Материал: Характеристики оптического стекла

Характеристики оптического стекла

Введение

Основными оптическими характеристиками стекла являются [2] показатель преломления n_D для линии D спектра натрии (λ_D=589,3 нм) и средняя дисперсия - разность показателей преломления для линий F (λ_F=486,0 нм) b C (λ_C=656,3 нм) спектра водорода (ГОСТ 3514-67). В каталогах на оптическое стекло кроме n_D и n_F- n_C приводятся другие оптические постоянные: коэффициенты дисперсии, частные дисперсии, относительные частные дисперсии и показатели преломления n_λ для ряда длин волн, начиная от ультрафиолетового и кончая ближней инфракрасной областью спектра.

Оптическое стекло изготавливается следующих марок: легкие кроны (ЛК), фосфатные кроны (ФК), кроны (К), баритовые кроны (БК), тяжелые кроны (ТК), сверхтяжелые кроны (СТК), кронфлинты (КФ), баритовые флинты (БФ), тяжелые баритовые флинты (ТБФ), легкие флинты (ЛФ), флинты (Ф), тяжелые флинты (ТФ) и особые флинты (ОФ).

Оптическое бесцветное стекло делят на классы по следующим показателям качества:

Допускаемые отклонения n_D и n_F- n_C от значений, установленных для стекла каждой марки;

однородность партии заготовок стекла по n_D и n_F- n_C;

оптическая однородность;

двойное лучепреломление;

коэффициент светопоглощения;

бессвильность;

пузырность.

1. Методы измерения показателей преломлений и коэффициентов дисперсии оптического стекла

Поскольку показатель преломления может быть измерен с высокой [1] точностью сравнительно простыми средствами, его широко используют в качестве одного из характерных параметров оптического вещества при его индетификации. Показатель преломления n равен отношению скорости света в вакууме к скорости света V в среде, т.е.

Кроме того, из физики известно, что показатель преломления определяется как , где ε и μ - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды соответственно. Для подавляющего большинства прозрачных сред μ =1 и .

Показатели преломления характеризуют оптическую плотность среды по отношению к вакууму. Такое определение n представляет трудную техническую задачу, поэтому на практике n определяют относительно воздуха. Обычно показатель преломления принимают равным единице.

Поскольку показатель преломления зависит от длины волны, то его измерения выполняются на разных длинах волн, которые соответствуют спектральным линиям конкретных химических элементов. Основным показателем преломления, характеризующим оптическое стекло является показатель преломления n_е, соответствующий длине волны λ=564.07 нм спектральной линии е ртути, расположенной в зеленой части спектра, вблизи максимума чувствительности глаза человека. Дисперсионные свойства стекла в видимой области спектра характеризуется величиной, называемой основной дисперсией и определяемой как разность показателей преломления n_F’ -n_C’ для длин волн λ_F’=479.99 нм и λ_С’=643.85 нм спектральных линий F’ и C’ кадмия.

Кроме того, оптические стекла характеризуются следующими средними дисперсиями n_i - n_g :

n_F - n_C , n_F -n_1013.9 , n_1013.9 - n_2249.3 ,

а также коэффициенты дисперсии

Величина ν_е является коэффициентом основной средней дисперсии или основным коэффициентом дисперсии. Его также называют числом Аббе.

Разность показателей преломления Δn= n_λ1 - n_λ2 любых других линий спектра называется частной дисперсией, а отношение частной дисперсии Δn к основной средней дисперсии n_F’ -n_C’ является относительной частной дисперсией.

Методы измерений показателей преломления по принципу использования в них физических явлений можно разделить на следующие группы [1]:

) Методы, в которых непосредственно используется закон преломления nsinε=n’sinε’. Измерения сводятся к определению углов падения ε и преломления ε’. Методы применяются, в основном, для измерения показателей преломления прозрачных и слабопоглащающих веществ. К этой группе относятся метод призмы, автоколлимационный или метод Аббе, методы предельного угла и др.

) Теневые методы. Используются для определения и измерений оптических неоднородностей в пределах исследуемого образца. В качестве примера можно привести метод Фуко, метод Фильпота-Свенсона и др.

) Интерференционные методы. В их основе лежит обстоятельство, что фаза света пропорциональна величине показателя преломления. В принципе эти методы могут быть реализованы на любом интерферометре, однако определенные преимущества имеют двухлучевые интерферометры типа Жамена (например, ИЗК-453), Рожденственского-Релея (ИТР-1, ИТР-2) и др. К этой группе относится иммерсионные метод Обреимова, удобный прежде всего для непрерывного контроля плавок оптического стекла при его производстве.

) Методы, использующие формулу Френеля о соотношениях интенсивности и поляризаций между падающим, отраженным и преломленным пучками на границе раздела двух сред

Эти методы эффективны при исследовании оптических свойств сильнопоглощающих сред, например, металлов.

Такое разделение является условным, так как в некоторых методах сочетаются различные физические явления, которые можно отнести к разным группам.

Для измерения показателя преломления и дисперсии оптического стекла чаще всего используются методы первой группы, реализуемые как на универсальных углоизмерительных приборах - гониометрах, так на специализированных - рефрактометрах.

1.1 Методы призм

В любом из вариантов метода призмы определения показателя преломления исследуемого вещества сводятся к измерению угла падения ε₁ на первую преломляющую поверхность трехгранной призмы [1], угла между преломляющими поверхностями Θ и угла преломления ε’₂ на второй преломляющей поверхности (рис. 1). Для того, чтобы измерять n с точностью ±1.5·10^-5, как установлено стандартами, требуется определить углы ε₁, ε’₂ и Θ с ошибками не более ±2”, грани должны быть отполированы с точностью в ¼ интерференционной полосы, а угол Θ должен лежать в пределах 40º÷60º в зависимости от показателя преломления n.

Рис. 1 Ход лучей через преломляющую призму в общем случае

Сам показатель преломления n рассчитывается по формуле:

Несколько упростить процессы измерения угла и расчета показателя преломления позволяет метод наименьшего отклонения (метод Фраунгофера). Минимальное отклонение лучей призмой δ_min имеет место при выполнении условия ε₁ = ε’₂.

При этом:

Вариантом метода Фраунгофера является автоколлимационный метод Аббе, реализуемы на гониометре с автоколлимационной трубой (рис. 2).

Рис. 2 Ход луча через призму в автоколлимационном методе Аббе (сплошные линии) и в методе наименьшего отклонения Фраунгофера (штриховые линии)

Измерение по методу Аббе сводятся к определению угла Θ и угла ε₁ , соответствующего совмещению автоколлимационного изображения креста сетки зрительной трубы гониометра с самой сеткой. При этом лучи падают на отражающую поверхность АВ нормально, т.е. ε₂=0. На рис. 2 Пунктиром показано изображение призмы CAD, полностью повторяющий метод Фраунгофера. Показатель преломления при измерениях по методу Аббе вычисляется по формуле

Рассмотренные выше методы предполагают наличия достаточно хорошо коллимированного монохроматического пучка света. Измерение показателя преломления в рассеянном пучке может быть выполнено по методу скользящего входа лучей по Кольраушу. Измерения сводятся к определению преломляющего угла призмы Θ и угла преломления ε’₂ на выходной грани призмы луча 1, вошедшего в нее под углом падения ε₁=90º (см. рис. 3).

Рис. 3 Скользящий ход луча по Кольраушу

Перекрестие (или бисектор) зрительной трубы гониометра наводится на границу света и тени, а положение оптической оси зрительной трубы, перпендикулярное выходной грани призмы, определяется автоколлимационным методом. Показатель преломления при этом вычисляется по формуле

.1.1 Рефрактометры

Рефрактометр ИРФ-23 типа Пульфриха широко используется для быстрого и точного определения показателей преломления жидкостей и твердых тел [2]. Принцип действия его основан на измерении предельного угла (рис.4).

Рис. 4 Измерение предельного угла выхода

Лучи света, скользящие вдоль плоскости соприкосновения образца и призмы рефрактрометра, входят в призму под углом полного внутреннего отражения и выходят под предельным углом выхода i (см. рис. 4). Система призм составлена из кубического испытуемого образца с хорошо обработанными гранями и эталонной призмы с качественно выполненным преломляющим углом в 90º и известным с большой точностью показателем преломления N. Если преломляющий угол эталонной призмы отличается от 90º не более чем на 3”, то показатель преломления испытуемого образца n может быть вычислен по формуле

где N - измеренный показатель преломления призмы.

Рассмотренный метод измерения на рефрактрометре показателей преломления стекла с точностью ±1·10^-4 и дисперсий с точностью ±2·10^-5 регламентирован ГОСТом 3516-56.

На рис. 5 приведена оптическая схема рефрактрометра ИРФ-23. Свет от источника линейчатого спектра 1 с помощью осветительной системы 2 направляется вдоль горизонтальной грани измерительной призмы 7. На эту грань устанавливают образец, имеющий две плоские взаимно перпендикулярные грани с точностью до 10’. Оптический контакт между образцом и призмой обеспечивается тонким слоем жидкости с показателем преломления не меньшим, чем у образца. Клиновидность слоя жидкости между образцом и призмой не должна превышать двух интерференционных полос.

Граница светотени рассматривается через зрительную трубу, состоящую из объектива 8, призмы 9 и окуляра 13. Зрительная труба может поворачиваться относительно оси ll. В фокальной плоскости окуляра 13 имеется сетка с перекрестием нитей 10, устанавливаемым при измерении на границу светотени.

Рис.5 Рефрактрометр ИРФ-23:

а- оптическая схема; б- внешний вид

Величину предельного угла отсчитывают по лимбу 12, жестко связанному со зрительной трубой. Шкала лимба освещается лампочкой 16 через светофильтр 17 и конденсор 18 и наблюдается в отсчетный микроскоп небольшого увеличения, состоящий из объектива 20, призм 3 и спирального окулярного микроскопа 19.

Призменно-линзовая система 4,6 перекрывает свет от источника 1 и направляет на призму 7 свет от источника 5.

Правильная установка призмы 7 и нулевой отсчет контролируется зрительной трубой, которую перестраивают в автоколлиматор. Перекрестие сетки 10 освещается от источника 16 с помощью призм 15, линзы 14 и призмы подсветки 11.

При измерениях на рефрактрометре применяют натриевую лампу (желтая линия D), гелиевую разрядную трубку (желтая линия d ), водородную разрядную трубку (красная линия С, голубая линия F) и ртутную лампу (фиолетовая линия g и зеленая линия е). К прибору прилагается набор из трех эталонных призм с показателями преломления N_D=1.616751, 1.740176 и 1.8606196, обеспечивающих диапазон измерений n от 1.33 до 1.78 и соответствующие им иммерсионные жидкости. Образец испытуемого стекла должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда или прямоугольной призмы размером не менее 3х3х3 мм, а две его грани должны быть хорошо отполированы.

Рефрактометр ИРФ-25 мало отличатся от ИРФ-23, но измеряет показатели преломления с точностью до ±1·10^-5 .

На методе призмы основан и рефрактометр ИФ-24. Он предназначен для измерения показателей преломления и дисперсии оптических материалов в области 0.2-15 мкм. В частности с помощью ИФ-24 измерены стекла, вошедшие в новый ГОСТ 13659-68.

Рефрактометр ИФ-24 представляет собой секундный автоколлимационный гониометр-спектрометр с фотоэлектрической регистрацией сигнала. Он состоит из гониометра и жестко связанного с ним инфракрасного монохроматора, причем выходная щель монохроматора является входной щелью гониометра.

1.2 Интерференционные методы.

Показатели преломления и дисперсию можно измерить любым интерферометром, но более широкое применение получили двухлучевые интерферометры, в которых измеряются разности показателей преломления двух веществ, помещенных в интерферирующие пучки [2].

Промышленность выпускает интерферометры ИТР-1 и ИТР-2, измеряющие показатели преломления твердых, жидких и газообразных объектов методом сравнения.

На рис. 6 приведена оптическая схема ИТР-1, основу которой составляет схема Рэлея, где интерференционная картина возникает в результате дифракции света на двух щелях.

Рис. 6 Оптическая схема интерферометра ИТР-1

Источник света 1 конденсором 2 проектируется в плоскость первичной щели 3, расположенной в фокальной плоскости объектива 4. За объективом 4 в параллельных пучках установлены две щели 5. Между окнами 6 и 8 в верхней части пучка находятся жидкостные кюветы 7 или другие объекты измерения.

В пучках лучей, проходящих исследуемое и эталонное вещество, расположены две плоскопараллельные пластины: неподвижная 9 и подвижная компенсационная 10, наклоняемая при помощи рычажной передачи с микровинтом 13. На пути лучей, проходящих в нижней части схемы по воздуху, находится пластина 11, разграничивающая две интерференционные картины.

Эти две картины наблюдаются в фокальной плоскости объектива 12 с помощью окуляра большого увеличения, состоящего из цилиндрической линзы 15 и глазной линзы 16.

Неподвижная интерференционная картина, образованная нижними пучками, используется как нониальный индекс. Верхние пучки, пройдя объекты с различными показателями преломления, приобретают разность хода

Где n_И и n_Э - показатели преломления исследуемого и эталонного объектов; l - длина объектов.

В результате этого верхняя интерференционная картина смещается относительно нижней. Наклоном компенсационной пластины 10 эту картины возвращают назад до совмещения с неподвижной. Отсчет по барабану микромеханизма компенсатора с помощью лупы 14 определяет разность хода Δ, а через нее и разность показателей преломления.

ИТР-1 отличается малой чувствительностью к внешним воздействиям: деформации прибора приводят к смещению обеих картин, но не меняют их взаимного положения. В ИТР-1 достигается повышенная точность совмещения картин, равная 1/30-1/40 ширины полосы, что объясняется применением отсчета по нониусу.