Оптические свойства стекла: Оптические свойства стекла | Производство стекла

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.

Оптическое стекло — основные характеристики и достоинства

Оптическое стекло – это материал, который производится с применением специального состава, который используется в производстве разных оптических систем. В производстве используются неорганические, оксидные нанопорошковые прозрачные керамические материалы, органические, минералоорнаические стекла. В зависимости от сора, материал может иметь особую прозрачность к различным лучам видимых и невидимых участков, светоспектра, а также может разниться по показателю упругости, твердости, биологической совместимости. Главное отличие оптического стекла от технического материала – однородность, а также одинаковые физические свойства в любом направлении.

Как делают оптическое стекло

Изготовление оптического стекла – довольно сложный процесс, для реализации которого требуется специальное оборудование и высокие температуры.

1. Для варки материала используются специальные емкости, а сам процесс происходит при минимальной температуре 1500°C (время варки – не менее 24 часов).
2. После извлечения емкостей из печи, обеспечивается медленное охлаждение на протяжении 7-8 дней.
3. После остывания, материал тщательно сортируется по размерам и отправляется на доработку. После доработки
4. Заготовки нагреваются до температуры 500°C и подвергаются медленному охлаждению.
5. Полученный материал тщательно осматривается на предмет имеющихся дефектов, трещин.

На завершающем этапе оптическое стекло шлифуется и полируется. Этот процесс занимает примерно 3 суток. Только после завершения всех вышеперечисленных процессов, получается поверхность, которая полностью готова для использования и производства деталей.

Применение оптического стекла 

Стекло для производства оптического оборудования создавалось еще в 18 веке.

Но несмотря на это, производство оптических стеклянных материалов связано с изобретением ученым из Швейцарии П. Гинаном способа механического размешивания стеклянных масс в процессе варки и охлаждения круговыми движениями глиняного стержня, погруженного в стекло в вертикальном положении.

Сегодня подобные материалы применяется для изготовления:

• Призм;
• Деталей для наблюдательных систем;
• Деталей для измерительных приборов;
• Линз;
• Пластинок;
• Кювет.

В зависимости от того, для какой детали предназначено стекло, каждая оптическая константа выдерживается максимально тщательно, а производственные технические параметры соблюдаются в высочайшей точностью. Если пренебрегать этими правилами, то качество детали будет очень низким или вовсе материал не будет соответствовать назначению.

Также существует большое количество видов стекла, каждое из которых предназначены для разных сфер применение. Вы их также можете посмотреть и приобрести в нашей компании «Технопарк». Например, стекло optiwhite.

Мы предлагаем не только различное стекло, но и услуги по резке, шлифовке и производству закаленного стекла.

Автор: Технопарк

Основная наша специализация – обработка стекла и зеркал. Мы располагаем собственным современным промышленным оборудованием и производственными мощностями, поэтому готовы предложить Вам полный комплекс услуг в одном месте.

Все статьи автора

Свойства оптического стекла — Swift Glass

Стекло

является важным компонентом многих машин, приборов, датчиков и оптических компонентов. При принятии решения о том, подходит ли стекло для конкретного применения, или при выборе между несколькими типами стекла производители должны учитывать оптические свойства наряду с физическими.

Оптические свойства, такие как показатель преломления, поглощение, коэффициент пропускания и дисперсия, количественно определяют и характеризуют взаимодействие стекла со светом и, следовательно, определяют, как материал будет вести себя в данных условиях. Понимание оптических характеристик особенно важно при разработке точных приборов для оборонных, медицинских и научных целей, хотя все производители могут извлечь выгоду из понимания рабочих характеристик материалов, которые они используют.

Как опытные производители стекла с почти 100-летним опытом, команда Swift Glass может помочь вам в процессе выбора материала для оптического стекла, включая учет основных оптических свойств для конкретного применения.

 

Показатель преломления измеряет изменение скорости фотона при его движении через данный материал. Математически это определяется как скорость света в вакууме (где фотоны движутся быстрее всего), деленная на его скорость в другом веществе.

Показатель преломления является важным показателем, так как он показывает количество света, проходящего через стекло, а также угол, под которым он выходит. Эти значения определяют фокусирующую и рассеивающую способность линз и призм соответственно. Большинство разновидностей стекла имеют показатель преломления 1,5, а это означает, что свет в вакууме распространяется в 1,5 раза быстрее, чем в стекле. Однако и температура, и длина волны могут влиять на показатель преломления, поэтому эти значения следует рассматривать в контексте каждого применения.

Когда свет проходит через стекло, некоторые фотоны не проходят через материал. Вместо этого их энергия теряется из-за поглощения, которое происходит, когда энергия фотона передается атомам в стекле. Это поглощение приводит к уменьшению интенсивности света от одной стороны материала к другой. Величина поглощения варьируется в зависимости от нескольких ключевых факторов:

В некоторых случаях, например в темных комнатах, желательно высокое поглощение. Однако в линзах поглощение должно быть сведено к минимуму. Таким образом, поглощение необходимо рассматривать в контексте, чтобы быть полезным.

Коэффициент пропускания определяет долю света, который поглощается, рассеивается или отражается, а не проходит через стекло. Обратной величиной коэффициента пропускания является пропускание или количество света, которое успешно проходит через стекло. Коэффициент пропускания рассчитывается путем деления начальной интенсивности света на конечную интенсивность света, поэтому формула учитывает все источники потери интенсивности.

Коэффициент пропускания можно разделить на внутренний и внешний. Внутреннее пропускание включает только энергию, потерянную из-за поглощения, тогда как внешнее пропускание включает как поглощение, так и отражение. Это различие полезно, поскольку производители могут наносить покрытия для уменьшения отражения, в то время как поглощение смягчить сложнее. Большинство производителей измеряют промышленные стекла по внешнему коэффициенту пропускания, а фильтрующие стекла — по внутреннему коэффициенту пропускания.

Дисперсия

немного отличается от других оптических свойств, описанных выше, тем, что она фокусируется на разделении длин волн, а не на общей передаче или интенсивности.

Лучше всего дисперсию можно понять на примере радуги: капли воды с разной длиной волны движутся с разной скоростью. Таким образом, то, что входит во влажную атмосферу в виде белого света, разделяется на отдельные полосы составляющих его длин волн, которые мы воспринимаем как разные цвета.

Существует три основных типа дисперсии, влияющих на применение стекла:

Рассеивание материала
Различные длины волн распространяются с разной скоростью, причем более длинные волны движутся быстрее, чем более короткие. В результате свет, проходящий через стеклянный передатчик, будет разделен разной скоростью прохождения света. Это разделение называется дисперсией материала.

Модовая дисперсия
Модовая дисперсия — это форма разделения длин волн, основанная на физических свойствах передатчика, а не на самой длине волны. Этот метод рассеивания часто обсуждается в контексте волоконной оптики, поскольку сердцевина волокна может передавать свет быстрее, чем оболочка.

Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия возникает в результате сочетания материальной дисперсии и модовой дисперсии. В частности, это относится к разделению длин волн при их прохождении через передатчик. Производители оптического оборудования могут использовать линзы из различных материалов и показателей преломления, чтобы компенсировать разницу в скорости и минимизировать хроматическую дисперсию.

Понимание факторов, влияющих на дисперсию, помогает обеспечить более четкое качество изображения и более чистое светопропускание.

Все стеклянные изделия требуют тщательного рассмотрения оптических свойств, чтобы гарантировать, что компоненты работают должным образом. Различия в температуре и длине волны могут существенно повлиять на оптические характеристики, а также на огранку и состав стеклянного компонента. Для достижения оптимальных результатов лучше всего проконсультироваться со специалистами по производству стекла, которые помогут вам выбрать правильный материал и конструкцию компонентов для достижения ваших требований к производительности.

Как производитель стекла, сертифицированный по стандарту ISO 9001:2015 и зарегистрированный в ITAR, мы поддерживаем самые высокие стандарты качества для всех наших стеклянных компонентов, обеспечивая превосходные результаты для клиентов в сложных отраслях, таких как биомедицинская, бытовая, оптическая и аэрокосмическая промышленность, среди прочих .

Чтобы узнать больше об оптических свойствах стекла и о том, как они влияют на характеристики, загрузите нашу электронную книгу «Понимание оптических свойств стекла». Если вы готовы двигаться вперед со своим стеклянным решением премиум-класса, свяжитесь с командой или запросите предложение сегодня.

Оптические свойства стекла: как взаимодействуют свет и стекло | Копп Стекло

Это вторая статья из серии из трех частей, в которой рассматриваются тепловые, оптические и механические свойства стекла. Мы определим общие свойства стекла и объясним их применение и важность в конструкции компонентов.

Мы часто слышим от инженеров, которые оценивают влияние перехода от одного материала линзы к другому. Например, они могут перейти от существующей конструкции линз из поликарбоната к стеклу из-за опасений по поводу долговечности в суровых условиях. Они спрашивают: «Могу ли я использовать существующую конструкцию линз с новым материалом стекла? Будет ли результирующий световой поток иметь ту же цветность, распределение и интенсивность?» Ответы на эти вопросы коренятся в понимании оптических свойств материалов.

Оптические свойства материала определяют, как он будет взаимодействовать со светом. Сегодня большинство инженеров используют передовые программные инструменты для моделирования свойств материала и их влияния на оптические характеристики. Тем не менее, знакомство с некоторыми фундаментальными оптическими свойствами поможет инженерам выбрать правильный материал для своего приложения. В этой статье мы рассмотрим коэффициент преломления, пропускание, поглощение и зависимость от длины волны и обсудим, как эти свойства влияют на дизайн продукта.

Показатель преломления

Вы, наверное, знакомы с понятием «движение со скоростью света», но знаете ли вы, что скорость света может меняться? Скорость света уменьшается, когда он проходит через среду из-за взаимодействия фотонов с электронами. Как правило, более высокая плотность электронов в материале приводит к более низким скоростям. Вот почему свет распространяется быстрее в стекле, быстрее в воде и быстрее всего в вакууме. Показатель преломления ( n ) материала определяется как отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале.

Свет, падающий на стеклянную поверхность, будет отражаться под углом, равным углу падения, и передаваться по закону Снеллиуса. При нормальном падении отражается примерно 4 % света; это значение определяется показателем преломления стекла.

Когда луч света падает на стеклянную поверхность, часть луча отражается, а часть проходит. Показатель преломления стекла определяет не только то, насколько сильно  свет отражается и передается, но и его угол преломления  в стекле. Угол пропускания можно рассчитать с помощью закона Снеллиуса:

Большие показатели преломления в стекле приводят к большей разнице между углом падения и пропусканием света. Отражение света на поверхности происходит из-за мгновенного изменения показателя преломления между стеклом и окружающей его средой. При нормальном падении (Θ _i  = 0°) количество отраженного света определяется как

. Для большинства стекол с показателем преломления 1,5 потери на отражение на поверхности приводят к снижению интенсивности света примерно на 4%. 9№ 0003

Применение:

При разработке светопропускающей линзы необходимо учитывать показатель преломления материала. Даже небольшое изменение показателя преломления может повлиять на распределение проходящего света в канделах. Это можно увидеть в приведенном ниже примере, где свет проходит через две плосковыпуклые линзы одинаковой формы с разными показателями преломления.

Распределение силы света, проходящего через линзу, зависит не только от формы линзы, но и от показателя преломления.

Распределение силы света справа от стеклянной линзы с типичным показателем преломления 1,5. Слева показана линза с показателем преломления 1,6. Она может быть изготовлена ​​из стекла или пластика с более высоким показателем преломления, например как поликарбонат. Для применения, требующего освещения большей площади поверхности, может быть лучше выбрать стекло с меньшим показателем преломления. Или, например, вы хотите получить большую интенсивность ближе к центру распределения кандел; вы бы выбрали материал с более высоким показателем преломления. Понимание этого оптического свойства даст вам еще один инструмент, который поможет выбрать правильный материал и добиться желаемых результатов.

Поглощение

Когда свет проходит через стекло, его интенсивность обычно уменьшается. Это поглощение происходит, когда энергия фотона света соответствует энергии, необходимой для возбуждения электрона внутри стекла до его более высокого энергетического состояния, и фотон поглощается стеклом.

Спектр поглощения стекла зависит от состава. Стекла со стандартными пиками поглощения в своих спектрах, такие как фильтр Kopp Glass 3131, изображенный здесь, можно использовать для калибровки спектрофотометров. Большие пики поглощения соответствуют спадам в спектрах пропускания.

Поглощение стекла, показанное на рисунке выше как функция длины волны, часто используется для описания уменьшения интенсивности света при его прохождении через стекло. Он определяется как

. Это значение зависит от состава и толщины стекла, а также от длины волны падающего света.

Применение:

Стеклянные фильтры из редкоземельных элементов часто используются для калибровки поглощения и пропускания спектрофотометров. Эти очки поглощают свет на очень определенных длинах волн, что позволяет калибровать хорошо охарактеризованные пики поглощения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектрах.

В некоторых случаях полезно уменьшать светоотдачу в равных частях для всех длин волн. Фильтры нейтральной плотности, например, почти одинаково поглощают все длины волн и часто используются в фотографии для уменьшения интенсивности света, не влияя на цвет. Они также используются для ослабления лазеров и других источников света, мощность которых нельзя отрегулировать или уменьшить.

Пропускание/Пропускание

Любой свет, который не поглощается стеклом и не отражается от его поверхности, будет проходить через стекло. Часто очень важно точно знать, сколько света пройдет через стекло при определенных длинах волн. Часто очки обсуждаются с точки зрения их пропускания или пропускания. Оба этих термина предоставляют одну и ту же информацию, но коэффициент пропускания указывается в диапазоне от 0 % до 100 %, а коэффициент пропускания — от 0 до 1.

Внешнее пропускание рассчитывается на основе интенсивности падающего света I ₀ и интенсивности света, выходящего из стекла I. Оно учитывает поверхностное отражение. Внутренняя передача, с другой стороны, не включает потери на отражение. Он определяется по интенсивности света сразу после входа в стекло I ₁ и непосредственно перед выходом из стекла I ₂ .

Коэффициент пропускания также часто указывается как внутренняя передача и определяется как:

Внешний коэффициент пропускания включает как потери на поглощение материала, так и потери света из-за отражения на двух стеклянных поверхностях, в то время как внутренний коэффициент пропускания включает только потери на поглощение материала.

Применение:

Представление значений коэффициента пропускания материала может различаться в зависимости от применения или общепринятой отраслевой номенклатуры. В то время как для большинства промышленных стекол оптические свойства указываются как внешнее пропускание, значения фильтрующих стекол обычно указываются как внутреннее пропускание. Это связано с тем, что фильтрующие стекла могут быть обработаны антибликовым покрытием для предотвращения потери интенсивности на поверхности стекла. Например, стеклянный фильтр, имеющий внешнее пропускание 92% при 589,2 нм может иметь гораздо более высокий внутренний коэффициент пропускания 0,98, как в случае с нашим фильтром 3131.

При просмотре листа свойств стекла и проектировании детали важно знать, для какой из отраслевых спецификаций вы пытаетесь выполнить — для внешней или внутренней передачи. Например, многие спецификации Федерального авиационного управления (FAA) для аэропортов и аэрокосмических приложений содержат требования, которые обеспечиваются при внешней передаче. Стандарт SAE Aerospace AS 25050 требует определенных коэффициентов внешней передачи для изделий разного цвета. В зависимости от уровня передачи изделиям присваиваются различные сорта (A-D).

Зависимость значений от длины волны

Важно отметить, что все описанные выше оптические свойства зависят от длины волны. Например, показатель преломления стекла увеличивается по мере того, как длина волны падающего света становится короче. Дисперсия показателя преломления часто показывается на примере расщепления белого света при прохождении через призму. Согласно закону Снеллиуса, поскольку n _синий  > n _{красный} , свет с синими длинами волн преломляется или меняет направление больше, в то время как красные длины волн преломляются меньше, когда они входят, проходят и покидают поверхности различной материи.

Показатель преломления стеклянного материала, изменяющийся в видимом спектре длин волн. Использование оптической призмы показывает эффект этого индекса изменения в видимом спектре, поскольку белый свет расщепляется на отдельные длины волн и цвета.

Зависимость показателя преломления от длины волны часто описывается с помощью эмпирического уравнения Коши,

здесь A, B и C — константы, характерные для состава стекла. Это соотношение хорошо работает для видимых длин волн, но часто не точно описывает поведение в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне.

Отражение, поглощение и пропускание стекла также зависят от длины волны. Цвет стекла определяется длиной волны, которую стекло поглощает и пропускает. Например, стекло, поглощающее волны зеленого, желтого и красного цветов и пропускающее волны синего цвета, будет казаться глазу голубым. Цветность — это то, о чем мы много знаем и обсудим более подробно в следующей статье блога.

Применение:

По мере того, как распространение светодиодов увеличивается и они заменяют обычные источники света, важно учитывать, чем отличается их светоотдача. На изображении ниже показано, как различается спектральная мощность синего, зеленого и красного светодиодов по сравнению с лампой накаливания (CIE Illuminant A). Цветные светодиоды имеют узкий диапазон длин волн излучаемого света, что необходимо учитывать при разработке для конкретных длин волн приложения.

Например, если вы проектируете оптические призмы или другие элементы объектива, крайне важно выбрать правильный показатель преломления. Как упоминалось ранее, показатель преломления меняется в зависимости от длины волны, поэтому может потребоваться учесть любые изменения показателя и разработать оптические характеристики, работающие во всем спектре, со светодиодами в диапазоне от синего до зеленого и красного.