帮助筹建光学玻璃生产车间,接着又准备去苏联学习,未能完成龚祖同先生的嘱托。1960年初我从苏联回国,仍回到长春光机所光学材料研究部工作,这时龚祖同先生从1958年起已转入红外变像管研究,所以他又要求我总结已有7~8年的光学玻璃的研制工作,我便开始思考写《光学玻璃》这本专著。这是集体研究的成果,是全体研究人员的工作结晶,而我,仅是这本书的编辑者和主要撰写者之一(图2为《光学玻璃》(1964版))。

  图2《光学玻璃》(1964版,科学出版社出版)

  1960年到1963年正遇我们国家经历三年自然灾害的困难时期,大家肚子都吃不饱,但都仍然夜以继日地撰写在研制光学玻璃工作中经历过的层层点滴。1964年10月,《光学玻璃》(第一版)由科学出版社出版,问世后,很快在中国玻璃界流传。20世纪70~80年代,这本书不仅作为光学材料专业方面的必读课本,而且也成为全国玻璃专业的重要参考书。现在我常听到玻璃界40~50多岁的业务骨干讲:我们是读了你的书成长的。我听了也感到十分欣慰。1978年全国科学大会上此书获得中国科学院重大科技成果奖(见图3),一本著作能得到如此荣誉,这是对当时光学玻璃研发基地集体的鞭策和鼓励。

  图3  1978年《光学玻璃》专著获中国科学院重大科技成果奖

  因为这本书是用中文写的,所以它在亚洲流传。1978年北京玻璃厂从日本保谷玻璃公司引进眼镜玻璃片的连续生产线,保谷公司的光学玻璃技术的总负责人泉谷彻郎(Izumitani)博士到北京后,拿了《光学玻璃》这本书寻找到我。在上海会见我时讲:“我写过一本介绍光学玻璃的小册子,没有你写的这本书系统和全面,这是世界上第一本光学玻璃专著”。泉谷彻郎邀请我访问日本。1979年11~12月,我受邀请访问日本两周,泉谷彻郎博士全程陪同。

  参加了第20届全日本玻璃会议,我作了“无机玻璃物理性质新的计算体系”特邀报告,访问了京都大学、名古屋大学、大阪大学、保谷玻璃公司等单位,与日本玻璃界建立了广泛的联系,可以讲是以《光学玻璃》这本书作为桥梁和媒介的。

  《光学玻璃》(第一版)一书在20世纪70年代已销售告罄,由于各方面还有需求量,80年代初科学出版社希望再版。这时距离第一版出版已过了20年。这20年来,光学玻璃无论品种上和制造工艺上都有很大进展,所以我答应再版时作些修改补充。龚祖同先生在他75岁高龄之际,还为该书绪论作了补充。

  由于书的内容和篇幅有较大增加,因此《光学玻璃》以三个篇章分为上、中、下三册。书的上、中册于1982年12月出版,下册于1985年8月出版(见图4)。但进入20世纪90年代之际,皆已销售罄尽。

图4 《光学玻璃》第二版;上、中册(1982 年),下册(1985 年)

 

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