Материал: Характеристики оптического стекла

Основное отличие интерферометра ИТР-2 от ИТР-1 в том, что он построен по автоколлимационной схеме и поэтому меньше по габаритам.

Двухлучевые интерферометры позволяют измерять показатель преломления образцов стекла одной марки с точностью до ±1·10^-5 .

.2.1 Иммерсионный метод акад И.В. Обреимова

Иммерсионный метод акад И.В. Обреимова [2] относится к интерференционным и в отличие от рассмотренных ранее является быстрым и удобным для измерения показателей преломления стекла в форме небольших осколков (или линзочек), что особенно важно для стекловаренных заводов.

Метод основан на явлении исчезнования видимости границ стекла, погруженного в иммерсионную жидкость, при длине волны монохроматического света, для которой показатели преломления жидкости и стекла между собой уравниваются (рис.7). Метод сводится к измерению интерференционным способом разности показателей преломления измеряемой пробы стекла и образца сравнения. Образец и пробу помещают в кювету с иммерсионной жидкостью и с помощью монохроматора сначала определяют длину волны λ₀, при которой исчезает видимость границ образца, а затем - длину волны λ, при которой исчезает видимость границ пробы стекла.

Рис. 7 Кривые дисперсии метода Обреимова:

1 - жидкость; 2 - проба; 3 - образец

С изменением длины монохроматического света наблюдаются передвигающиеся через ребро образца интерференционные полосы. Разность показателей преломления пробы и образца вычисляют по формуле

где N - число полос, прошедших через ребро образца при переходе от λ₀ к λ;

S - толщина образца;

n_об и n_пр - показатели преломления образца и пробы.

Схема установки по методу Обреимова привдена на рис. 8 Прямоугольная кювета 3 с жидкостью, образцом 1 и пробой 2 устанавливается на пути лучей, выходящих из монохроматора 5. В качестве образца применяется плоскопараллельная пластина 2Х10Х10 мм со скошенным углом (фаской), причем ее малая грань с фаской параллельна выходной щели 4 монохроматора. Кювета и образующаяся в ней картина наблюдается в окуляр.

Рис. 8 Схема установки по методу Обреимова

Метод Обреимова обеспечивает точность измерения показателя преломления ±1·10^-4 при разности показателей преломления пробы и образца не более ±5·10^-3 (ГОСТ 5421-56).

2. Методы измерения оптической однородности, коэффициента светопоглощения, двойного лучепреломления, пузырности и бессвильности

.1 Методы измерения оптической однородности

Под оптической однородностью понимается однородность стекла по показателю преломлению [2]. Длина оптического пути, проходящего плоским волновым фронтом через плоскопараллельную пластинку, изготовленную из стекла с неоднородной по показателю преломления массой, в разных точках различна. Отклонение формы прошедшего через такую пластинку волнового фронта от плоскости определяет его волновую аберрацию. В результате определение освещенности в изображении точки, образованном таким волновым фронтом, отличается от безаберрационного, причем разрешающая способность такого изображения, как правило, ухудшается.

Оптическая однородность стекла измеряется на коллиматорной установке (ГОСТ 3518-69). Ее схема приведена на рис. 9 Установка состоит из коллиматора и зрительной трубы, снабженных объективами 3 и 6. Их фокусные расстояния не менее 600 мм, а относительные отверстия не более 1:9. В фокальной плоскости объектива коллиматора установлена штриховая мира 2, освещенная лампочкой накаливания. Для работы в монохроматическом свете в ход лучей в осветителе включаются зеленые светофильтры. Коллиматор снабжен пятью сменными штриховыми мирами с № 1 по 5 и тремя точечными диафрагмами диаметром от 0.007 до 0.1 мм. Зрительная труба снабжена сменными окулярами 7 с увеличением 7^х, 10^х и 25^х.

Рис. 9 Схема коллиматорной установки для измерения оптической однородности

Испытуемый образец в виде круглого диска или прямоугольной плитки с полированными с двух сторон гранями и с клиновидностью не более 2’ устанавливается на столик 5 в параллельный пучок лучей. Диаметр диафрагмы 4, установленной перед коллиматором, должен быть равен размеру проверяемого образца.

Стекло со шлифованными поверхностями просматривают с накладными пластинами, смоченными иммерсионной жидкостью.

Штриховая мира для коллиматора подбирается в зависимости от диаметра проверяемого образца. При диаметре диафрагмы, равному диаметру образца, измеряют наименьший угол разрешения φ коллиматорной установки с испытуемым образцом и угол фактического разрешения φ₁ установки без образца. По отношению φ/ φ₁ устанавливают категорию стекла.

Коллиматорная установка считается пригодной для работы, если угол φ₁ отличается от расчетного теоретического угла φ₀ не более чем на один элемент миры. Теоретический угол разрешения рассчитывают по формуле

где D - диаметр диафрагмы коллиматора в мм, соответствующий диаметру светового отверстия детали.

Для стекол первой категории, кроме определения угла разрешения, который должен быть равен теоретическому углу разрешения, требуется просматривать дифракционное изображение точечной миры. Для просмотра используют микроскоп с увеличением 100^х, устанавливаемый вместо окуляра. Дифракционное изображение точки должно состоять из светлого круглого пятна, окруженного концентрическими кольцами без разрывов и хвостов.

.2 Методы измерения коэффициента светопоглощения

Точность метода измерения коэффициента светопоглощения оптического стекла равен ±1.5·10^-4 ( ГОСТ 3520-51). Коэффициентом светопоглощения К называется отношение потока белого света, поглощенного в слое стекла толщиной 1 см, к потоку, вступившему в этой слой [2]:

где l - длина испытуемого образца стекла в см;

n - показатель преломления стекла для линии D;

τ - коэффициент пропуская образца, равный отношению световому потоку F₁, прошедшего через образец, к падающему на него световому потоку F .

Измерение τ можно проводить на любом фотометре, обеспечивающем точность ±0.5%, что при длине образца 10 см соответствует точности вычисления коэффициета светопоглощения, равной ±0.05% или ±0,0005.

Образцы стекла для измерения должны иметь форму параллелепида 100Х25Х25 мм, клиновидность торцев не должна превышать 2º. Длина каждого образца измеряется с точностью ±0.5 мм.

Рекомендуется измерять коэффициент пропускания с помощью объективного фотометра прямого отсчета, схема которого приведена на рис. 10.

Рис. 10 Схема фотометрической установки для измерения светопоглощения стекла

Лампа накаливания 1, работающая от стабилизированного источника питания, через конденсор 2 освещает диафрагму 4, которая установлена в фокусе объектива 5. Перед диафрагмой находится зеленый светофильтр 3. Около объектива 5 расположена ирисовая диафрагма 6, регулирующая ширину светового пучка.

Дополнительная линза 7 изображает диафрагму 4 в своем заднем фокусе. Испытуемый образец стекла 8 устанавливают на столике так, чтобы отраженный от него свет не попадал в линзу 7.

В качестве приемника света используется фотометрический полый шар 10 диаметром 100 мм с белой матовой внутренней поверхностью. В стенку шар встроен селеновый фотоэлемент 9 площадью 10 см², имеющий в центре отверстие диаметром около 15 мм. Для измерения фототоков рекомендуется микроамперметр 11 с теневой стрелкой, типа М-91, с пределами 0-10 мА.

В комплект прибора входят четыре нейтральных образца светопропускания (τ = 0.9; 0.8; 0.7;0.6), снабженных паспортом точных значений τ.

При измерений τ на фотометре прямого отсчета определяют величины двух фототоков: с образцом стекла и без него. Между фототоком и световым потоком существует линейная зависимость, поэтому τ находится как отношение указанных фототоков или отношение соответствующих показаний микроамперметра.

По измеренному τ и известным l и n по формуле рассчитывают коэффициент светопоглощения К.

По рассмотренной принципиальной схеме построен промышленный одноканальный фотометр прямого отсчета ИФ-16, обеспечивающий точность 0.05% на сантиметр образца. Также существуют стекла с поглощением меньше 0.05% на сантиметр, поэтому возникла потребность в фотометре повышенной точности.

В двухканальном фотометре ФМ-94 измеряется разность фототоков, прошедших через гальванометр. Фототоки соответствуют двум световым потоком, поступающим на два приемника, представляющих собой фотометрические шары с селеновыми фотоэлементами. Один поток, неизменный по величине, является потоком сравнения. Второй поток, прошедший через образец или через градуированный ослабитель (вращающиеся калиброванные секторы), меняется по величине. Так как разность фототоков на порядок меньше самих потоков, а в гальванометре используется весь предел измерения, то надежность измерения малых изменений рабочего потока возрастает. Фотометр ФМ-94 характеризуется точностью измерений светопоглощения 0.01% на сантиметр образца.

.3 Методы измерения двойного лучепреломления

Остаточная неоднородность после отжига стекла по показателю преломления, а, следовательно, и по коэффициенту линейного расширении, а также структурные изменения при механической обработке стекла приводят к остаточным напряжениям, определяющим появление двойного лучепреломления, подобного двойному лучепреломлению, которое наблюдается в одноосных кристаллах, например, таких, как исландский шпат, кварц и другие. Луч плоскополяризованного света, проходящий через стекло с остаточными напряжениями, распадается на два луча: обыкновенный и необыкновенный. Плоскости колебаний в направлении распространения этих лучей взаимноперпендикулярны и совпадают с направлениями главных натяжений в стекле. Оба луча в стекле распространяются с различной скоростью, в результате чего образуется некоторая разность хода. Попадая в анализатор, составляющие взаимноперпендикулярных колебаний оказываются в одной плоскости, в результате чего интерферируют между собой, создавая картину цветных полос или просветленное поле. Для обыкновенного и необыкновенного лучей при любом направлении их падения стекло имеет разные показатели преломления.

Метод измерения двойного лучепреломления на поляриметре [2] определен ГОСТ 3519-69. Двойное лучепреломление в стекле вызывается напряжениями, возникающими от термических и механических воздействий. Двойное лучепреломление заключается в том, что луч света, входящий в образец стекла, разлагается на два луча - обыкновенный и необыкновенный, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, а скорости распространения различны.

Для стекол скорость обыкновенного луча v₀ меньше скорости v_e необыкновенного, а показатель преломления n₀ > n_e. Величина двойного лучепреломления определяется разностью хода δ обыкновенного и необыкновенного лучей и выражается в мм на 1 см пути луча в стекле.

Рис. 11 Схема поляриметра для измерения двойного лучепреломления

До начала измерений плоскости поляризации анализатора и поляризатора перпендикулярны. Для этого вращают анализатор и устанавливают его на темноту, что соответствует отсчету по лимбу анализатора Оº. В пучок лучей вводят образец стекла, причем если последний обладает двойным лучепреломлением, то при наблюдении в анализатор в середине и по краям образца видны области просветления, разделенные двумя темными полосами.

Поворачивают анализатор до тех пор, пока обе темные полосы не переместятся в середину образца и не сольются в одну. По лимбу отсчитывают угол поворота анализатора. Указанная методика применяется, если разность хода в образце меньше 100 нм.

Если разность хода находится в пределах от 100 до 540 нм, то с помощью зеленого светофильтра устраняют цветовой тон в середине образца, мешающей установке анализатора на минимум освещенности.

Если разность хода больше 540 нм, то при наблюдении без светофильтра видны ряд цветных полос и две ахроматические, черные или серые. В этом случае поворот анализатора меняет окраску середины образца, но не дает полного затемнения. В ход лучей необходимо ввести светофильтр, тогда поворот анализатора приведет к перемещению полос. Отсчитывают угол поворота анализатора, соответствующий максимальному потемнению в середине образца, затем, установив анализатор на 0º и заметив без фильтра положение ахроматической полосы, вновь вводят фильтр и подсчитывают число темных полос N, расположенных между ахроматической полосой и серединой образца.

По результатам измерений вычисляют разность хода

где Θ - угол поворота анализатора в градусах;

N - число темных полос между ахроматической полосой и серединой образца;

l - толщина образца в направлении просмотра в см.

Отечественной промышленностью выпускаются полярископы-поляриметры ПКС-56 и ПКС-125. Они построены по принципиальной схеме рис. 8 и обеспечивают высокую точность измерения двойного лучепреломления до ±3 нм на всей толщине образца.

.4 Метод определения пузырности

Пузырность оптического материала оценивается категорией (диаметром наибольшего пузыря в заготовки), классом (средним числом пузырей в единице массы или объема сырьевого материала), средним числом пузырей определенного размера по ГОСТ 23136 или суммарной площадью сечений пузырей, содержащихся в единице материала [3].

Метод определения пузырности в соответствии с ГОСТ 3522-81 заключается в просмотре оптических материалов при направленном освещении на темном фоне и определении размеров и числа имеющихся в них пузырей. Просмотр или подсветку образца стекла осуществляют через полированные поверхности. Образцами, предназначенными для определения пузырей, могут быть куски стекла по форме, близкой к кубу, объемом 160-180 см³, куски с двумя противоположно обработанными сторонами, а также пластины, отрезанные от листа, плитки, бруса размером 100x100 мм².

При определении пузырности используют следующие приборы, приспособления, реактивы, материалы:

микроскопы;

универсальную измерительную трубку;

измерительные лупы по ГОСТ 25706;

телескопические монокулярные лупы типа ТЛА или ЛПШ-474;

объект-микрометр;

окуляр-микрометр с измерительной сеткой;

весы по ГОСТ 29329;

спирто-эфирную смесь СЭ-90;

салфетки из батиста или фланели по ГОСТ 29298;

кюветы;

иммерсионные жидкости;

карандаш-стеклограф;

При определении категории и пузырности, а также среднего числа пузырей образец помещают в пучок лучей от осветителя. Просмотр ведут при боковом или прямом освещении через поверхность, соответствующую установленным ГОСТои требованиям к образцу. При боковом освещении пучок лучей от осветителя направляют на боковую поверхность образца таким образом, чтобы поверхности, через которые ведут просмотр, оставались в тени. Это достигается раскрытием диафрагмы в зависимости от толщины образца стекла.

.5 Метод определения бессвильности

Свили - это резковыраженные локальные оптические неоднородности стекла. Они представляют собой прозрачные нитевидные или слоистые включения, имеющие показатель преломления, отличный от показателя преломления основной марки стекла.

Метод определения бессвильности [3] оптического стекла устанавливает ГОСТ 3521-81. Сущность метода заключается в оценке теневой картины свили, получаемой на экране проекционной установки при просмотре стекла в заданном направлении либо сравнением ее с теневой картиной свили контрольного образца, либо определением длины свилей, расстояния между ними, площади, занятой свилями, глубины залегания. Пробу для изготовления образцов для испытания следует отбирать от сырьевого оптического стекла перед разделкой его на заготовки в объеме и по схеме, установленным технической документацией.