Оптические стекла свойства – : , ,

Содержание

24.6. Оптические свойства стекла

К оптическим свойствам стекла относятся пропускание, поглощение и отражение света. Оптические свойства стекол являются результатом их взаимодействия с электромагнитным излучением. Различают следующие виды электромагнитных излучений: — излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное.

При прохождении потока излучения через стекло приходится иметь дело со следующими процессами: стекло частично отражает, частично поглощает и частично пропускает поток излучения. Падающий поток излучения (I0) должен быть равен сумме отраженного (Ioтр), поглощенного (Iпогл) и пропущенного (Iпроп) потоков излучения I0= Iпроп + Ioтр + Iпогл.

Отношение потока излучения, отраженного стеклом (Io

тр), к потоку излучения, упавшего на него (I0), называют коэффициентом отражения стекла. Отношение потока излучения, поглощенного на пути 1 см (Iпогл), к потоку излучения, упавшего на него (I0), называют коэффициентом поглощения стекла.

Отношение потока излучения, пропущенного данным стеклом (Iпроп), к потоку излучения, упавшего на него (I0), называют коэффициентом пропускания стекла.

Коэффициенты пропускания (), отражения () и поглощения () могут быть выражены в процентах или в долях единицы; + + = 1.

Коэффициент пропускания характеризует прозрачность стекла. В соответствии с законом Бугера — Ламберта — Бера

, (24.1)

где k — показатель поглощения; с — концентрация красящей добавки; d — толщина пластинки.

При расчете пропускания светофильтров необходимо учитывать потери на отражение от двух поверхностей стекла и вводить соответствующую поправку. Коэффициент пропускания света

, при длине волны с учетом потерь света на отражение от двух поверхностей, при перпендикулярном падении светового потока, находят по формуле .

Для характеристики поглощения стекол используют понятие оптической плотности D:

. (24.2)

С учетом потерь на отражение оптическая плотность равна:

; (24.3)

где .

Коэффициент отражения стекол зависит от показателя преломления п, шероховатости поверхности, длины волны падающего света и угла падения света. Зависимость коэффициента отражения от показателя преломления выражается уравнением Френеля:

. (24.4)

Чем больше значение показателя преломления стекла и больше угол падения света, тем выше коэффициент отражения.

В сложных оптических системах вследствие большого числа поверхностей раздела суммарные потери на отражение могут достигать 90%. Для уменьшения потерь на отражение поверхность стекол подвергают специальной обработке, получившей название просветления оптики. На поверхность изделия наносят тонкую пленку, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. Пленка толщиной /4 из вещества, имеющего показатель преломления стекла, уменьшает коэффициент отражения почти до нуля.

На практике широко используется также явление полного внутреннего отражения в стеклах. Волоконная оптика основывается на явлении полного внутреннего отражения, в которой изображение передается в результате многократного отражения от стенок стекловолокна; при этом сохраняется до 99% интенсивности падающего света.

studfiles.net

Оптическое стекло — Википедия. Что такое Оптическое стекло

Опти́ческое стекло́

 — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных деталей оптических приборов.

От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью, дисперсией, в необходимых случаях — цветом. Выполнение всех этих требований значительно усложняет и удорожает производство оптического стекла.

В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения в оптических системах, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам.

Химический состав

В состав шихты для варки оптического стекла обычно входит чистый кремнезём, сода, борная кислота, нередко — соли бария, оксид свинца, фториды и другие компоненты.

Основные оптические свойства стекла

Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии

.

Показатель преломления

С XIX века (со времён Шотта и Аббе) и до недавнего времени для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}}, определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ=589,3 нм).

Однако это не одиночная линия, а пара: так называемый «натриевый дублет», что не могло не сказаться на точности измерений. Поэтому сейчас в качестве главного показателя преломления (nλ{\displaystyle n_{\lambda }}) принимают его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ=587,56 нм, либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ=546,07 нм. Первый (nd{\displaystyle n_{d}}) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (ne{\displaystyle n_{e}}), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений nd{\displaystyle n_{d}} промышленных оптических стёкол составляют примерно 1,43 — 2,17.

Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной ±(3-20)·10−4.

Средняя дисперсия

Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления n

F для синей линии спектра λ=488,1 нм и nC для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (nF-nC)·105 и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)·10−5.

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, νλ{\displaystyle \nu _{\lambda }}) — задаётся отношением разности показателя преломления nλ{\displaystyle n_{\lambda }} без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}} для жёлтой спектральной линии натрия.

νD=nD−1nF−nC{\displaystyle \nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}}}

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

νd=nd−1nF−nC{\displaystyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}}

либо

νe=ne−1nF′−nC′{\displaystyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F'}-n_{C'}}}}

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F' ) и красной (C' ) линий кадмия.

В настоящее время значения νd{\displaystyle \nu _{d}} для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии — это разности nλ4−nλ5{\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}} двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн λ4{\displaystyle \lambda _{4}} и λ5{\displaystyle \lambda _{5}}, не совпадающих с длинами волн λ2{\displaystyle \lambda _{2}} и λ3{\displaystyle \lambda _{3}}, выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии Pλ4λ5{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}} — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

Pλ4λ5=nλ4−nλ5nλ2−nλ3{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}={\frac {n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}{n_{\lambda _{2}}-n_{\lambda _{3}}}}}

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (числа Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала от длины волны света представляет собой сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

Δs=f′P1−P2ν1−ν2{\displaystyle \Delta s=f'{\frac {P_{1}-P_{2}}{\nu _{1}-\nu _{2}}}}

где: P1{\displaystyle P_{1}} и P2{\displaystyle P_{2}} — относительные частные дисперсии; ν1{\displaystyle \nu _{1}} и ν2{\displaystyle \nu _{2}} — коэффициенты средней дисперсии; f′{\displaystyle f'} -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра ng−nF{\displaystyle n_{g}-n_{F}} или ng−nF′{\displaystyle n_{g}-n_{F'}} (где ng{\displaystyle n_{g}} — показатель преломления для фиолетовой

g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия PgF{\displaystyle P_{gF}} (или PgF′{\displaystyle P_{gF'}}), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Показатель ослабления излучения

Интенсивность оптического излучения, проходящего через стекло, уменьшается вследствие поглощения и рассеяния излучения стеклом. Степень уменьшения интенсивности излучения, обусловленного суммарным действием обоих механизмов, характеризуют показателем ослабления стекла.

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А[1]μA{\displaystyle \mu _{A}}.

По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями μA{\displaystyle \mu _{A}}[2].

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых μA{\displaystyle \mu _{A}} лежит в пределах от 0,0002 до 0,0004 см−1. У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной 10 см составляет величины от 0,991 до 0,995

[2].

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют μA{\displaystyle \mu _{A}}, располагающийся в пределах от 0,0066 до 0,013 см−1. Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859[2].

Типы оптических стёкол

В основу исторически сложившейся классификации оптических стёкол легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе. На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу. Таким образом, можно было увидеть взаимосвязь изменения двух основных оптических характеристик с химическим составом оптических стёкол. Причём, с возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался.

В связи с этим были выделены два основных типа оптических стёкол: кро́ны (стёкла с низким показателем преломления и высоким значениями коэффициента дисперсии) и фли́нты (стёкла с низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем преломления). При этом к группе кронов относились натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов — стёкла, содержащие свинец.

В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось делить диаграмму Аббе на бо́льшее число участков, соответствующих новым типам. Так, от кронов отделились лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые кроны (ЛК, ТК, СТК), а от флинтов — лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые флинты (ЛФ, ТФ, СТФ). К тому же, между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа кронфлинтов.

Появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей (боратные, фосфатные, фторидные и др.), так и включающие новые компоненты (окислы лантана, тантала, титана). Такие типы часто (в каталогах зарубежных производителей — как правило) обозначаются с применением названий химических элементов, окислы которых и придают стёклам специфические свойства.

Использование подобных стёкол, для которых характерны иные сочетания главного показателя преломления и коэффициента дисперсии, существенно расширили область занимаемую оптическими стёклами на диаграмме Аббе. К тому же, связь между уменьшением коэффициента дисперсии и возрастанием показателя преломления стала менее заметной.

«Особые» стёкла

Отклонения относительных частных дисперсий некоторых оптических стёкол и кристаллов (CaF2 и BaF2) от «нормальной прямой»

Кроме того, существуют так называемые «особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол для отображения «особых» характеристик используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, PgF{\displaystyle P_{gF}} от νd{\displaystyle \nu _{d}} в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью PgF{\displaystyle P_{gF}} от νd{\displaystyle \nu _{d}}.

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий (Δνλ1≤3{\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3}) и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на бо́льшем удалении (имеющие бо́льшее отклонение хода частных дисперсий) — «особыми» («abnormal»).

Диаграмма «относительная частная дисперсия — коэффициент дисперсии» так же была предложена Эрнстом Аббе, однако, во избежание путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол, относящихся к первому из типов (ланг-кроны), следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически все Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а также российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

«Особые» флинты с повышенными значениями относительной частной дисперсии (ланг-флинты) — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

Производство

Для получения цветного стекла в состав бесцветного стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической или платиновой мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. При неравномерном остывании массы в ней образуются механические напряжения, которые могут вызывать растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, а из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание возникновения напряжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергают исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут напряжения, которые приведут к появлению анизотропии, включая анизотропию показателя преломления. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптических приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Технологические дефекты

К технологическим дефектам оптических стёкол относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

  • Камни представляют собой мелкие непрозрачные частицы, отделившиеся от горшка во время варки стекла, или нерасплавившиеся частицы шихты. Небольшое количество и малые размеры камней, если они не находятся в фокальной плоскости или вблизи неё, на качество изображения не влияют, так как задерживают лишь незначительную часть проходящего через стекло света.
  • Пузыри образуются в процессе варки стекла ввиду выделения газов составными частями шихты, вступающими в реакцию. Практически неизбежны при изготовлении стекла. Пузыри вызывают светорассеяние и некоторую потерю яркости изображения, так как лучи света, преломляясь на поверхностях пузырей под значительно бо́льшими углами, чем на остальной площади линзы, почти полностью поглощаются внутренними поверхностями камеры и оправы объектива.
  • Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.
  • Дымки́ имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.
  • Сви́ли наблюдаются в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления массы стекла. Представление о свиле может дать сравнение с каплей насыщенного сахарного раствора, введённой в стакан с водой. При растворении капля раствора будет образовывать в воде хорошо заметный след в виде волнистых полос и нитей.
  • Напряже́ния возникают вследствие неоднородности стекла, вызываемой, как правило, его неравномерным охлаждением в процессе изготовления. Механически напряжённое состояние стекла вызывает так называемое двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора — полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давления на стекло при закреплении его в оправах.

Для оптических стёкол установлены категории и классы по качеству (ГОСТ 23136-93). То есть весь спектр дефектов разбит на диапазоны (по их количеству, размеру, форме) в которые должны входить марки стёкол. Для бесцветного оптического стекла существуют нормы ГОСТ 3514-94 (ранее ГОСТ 3514-76). Для цветного оптического стекла — ГОСТ 9411-91 (ранее ГОСТ 9411-76).

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие дефектов, но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд легче, если заранее определить критерии качества.

Обработка

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из неё цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отшлифовано, заготовку полируют и затем контролируют его форму (фигуру). Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Просветление оптики

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путём нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

История

Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689 г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO2, 18 % K2O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO2, 12 %K2O, 43 % PbO)

Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200—250 мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.

Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

См. также

Примечания

Литература

  • И. Я. Бубис и др., под общ. ред. С. М. Кузнецова и М. А. Окатова, Справочник технолога оптика. Л. Машиностроение. 1983
  • Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
  • Кулагин, С. В. Оптическое стекло // Фотокинотехника: Энциклопедия / Гл. ред. Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.
  • Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959
  • Н. Н. Качалов и В. Г. Воано. Основы производства оптического стекла. Л. ОНТИ-Химтеорет, 1936
  • Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.
  • Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
  • ГОСТ 23136-93 — Материалы Оптические — Параметры
  • ГОСТ 3514-94 — Стекло Оптическое Бесцветное — Технические условия
  • ГОСТ 9411-91 — Стекло Оптическое Цветное — Технические условия

Ссылки

wiki.sc

Оптические свойства стекла | Производство стекла

Под оптическими свойствами стекла подразумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света.

При падении пучка света на поверхность прозрачного тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Но если сложить свет, отраженный и преломленный, то не получится количества света, которое падает на стекло, — небольшая часть света поглощается стеклом. Поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т. е. поглощение лучей только с определенной длиной волны. Так, из-за наличия в стекле, в том числе и оконном, соединений железа оно имеет зеленоватый оттенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо свести к минимуму содержание нежелательных примесей в сырьевых материалах.

Оптические свойства характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его молекулярного строения. Большая часть стекол пропускает свет и другие виды лучистой энергии. К оптическим свойствам относятся отражение, поглощение, рассеивание, преломление и разложение света. Стекло не имеет себе равных среди известных твердых материалов по величине показателей, характеризующих оптические свойства.

Отражение света — возвращение световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления в первую среду. Коэффициент отражения прямо пропорционален углу падения на стекло. Например, для светового пучка, перпендикулярного поверхности оконного стекла, коэффициент отражения равен 0,04 (4 %).

Поглощение света - уменьшение интенсивности света, проходящего через среду вследствие взаимодействия его с частицами среды. Чаще всего поглощение света обусловлено наличием в стекле красителей, вызывающих избирательное поглощение лучей определенной волны. Благодаря этому стекло выглядит окрашенным. Поэтому, чтобы стекло было прозрачным, в сырьевых материалах не должно быть примесей, которые вызывают поглощение света. Наиболее прозрачные оптические стекла пропускают в расчете на 1 см толщины около 91 % падающего света, а оконное стекло — примерно 88 %.

Рассеивание света зависит от состояния поверхности и однородности стекла и характеризуется отклонением распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Из светорассеивающего стекла изготовляют светотехнические изделия (абажуры, плафоны, колпачки).

Преломление света - это изменение направления распространения луча света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред. Показатель преломления оконного стекла 1,52, хрустального стекла 1,65, т. е. пропорционален плотности стекла.

Разложение света в спектр (дисперсия) происходит вследствие различного преломления пучка света, проходящего через стеклянную призму. При этом белый пучок света разлагается на составляющие его цветные лучи разной длины волны: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Дисперсия зависит от химического состава стекла и позволяет судить о его однородности.

www.stroitelstvo-new.ru

Отраслевая энциклопедия. Окна, двери, мебель

Луч света при переходе из одной среды в другую меняет свое направление, что связано с изменением скорости распространения света в различных средах. При прохождении в воздухе и через плоскопараллельную стеклянную пластинку (рис. 1.5) падающий луч образует определенные углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то угол a будет углом падения, а угол b — углом преломления. На рис. угол a больше угла b, потому что скорость распространения световых волн в воздухе больше, чем в стекле.

Рис. Прохождение светового луча через плоскопараллельную стеклянную пластинку.

В данном случае воздух является оптически менее плотной средой, чем стекло. Показатель преломления может быть определен из соотношения

n = sin a / sin b

Показатель преломления среды не зависит от угла падения луча на поверхность среды, но зависит от свойств самой среды и длины волны падающего света. Чем больше длина волны падающего света, тем меньше показатель преломления, поэтому луч белого (смешанного) света, входя в стекло под углом к поверхности, расщепляется на пучок расходящихся цветовых лучей, т.е. подвергается дисперсии.

Рис. Разложение белого спектра призмой (а) и диапазон цветов видимой части спектра (б).

Если параллельный пучок белого света, ограниченный узкой щелью, падает на стеклянную призму, то на экране, расположенном за призмой, обнаруживается картина различных цветов, называемая спектром (рис. a). В спектре наблюдается строгая последовательность этих цветов, переходящих от одного к другому, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. б). Причиной разложения света является зависимость показателя преломления от длины волны. Чем короче длина волны, тем меньше угол преломления, поэтому фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные. Разность показателей преломления для голубой коротковолновой F-линии и красной длинноволновой С-линии называется средней дисперсией, т.е. dn = nF – nC.

Коэффициент дисперсии определяется по формуле:

n = (n – 1) / dn.

Показатель преломления и дисперсия сильно зависят от состава стекла. Показатель преломления повышают РbО, ВаО, СаО, ZnО, Sb2О3, щелочные оксиды. Добавка SiО2 снижает показатель преломления. Дисперсия заметно возрастает при введении РbО и Sb2О3. ВаО и СаО сильнее влияют на показатель преломления, чем на дисперсию. Показатель преломления и коэффициент дисперсии — важнейшие свойства оптических стекол. Широкая номенклатура стекол с различными значениями этих свойств позволяет формировать различные виды изображений объектов, создавать разнообразные приборы и оборудование, начиная от микрообъектива микроскопа до многометрового зеркала телескопа. Для производства высокохудожественных изделий бытовой посуды, подвергающихся декоративному шлифованию, используют в основном стекло, содержащее до 30% РbО. Такие стекла дают хорошую “игру света” в гранях за счет сильного влияния РbО как на показатель преломления, так и на дисперсию. Зависимость показателя преломления от содержания РbО при введении его вместо SiO2 в промышленные составы хрусталей можно считать прямо пропорциональной.

Коэффициент отражения — отношение светового потока, отраженного стеклом, к световому потоку, падающему на него. Количество света, отраженного стеклом, тем больше, чем больше угол его падения. Количество света, отраженного от поверхности стекла, составляет около 4%. Коэффициент отражения зависит от состояния поверхности и наличия на ней различных веществ.

Явление рассеяния света относится к непрозрачным стеклам. В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Пучок лучей света, направленный на матовую поверхность, выходит с другой стороны разбитым на множество направлений вследствие неодинакового преломления отдельных лучей на неровной (матовой) поверхности стекла. В глушенных стеклах находятся угловатые или сферические частицы глушителей, отличающиеся показателем преломления от основной массы стекла. Лучи света, падающие на стекло, претерпевают многократное преломление и отражение, что и вызывает рассеяние света. Размеры частиц глушителей в стекле составляют 0,2-10 мкм. С увеличением размера частиц рассеяние света стеклом возрастает. Относительная прозрачность или пропускание Т стеклом видимого света и невидимых лучей (инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских, g-лучей) подчиняется общему закону Бугера-Ламберта-Бера.

T = I/I0= e-Kl = 10-kl

где:

I — интенсивность излучения, прошедшего через образец;

I0 — интенсивность излучения, входящего в образец;

е — основание натуральных логарифмов;

K — натуральный показатель поглощения;

l — толщина образца;

k — десятичный показатель поглощения (k = 0,434 К).

Относительное поглощение или абсорбция лучей связана с пропусканием зависимостью А = 1 – Т. Относительное пропускание Т или поглощение А обычно выражают в процентах. Мерой способности стекла поглощать излучение может также служить оптическая плотность D: D = lg 1/Т = –lgТ = 0,434 Кl = kl .

Для окрашенных стекол степень поглощения света прямо пропорциональна концентрации С красителя и коэффициенту e, характеризующему удельное поглощение данного красителя; k = e С. Для выражения избирательного поглощения окрашенных стекол строят кривые зависимости Т, А, К и k от длины волны (рис.). Любая из этих зависимостей может служить спектральной количественной характеристикой цветных стекол. Величины Т и А часто относят к единице толщины стекла (Т/l и А/l). Кривые пропускания и оптической плотности являются обратными, но в то же время не являются точным зеркальным отражением друг друга.

Рис. Зависимость светопропускания Т и оптической плотности D коричневого тарного стекла от длины волны.

Пропускание и поглощение стекол оценивают на спектрофотометрах с применением плоскопараллельных образцов стекла. Эта оценка имеет важное значение в производстве окрашенных стекол. Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета бытовых, сигнальных и других окрашенных стекол. Показатели пропускания (поглощения) в инфракрасной области спектра важны для варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), а в ультрафиолетовой области спектра — для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные стекла — задерживать их для сохранности содержимого тарных изделий). При неравномерном охлаждении или нагревании в стекле возникают внутренние напряжения, вызывающие двойное лучепреломление. Стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например, кварца, слюды, гипса и т.п. Луч, входящий в образец стекла, разлагается на два луча — обыкновенный и необыкновенный. Плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны, а скорости распространения в стеклообразной среде различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода обыкновенного и необыкновенного лучей (нм, на 1 см пути луча в стекле). Для контроля двойного лучепреломления в образцах любой формы наиболее удобны полярископы-поляриметры ПКС-250, ПКС-125. Принцип действия приборов основан на наблюдении двойного лучепреломления в исследуемом образце при интерференции лучей.

Вклад участников

Мушников Евгений Цыганкова Анастасия

www.wikipro.ru

Оптическое стекло | Наука | FANDOM powered by Wikia

Оптическое стекло

Опти́ческое стекло́ — (оптические материалы) стекло специального состава, используемое для изготовления различных оптических систем. Изготавливается на основе группы неорганических, оксидных нанопорошковых прозрачных керамических материалов, органических, минералоорганических стекол и др. материалов. Отдельные сорта характеризуются избирательной прозрачностью к разным лучам видимого и невидимого участков спектра света, особой прозрачностью и другими специальными свойствами (например, разной твёрдостью, упругостью, биологической совместимосью). Особые требования предъявляют к стеклам для изготовления контактных линз, кремниевых оптических стекол, апохроматов, линз для ИК-лучей, рентгеновского излучения и т.д.

    Создание специальной отрасли - производства оптического стеклаПравить

    Для обработки оптического cтекла используют специальное оборудование и технологии. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения, расширения области применения оптических устройсв, возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по свойствам и составу. Оптическое стекло в отличие от обыкновенного должно обладать особенно высокой прозрачностью, чистотой, однородностью, заданным коэффициентом преломления, в нужных случаях — избирательной прозрачностью к определённым спектрам длин волн (например, в приборх ночного видения - прозрачность к ИК-излучению, в фильтрах, покрытия в апохроматах и т.д.). Выполнение этих требований значительно изменяет его химический состав, применяет совершенную технологию изготовления и обработку оптических стекол, позволяющую их изготовление. Состав оптического стекла на базе оптических нерганических материалов как оксид кремния (SiO2), сода, борная кислота, соли бария, оксид свинца, фториды, оксид германия, оптических органических материалов — материалы полиметилметакрилата (ПММА), минералоорганических оптических стекол позволяет улучшать оптические возможности оптических систем с дополнительныими новыми свойствами.

    Виды оптического стекла Править

    Оптические стёкла делятся на:

    Оптические стёкла из неорганических материаловПравить

    Стёкла из кварцаПравить

    Плоско-выпуклая линза

    Линзы, получаемыые из оптического кварцевого стекла, обладают рядом дополнительных оптических свойств, необходимых для специальных, прецизионных оптических систем, по сравнению с основной группой линз из природного кварцевого стекла, применяемых в зоне видимого спектра света и отличаются:

    • Наименьшим среди стёкол на основе SiO2 показателем преломления (nD = 1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно для

    science.wikia.org

    Лекция 4. Стекла оптические с особыми свойствами

    Цветные оптические стекла

     

    Цветные оптические стекла применяют для изготовления светофильтров, ограничивающих или ослабляющих пропускание света, заданного спектрального состава. Основной характеристикой цветного оптического стекла является нормированная спектральная кривая зависимости светопропускания tl или оптической плотности Dl от длины волны l. Каталог цветного оптического стекла, выпускаемого промышленностью, содержит 117 марок разделенных по 15 типов в зависимости от цвета. В обозначении стекла используют 2-3 буквы а за ними цифры. Например: УФС-1 (ультрафиолетовое стекло), ЖЗС-5 (желто-зеленое стекло), СЗС-22 (сине-зеленое стекло), ЗС-11 (зеленое стекло). Окраска стекла обуславливается введением в его состав химических красящих веществ (красителей) которые могут находится в стекле в молекулярном растворенном или калоидном состоянии. Молекулярные красители - окислы тяжелых металлов: кобальт, железо, никель и др., которые при варке стекла полностью растворяются в его основе. Характер спектральной кривой пропускания у стекол окрашенных молекулярными красителями при изменении концентрации красителей практически не изменяется, а изменяется лишь интегральный коэффициент светопропускания. Избирательное поглощение света в них обусловлено резонансными колебаниями электродов красителей. При вторичной термообработке окраска стекла не изменяется.

    Окраска стекол калоидными красителями: золотом, серебром, сульфатами и селенидами кадмия основана на избирательном рассеивании света дисперсными частичками красителей. Стекла содержащие калоидные красители в атомарном состоянии бесцветны. Окраска появляется в результате роста мельчайших кристалликов металла (L=100 нм) при вторичной наводке. Наибольшее распространение среди этих стекол получили селенокадмиевые стекла, имеющие желтую, красную и оранжевую окраски.



     

    Стекла светорассеивающие

    Стекла светорассеивающие (молочные) применяют для изготовления деталей диффузионно рассеивающих проходящий или отраженный свет. Их обозначение МС. Они получили рассеивающие свойства благодаря введению в их состав соединений фтора или фтористого натрия, обеспечивающих "глушение" стекла.

     

    Стекла фотохромные

    Стекла фотохромные обратимо изменяют свою прозрачность в видимой части спектра в зависимости от величины освещенности и длительности облучения. После прекращения облучения пропускание стекла восстанавливается. Их применяют для изготовления светофильтров, светозащитных очков и экранов и обозначают ФХС. Основными характеристиками фотохромных стекол является: коэффициент фотохромности Кф - это величина характеризующая уменьшение оптической плотности за 30 секунд термического обесцвечивания; чувствительность Sф - величина обратная количеству освещенности для получения добавочной оптической плотности равной 0,2.

     

    Радиационно стойкие стекла

    Радиационно стойкие стекла - это стекла которые сохраняют свои свойства под воздействием ионизирующего излучения. Большинство обычных оптических стекол под действием радиации темнеют, уменьшается их светопропускание до значения зависящего от дозы радиации и состава стекла. Устойчивость стекла к воздействию ионизирующего излучения характеризуется приращением оптической плотности DDH. Повышение радиационной устойчивости стекол достигается введением в состав добавок, способных предотвращать образование центров окраски. Наибольший эффект достигается введением в качестве добавки окиси церия CeO2. Стекла содержащие CeO2 сохраняют светопропускание при облучении дозами до 10+5 рентгена и обозначают серии выше 100. По другим свойствам радиационно стойкие стекла серии 100 не отличаются от своих аналогов серии 0.

     

    Стекла оптические люминесцирующие

    Стекла оптические люминесцирующие активированные неодимом имеют узкие полосы люминесценции, причем на полосу 1060 нм приходится до 80% всей энергии люминесценции. Их используют для изготовления активных элементов в твердотельных ОКГ с длинами волн 900, 1060, 1300 нм. Спектр поглощения стекол имеет много полос в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Стекла обозначают ГЛС (генерирующие люминесцирующие стекла), характеризуются показателем поглощения Кl при длине волны l=586 нм. Значение Кl находится в пределах 0,19-0,47.

     

    Инфракрасные безкислородные стекла

    Инфракрасные безкислородные стекла это стеклообразное вещество, отличающееся от обычных стекол тем что в их составе нет химических соединений содержащих кислород, а процесс стеклообразования происходит в бескислородной среде. Наиболее известны халькохнидные безкислородные стекла, основным компонентом которых является трех сернистый мышьяк, селен, германий, теллур. Халькогенидные стекла прозрачные в инфракрасной области спектра от 1-17 мкм. Имеют высокую химическую и термохимическую прочность, обозначают ИКС, различаются границами пропускания и показателем преломления. Безкислородные инфракрасные стекла используют для изготовления оптических деталей и волоконных элементов работающих в инфракрасном диапазоне.

     

     

    Стекло оптическое кварцевое

    Стекло оптическое кварцевое это однокомпонентное силикатное стекло на основе кремнезема SiO2. Оно обладает следующими физико-химическими свойствами:

    1) Прозрачность в широком диапазоне волн и радиочастот.

    2) Высокая термостойкость.

    3) Химическая и радиационная устойчивость.

    4) Малый коэффициент линейного рассеивания.

    Оптические кварцевые стекла применяют для изготовления прозрачных люков летательных аппаратов, уголковых отражателей, активных элементов ОКГ, оболочек источников света и других оптических деталей подвергающихся резким температурным воздействиям. В зависимости от основной области спектрального пропускания выпускается оптическое кварцевое стекло следующих марок: КУ1, КУ2 - прозрачные в ультрафиолетовой области спектра, КВ, КВР - прозрачные в видимой области спектра, КИ - прозрачные в инфракрасной области спектра.

     

    Оптические ситаллы

    Ситаллы - это особый класс стеклокерамических материалов, имеющих микрокристаллическую структуру с кристаллами размером не более 1-2 мкм, равномерно распределенных по всему объему стеклообразного вещества. Оптические ситаллы отличаются особо тонкой зернистой структурой, размеры кристаллов не превышают длины полуволны видимого участка спектра. Оптическая плотность кристаллов и стекловидной массы совпадают или близки между собой что исключает светорассеивание на границах раздела фаз "стекло - кристалл". Ситаллы имеют повышенную по сравнению со стеклом термостойкость, механическую прочность и твердость. Коэффициент линейного расширения некоторых марок приближенно равен нулю. В оптической промышленности применяются ситаллы: СО115М, СО156, СО21.

    СО115М - термостойкий ситалл с малым близким коэффициентом линейного теплового расширения. Применяют для изготовления оптических деталей в которых не допускается изменение формы поверхности с изменением температуры: астрономических зеркал, оптических деталей гироскопов, подставок интерферометров.

    СО156 - ситалл с малым коэффициентом линейного теплового расширения. Отличается повышенной прозрачностью в видимой области спектра и лучшей однородностью. Применяют для изготовления пробных стекол и деталей измерительной техники.

    СО21 - ситалл с малым коэффициентом линейного теплового расширения в пределах 0-+350°C. Обладает максимальной термостойкостью (до +700°C) и максимальной относительной твердостью по сошлифовыванию. Применяют для изготовления деталей приборов лазерных гироскопов и приборов работающих в космосе.


    Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

    zdamsam.ru

    41. Оптические и электрические свойства стекол.

    Основными для технического применения стекла являются его оптические свойства.

    Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра оптического излучения и практически не пропускают ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) лучи.

    Кварцевое стекло пропускает наиболее широкую полосу электромагнитных волн от УФ до ИК, т.е. воспринимаемый глазом видимый свет.

    Стекла, легированные редкоземельными элементами, поглощают УФ-излучение.

    При введении оксидов цинка, бора или алюминия получают стекла, пропускающие УФ-излучение. У окна с таким стеклом можно загорать.

    Стекло, легированное легкими элементами (бор, бериллий, литий), пропускает рентгеновское излучение, тяжелыми элементами (свинец и др.) – задерживает.

    Стекла, содержащие железо и фосфаты, задерживают тепловое ИК-излучение. Введение оксидов некоторых металлов делает стекло цветным: красный цвет – это оксиды никеля; желтый – оксиды германия; зеленый – оксиды хрома; синий – оксиды меди; фиолетовый – оксиды марганца.

    Плотность стекла в зависимости от состава – 2,2... 8,0 г/см3.

    Электрические свойства стекла характеризуются высокими значениями удельного электрического сопротивления. Введение оксидов тяжелых металлов свинца и бария приводит к повышению электроизоляционных свойств стекла. Они используются в электротехнической промышленности.

    42. Получение стекол.

    Изделия получают процессами раздувания, прокатки, прессования, литья.

    За начало размягчения стекла принимают температуру, при которой его вязкость составляет определенную величину. Температура размягчения большинства стекол находится в интервале 400... 1600 °С. Максимальное значение температуры размягчения соответствует кварцевому стеклу, получаемому без добавок модификаторов, а минимальную температуру размягчения имеют щелочные стекла. Поэтому изготовление из кварцевого стекла деталей сложного профиля затруднено. Щелочные стекла более технологичны.

    Механическая обработка стекла в связи с его высокой твердостью осуществляется алмазным (резка стекла) или абразивным (шлифование и полирование) инструментом. У дутых изделий края, как правило, оплавляют.

    При нагреве стекло постепенно размягчается вплоть до перехода в жидкое состояние. В пластичном состоянии оно легко формуется. Чем ниже температура начала размягчения, тем стекло технологичнее. Изделия получают процессами раздувания, прокатки, прессования, литья.

    43. Технологические свойства стекла определяются температурами размягчения и перехода в жидкое состояние.

    Стекло как типичный представитель аморфных веществ при переходе из твердого состояния в жидкое и обратно не имеет определенных точек плавления и затвердевания.

    44. Упрочение стекол, в т.Ч. Термическое.

    Прочность стекла, как и всех других материалов, зависит от условий нагружения. В связи с этим важное значение приобретает состояние поверхности стекла – наличие царапин, микротрещин и других дефектов, которые являются концентраторами напряжений, резко снижает прочность стекла. Большую прочность имеют кварцевые и бесщелочные стекла, меньшую – щелочные.

    Предел прочности стекол при сжатии высок и достигает 2000 МПа. Прочность стекол на сжатие до 10 раз выше сопротивления растягивающим нагрузкам. Твердость стекла близка к твердости закаленной инструментальной стали.

    Методы упрочнения стекла основаны на термической, термохимической и химической обработке.

    Термическая обработка стекла – это закалка, которая заключается в нагреве выше температуры стеклования и последующем быстром охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом на поверхности стекла возникают напряжения сжатия, которые компенсируют растягивающие напряжения в условиях эксплуатации. Предел прочности повышается в 2-4 раза, а термостойкость закаленного стекла возрастает в 2-3 раза.

    Закалка в кремнийорганических жидкостях – термохимическое упрочнение – приводит к образованию на поверхности полимерной пленки, что дает дополнительный эффект по сравнению с обычной закалкой, особенно по увеличению сопротивления статической усталости.

    Важное практическое значение имеет термостойкость стекла. При резком нагреве или охлаждении вследствие низкой теплопроводности стекла в стеклянном изделии возникают механические напряжения. Нагрев приводит к возникновению напряжений сжатия, а охлаждение создает растягивающие напряжения. Быстрое охлаждение стеклянных изделий более опасно, чем быстрый нагрев. Термостойкость характеризуют разностью температур, которую выдерживает стекло без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол термостойкость находится в пределах 90... 170 °С, а для кварцевого стекла достигает 1000 °С.

    studfiles.net

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *