48087

Оптическое материаловедение

Конспект

Производство и промышленные технологии

В это время потребность оптического производства в разнообразных оптических приборах составляет несколько тысяч тонн стекла. При этом полностью обеспечивается отечественное оптическое приборостроение в стекле, которое частично идет на экспорт. Расход оптических кристаллов достигает десятки тонн.

Русский

2013-12-15

442.58 KB

10 чел.

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики

Кафедра: «Инновационные технологии в приборостроении, микро- и оптоэлектронике»

Дюжиков В.И.

Оптическое материаловедение

Курс лекций

часть 1а

Направление подготовки 200400 «Оптотехника»

Профиль подготовки бакалавров 200.400.04

Оптические технологии и материалы

Москва 2011
Введение

Для создания оптических приборов требовалось, прежде всего, стекло с заданными качествами (параметрами) показателя преломления и средней дисперсии.

Стекло – аморфное вещество, а значит оно оптически изотропно, то есть показатель преломления и средняя дисперсия во всех направлениях одинаковы.

Пётр I организует первую оптическую мастерскую, где изготавливаются оптические приборы. Затем открываются мастерские при академии наук.

М. В. Ломоносов исследует состав и свойства стекла. Он закладывает основы о варке стекла с заданными оптическими свойствами, разрабатывает рецепты состава стёкол – бесцветных и цветных.

Д. И. Менделеев в докторской диссертации разрабатывает учение о стеклообразном строении вещества как переохлаждённом растворе. Он рассматривал стекло как сплав различных окислов.

В Германии в XIX веке был разработан промышленный способ производства оптического стекла. При этом было получено однородное оптическое стекло без пузырей и свилей. Этот способ применяется до сих пор и предназначен, прежде всего, для изготовления из стекла оптических деталей приборов наблюдения. К этому времени сформировалось представление о стекле двух типов: кроны и флинты.

Физик Эрнст Аббе и промышленник Фридрих Отто Шотт разработали каталог оптических стёкол.

К этому времени в Германии создаётся два завода: по стеклу Шотта и приборостроительный завод К. Цейса. Будущие академики-оптики: Н.Н. Качалов и И. В.  Гребенщиков изучили технологию варки стекла и в 1926 году организовали производство оптического стекла. В Ленинграде завод оптического стекла стал выпускать усовершенствованную продукцию. Здесь втрое сократили время варки стекла, не ухудшив качества стекла. В 30-е годы Россия производила около 50 марок стекла. В 60-е годы, наряду с наблюдательными приборами появились полупроводниковые лазеры. В 1970 году появились волоконно-оптические линии связи. В 70-е годы появились приборы ночного видения. Отечественное производство оптических бесцветных и цветных стекол достигло 150 марок в 1971 году и 400 марок в 1991.  

В это время потребность оптического производства в разнообразных оптических приборах составляет несколько тысяч тонн стекла. При этом полностью обеспечивается отечественное оптическое приборостроение в стекле, которое частично идет на экспорт. Расход оптических кристаллов достигает десятки тонн.

Оптические материалы

ОМ – это вещества, главными характеристиками которых являются оптические свойства.

У приборов наблюдения (очки, бинокли и т.д.), главной характеристикой является качество изображения. Качество изображения, создаваемого оптическим прибором, находится в прямой зависимости от материала, из которого изготавливаются узлы и приборы в целом.

К ОМ предъявляются следующие требования:

  1.  Конструкционные;
  2.  Технологические;
  3.  Эксплуатационные.

Необходимые оптические свойства ОМ удовлетворяются их природой и химическими свойствами. Физические, химические и механические свойства ОМ весьма разнообразны.

Оптические характеристики и параметры материалов

Оптические свойства ОМ есть результат их взаимодействия с электромагнитным излучением. Любое излучение характеризуется формулой:

,

где Е – квант лучистой энергии;

h – постоянная Планка;

 частота излучения;

c – скорость света;

 длина волны.

Различают следующие виды электромагнитного излучения:

  1.    излучение;
  2.  Рентгеновское излучение (X  лучи);
  3.  УФ – излучение (180-380 нм);
  4.  Видимое излучение (380-760 нм);
  5.  ИК – излучение (760-5000 нм);
  6.  Радиоволны.

Рисунок 1 –Явления отражения, поглощения и пропускания света ОМ

  1.    коэффициент отражения

;

  1.    коэффициент поглощения;                                              
  2.    коэффициент пропускания;
  3.  

Рисунок 2 – Явление люминесценции ОМ

Двойное лучепреломление – в анизотропном материале световой луч разделяется на два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяющихся с разными скоростями (, ). Эти лучи принято  называть обыкновенным (ordinare – франц.) и необыкновенным (extra ordinare – франц.);

  1.  Люминесценция – свечение вещества под действием падающего света.

- правило Стокса.

Оптические постоянные

Качество  изображения, создаваемое оптическим  прибором, находится в прямой зависимости  от  качества материала его  деталей.

Оптические  постоянные  оптических  стекол: показатель  преломления; средняя и частная дисперсия определяют область их  применения.

Показатель  преломления n оптического  материала – это  отношение  скорости  света  в  вакууме  к  скорости света  в  данном  оптическом  материале  v:  

n   =

Приводятся для длин волн 23-х спектральных линий и для 12 длин волн, генерируемых лазером.

Таблица 1 – Длины волн и символы линий спектра

, нм

Символ

Элемент

Область спектра

365

i

Hg (ртуть)

Ультрафиолетовый

404,36

h

Hg

Фиолетовый

479,99

F'

Cd (кадмий)

Синий

546,07

e

Hg

Зелёный

643,86

C'

Cd

Красный

В качестве  номинального  показателя  преломления  согласно  ГОСТ 23136-93  установлен показатель преломления ne для спектральной линии e ртути, соответствующей  длине  волны e= 546,07 нм.

Дисперсия – это изменение показателя преломления.

 средняя дисперсия;

и  частная дисперсия;

и  относительная дисперсия;

    Рисунок 3 – Зависимость показателя      

    преломления от длины волны

 коэффициент дисперсии (число Аббе).

Механические свойства ОМ

Характеризуются прочностью, упругостью, хрупкостью, твёрдостью.

Прочность (теоретическая) – сопротивление ОМ механическому разрушению. Она определяется, исходя из сил молекулярного взаимодействия ОМ.

График зависимости силы взаимодействия атома от расстояния между ними, где r0 – равновесное состояние (рисунок 4).

На расстоянии r0 результирующая сила равна 0,  при расстоянии более r0 сила отталкивания равна 0.

Теоретическая прочность может быть рассчитана, исходя из притяжения между частицами по закону Кулона (рисунок 5):

.

Рисунок 4 – График зависимости силы взаимодействия атома от расстояния между ними

Рисунок 5 – К расчету теоретической прочности ОМ (NaCl)

Так как на единицу площади поперечного сечения NaCl приходится NS=1/r02 атомов, тогда

.

Зная параметры, можно для каждого материала рассчитать теоретическую прочность по формуле:

.

В качестве примера в таблице 2 приведены прочностные характеристики меди, железа, стекла и каменной соли.

Таблица 2 – Прочностные характеристики материалов

прочностные характеристики

медь

железо

стекло

каменная соль

E, Пa

12*1010

21*1010

8*1010

4*1010

σ0 ≈ 0,1 Е, Па

1,2*1010

2,1*1010

0,8*1010

0,4*1010

σр, Па

2,3*108

3*108

0,8*108

0,5*107

σ0 р

50

70

100

800

Теоретическая прочность любого ОМ всегда превосходит реальную прочность (например, у NaCl теоретическая прочность в 800 раз больше реальной прочности).

Техническая (реальная) прочность – это прочность реальных ОМ, используемых в оптической технике.

В настоящее время различия между реальной и теоретической прочностью объясняется наличием в реальных ОМ различного рода дефектов (например, микротрещин, снижающих их прочность – Гиффитс, 1923 год).

,

где 𝛔К – напряжение у края трещины;

𝛔 – среднее напряжение.

Разрушение начинается тогда, когда σк достигает значения σp:

;

Рисунок 6 – Концентрация напряжений у концов трещины с радиусом закругления a

, т.к. ,

где a – радиус закругления;

𝛔к – напряжение у края микротрещины.

Для ;  мкм;  a – несколько межатомных расстояний.

Источником таких трещин могут быть процессы обработки ОМ Если взять стеклянное волокно диаметром 2,5мкм, то его прочность примерно в 100 раз больше прочности массивных оптических элементов. Это объясняется тем, что с уменьшением размеров образца, вероятность появления в нём больших трещин очень мала.

В зависимости от разрушающих усилий различают прочность: 𝛔растяжения, 𝛔сжатия, 𝛔изгиба. Для большинства ОМ отношение 𝛔сжатия к 𝛔растяжения значительно больше 1 (𝛔сж/ 𝛔р 1).

Упругость – свойство ОМ восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Напряжение 𝛔 определяется законом Гука.

 закон Гука,

где E – модуль Юнга;

 относительная деформация.

;   ,

где G – модуль сдвига;

 коэффициент Пуассона (показывает, насколько образец становится тоньше при растяжении).

E зависит от жёсткости химической связи между частицами (атомами) ОМ.

Хрупкость – это сопротивляемость ОМ динамическим нагрузкам (например, удару). Более хрупкими являются ОМ, у которых химические связи между атомами строго направлены. В этом случае связь разрушается раньше, чем атомы восстанавливают её с новыми атомами.

Коэффициент жёсткости:

,

где r0 – межатомное расстояние.

Твёрдость ОМ – это способность материала сопротивляться проникновению в него более твёрдому материалу.

По способу определения твёрдости различают:

  1.  стеклометрическую, определяемую царапанием (по Моосу):
  2.  алмаз (C)   10
  3.  корунд (Al2O3)  9
  4.  кварц    7
  5.  стёкла    5-6
  6.  ноготь человека  4
  7.  тальк    0
  8.  абразивную твёрдость, по скорости сошлифовывания, которая характеризует отношение объёма сошлифованного эталонного материала к объёму испытуемого. За эталон обычно берут стекло К8.

  1.  стекло К8   Кш=1
  2.  более мягкие стёкла  Кш<1
  3.  более твёрдые стёкла Кш>1

  1.  микротвердость по отпечатку (по Виккерсу).

Микротвердость определяют путем вдавливания в оптический материал под нагрузкой алмазной пирамиды Виккерса с квадратным  основанием и углом между гранями, равным  136, при нагрузке не более 1,962Н (200 гс). На поверхности образца из хрупкого оптического матеиала в результате этого образуется квадратный микроотпечаток , размер которого зависит от величины нагрузки и твердости образца ( рисунок 7).

                               

Рисунок 7 – Форма  отпечатка

                                                               

                                        

Длину диагонали отпечатка измеряют при помощи микроскопа, имеющего окулярный микрометр. Длина такой диагонали у хрупких оптических материалов не должна превышать 10 мкм, так как при отпечатках больших размеров могут появляться следы хрупкого разрушения, затрудняющие измерения.

Число микротвердости определяют делением приложенной к алмазной пирамиде нормальной нагрузки в ньютонах (килограмм-силах) на условную поверхность боковой поверхности, полученного отпечатка в квадратных миллиметрах. Для четырехгранной пирамиды с квадратным основанием число микротвердости Н следует вычислять по формуле:

,

где    P - нормальная нагрузка, приложенная к алмазной пирамиде, Н (кгс);

S - условная площадь боковой поверхности полученного отпечатка, мм2;

 - угол заострения алмазной пирамиды, ;

d - среднее арифметическое длины обеих диагоналей квадратного отпечатка, мм.  

Глубина внедрения пирамиды  при этом составляет

,

Химические свойства

Важнейшим из химических свойств является химическая устойчивость – способность ОМ противостоять разрушению водой, кислотами, щёлочами, растворами солей и т.д. В оптике существует два показателя химической устойчивости:

  1.  устойчивость к действию влажной атмосферы;
  2.  устойчивость к действию пятнающих реагентов.

Большинство ОМ обладают достаточно высокой устойчивостью по обоим показателям.

Кристаллы отличаются большим разнообразием свойств (существуют, например водорастворимые).

Тепловые свойства ОМ

  1.  Удельная теплоёмкость (C) – это количество  тепла, необходимое при данной температуре для нагревания единицы массы материала на один градус.

Чем меньше удельная теплоёмкость, тем медленнее остывает материал.

  1.  С=0,407 – флинт;
  2.  С=0,895 – кварц.

Поэтому эти ОМ более предпочтительны для выработки изделий сложной формы методом прессования.

  1.  Теплопроводность () – способность материала передавать тепловую энергию в направлении более низких температур.

,

где М – масса частиц или атомов, входящих в состав ОМ.

  1.  Тепловое расширение.

Оно характеризуется коэффициентом линейного расширения . Он зависит от химического состава ОМ и изменяется в широких пределах.

При нагревании, большинство ОМ расширяется, но есть ситаллы, которые не расширяются. Для ОМ с сильной химической связью коэффициент  меньше.

  1.  Неорганические стёкла и кристаллы:  
  2.  Кварц:        
  3.  Органические стёкла:    
  4.  Термостойкость – способность ОМ выдерживать большой перепад температур без разрушения.

  1.  Термооптические постоянные.

VС – характеризует изменение оптических свойств при нагревании.

; .

Классификация ОМ:

  1.  По областям применения:
  2.  ОМ для передачи изображения и световых потоков;
  3.  ОМ для твёрдотельных лазеров;
  4.  Электрооптические и магнитооптические ОМ для управления световым потоком;
  5.  Нелинейные ОМ ()

- линейный оптический эффект

- нелинейный оптический эффект;

  1.  Радиационно-стойкие ОМ;
  2.  Сцинтилляторы (под действием радиации дают излучение в видимом диапазоне волн);
  3.  Фотохромные стёкла (очки – «хамелеоны»);
  4.  ОМ для волоконной и интегральной оптики;
  5.  Оптические кристаллы;
  6.  Оптическая керамика.
  7.  По составу и структуре
  8.  Неорганические оптические стёкла;
  9.  Оптические ситаллы;
  10.  Оптические кристаллы;
  11.  Оптическая керамика;
  12.  Органические оптические стёкла и клеи.

Неорганические оптические стёкла.

Рисунок 8 – Расположение частиц в кристаллических ОМ

Это неорганические вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии. Все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях (твёрдом, жидком и газообразном). Со структурной точки зрения эти три состояния различаются порядком расположения частиц друг относительно друга, т.е. внутренней структурой.

Твёрдые тела бывают в двух основных физических состояниях:

  1.  Кристаллическом;
  2.  Аморфном (стеклообразном).

Твёрдому кристаллическому состоянию присуще наличие дальнего порядка, т.е. строго определённое повторяемость в любых направлениях атомов или групп атомов. Основной признак кристаллического состояния – анизотропность (неодинаковость) физических свойств, которая обусловлена существованием правильной пространственной кристаллической решётки.

Для жидкого состояния характерен только ближний порядок  - некоторая упорядоченность в расположении элементов структуры. Дальний порядок отсутствует. Характерный признак – это изотропность (одинаковость) вещества в жидком состоянии.

В газообразном состоянии отсутствует и дальний, и ближний порядки. Упорядоченные группы молекул нарушаются тепловым движением молекул.

Аморфными называют тела, при упаковке атомов которых, отсутствует дальний порядок, как и в жидком состоянии. В аморфном состоянии только ближний порядок. Аморфные тела, как и жидкости - изотропные.

Основной разновидностью аморфного состояния является стеклообразное состояние, т.е. твёрдое состояние при затвердевании вещества без перехода в кристаллическое состояние.

Особенности стеклообразного состояния.

Рисунок 9 – Изменение температуры при затвердевании стекла (1) и кристалла (2)

Если вещества находятся в расплавленном жидком состоянии, то при затвердевании (охлаждении) они могут кристаллизироваться (по кривой 2), или перейти в стеклообразное состояние (по кривой 1). Для кристалла существует строго определённая температура TКР=TПЛ. Для стеклообразного состояния не существует строго определённой температуры:

  1.  Tf  = TТЕК – температура текучести;

Tg  = TСТ – температура стеклования.

Температурный интервал Tf-Tg называется  интервалом температурных превращений.

  1.  Потенциальная энергия в жидком состоянии больше потенциальной энергии стеклообразного состояния и больше, чем в кристаллическом состоянии.

EПОТ.Ж.>EПОТ.СТ.>EПОТ.КР.

  1.  В стеклообразном состоянии все свойства изменяются плавно с температурой:

Строение стекла

Физические свойства веществ зависят от их состава и строения. Отсутствие прямых методов исследования аморфных веществ, отсутствие способов плоскостного изображения объёмно-неупорядоченных структур не позволяют создать строгую теорию строения стекла. Существует несколько  теорий, из которых наибольшее применение получили:

  1.  Кристаллохимическая;
  2.  Валентно-химическая;
  3.  Зонная.

Кристаллохимическая теория строения стекла

Рисунок 10 – Тетраэдр (SiO4)4-

В основе лежат понятия ближнего и дальнего порядков. Для оксидных стёкол ближний порядок характеризует расположение атомов кислорода относительно катиона.

Рисунок 11 – Схема структур кристалла и стекла

В стекле тетраэдр несколько искажён, т.е. размеры между атомами различаются. В кристалле, наоборот, для каждого тетраэдра характерна определённая форма с одинаковыми углами и расстоянием между атомами, соединяющимися во всём объёме кристалла.

С точки зрения Менделеева, стекло представляет собой сплав окислов некоторых элементов. Стекло – это переохлаждённая жидкость, находящаяся в твёрдом состоянии. В структурном отношении, стёкла сложнее, свойства которых зависят от природы окислов и их количественного отношения.

Рисунок 12 – Изменения показателя преломления стекол от температуры

В 1921 году, Лебедев, работая с оптическими стёклами, установил, что при быстром нагреве показатель преломления изменяется и при температуре свыше 500-600С носит необратимый характер. В стекле произошли структурные изменения. На основании этого Лебедев предположил, что в аморфной структуре стекла присутствуют микроскопические образования – упорядоченные кристаллиты. Размеры таких кристаллитов составляют порядка 4-6нм.

Захариазен в 30-е годы провёл рентгеноструктурный анализ вещества (стекла) и не обнаружил там каких-либо кристаллических структур. Стекло  - типичное аморфное тело, нет никаких кристаллических решёток, а также симметрии в расположении. Его теория получила название «теория непрерывной неправильной сетки». По этой теории, тетраэдры различной плотности способны создавать прочные увязанные структуры в виде сетки. Связи между кремнием и кислородом прочные. По этой теории могут образовываться окислы:

  1.  RO2 (SiO2, PbO2, GeO2);
  2.  R2O3 (Al2O3, P2O3);
  3.  R2O5 (P2O5).

Это стеклообразующие окислы. Окислы вида R2O не стеклообразующие. Если стеклообразующие окислы способны образовывать тетраэдры, а не стеклообразующие неспособны, то элементы этих окислов входят в структуру стекла и располагаются в открытых плоскостях.

Зонная теория

Она рассматривает строение твёрдого тела, исходя из строения внешних энергетических зон соединения: валентной зоны, запрещенной и зоны проводимости.

,

Где h – постоянная Планка.

EПР<EП/П<EДИЭЛ ;

Рисунок 13 – Положение внешних энергетических зон в твердых телах

Таблица 3 – Сравнительные характеристики ОМ по зонной теории

Вид материала

Наличие электронов в зоне проводимости

Электропро-водность

Прозрачность  оптических деталей

Теплопро-водность

Диэлектрик

Низкая

Высокая

Низкая

Полупроводник

+

Высокая

Прозрачный

Высокая

Проводник

+

Высокая

Непрозрачный

Высокая

ОМ для передачи изображения и световых потоков.

Основными материалами являются непрозрачные оптические стёкла. Структура стекла зависит от его химического состава. Поскольку структурный химический состав стёкол неизвестен (кроме одно- и двухкомпонентных стёкол), то его состав указан в окислах.

75% SiO2; 15% CaO; 10% Na2O;  

1,25 SiO2; 0,24 CaO; 0,18 Na2O;

100% SiO2 SiO2;

75% SiO2+25% CaO CaSiO3.

Как правило, стёкла многокомпонентные системы, состоящие из двух и более компонентов.


Химическая классификация стёкол.

Тип

Вид

Стеклообразователи

Оксидные

Силикатные

SiO2

Германатные

GeO2

Фосфатные

P2O5

Алюмосиликатные

SiO2+Al2O3

Бороалюмосиликатные

SiO2+Al2O3+B2O3

Халькогенидные

As2S3; CdSe…

Галогенидные

Фторобериллатные

BeF2

Виды неорганических стёкол для оптических целей.

Виды неорганических оптических стёкол

Оптическое стекло

Листовое оптическое стекло

Бесцветное оптическое стекло

Оптическое стекло с особыми свойствами

Фотостекло (объективы 2-3мм)

Листовое полированное стекло (зеркальное стекло)

Кроны

Цветное оптическое стекло

Светорассеивающее стекло

Флинты

Фотохромное стекло

Кварцевое техническое стекло (кюветы, сосуды для лазеров)

Радиационностойкое стекло

Оптическое кварцевое стекло

Люминесцирующее стекло

Инфракрасные бескислородные стёкла

Оптическое бесцветное стекло

Оптические постоянные бесцветного стекла:

  1.  показатель преломления ne;
  2.  средняя дисперсия ;
  3.  частная дисперсия и ;
  4.  коэффициент дисперсии ;
  5.  относительная и дисперсия и .

Диаграмма Аббе

Рисунок 14 – Диаграмма: показатель преломления ne  – коэффициент дисперсии e

Кроны (ne, e)

Флинты (ne, e)

ЛК – лёгкий крон

КФ – кронфлинт

ФК – фосфатный крон

БФ – баритовый флинт

ТФК – тяжёлый фосфатный крон

ТБФ – тяжёлый баритовый флинт

К – крон

ЛФ – лёгкий флинт

БК – баритовый крон

Ф – флинт

ТК – тяжёлый крон

ТФ – тяжёлый флинт

СТК – сверхтяжёлый крон

СТФ – сверхтяжёлый флинт

ОК – крон с особыми свойствами (с особым ходом дисперсии)

ОФ – особый флинт (с особым ходом дисперсии)

e=70-50

e=54-15

На эти стёкла есть ГОСТ 3514-94. Всего 95 марок стекла. Они делятся на две серии:

  1.  <100 – обычное оптическое стекло;
  2.  >100 – радиационно-стойкие стёкла.

100…199 – не темнеют, долго не меняют окраску, долго остаются бесцветными.

Общее представление о методах исследования и прогнозирования оптических постоянных

Расчёт показателя преломления и средней дисперсии ведётся по способу адитивности, предложенному профессором Л. И. Дёмкиной.

.

ne  =                                             
nF  nC= ,

где    P1, P2 , … , Pm  -  содержание  окислов  в  стекле  в  вес  % ;
S1 , S2 , … , Sm  -  молекулярный  вес  соответствующих  окислов ;
n1 , n2 , …, nm  -  значения  показателей  преломления  для  отдельных  окислов ;

1 , 2  ,........,m -  средние  дисперсии  ( nF  nC )  для  отдельных  окислов ,  входящих  в  стекло .  

Таблица 4 – Значения  расчётных  коэффициентов  n , , S  

Окислы

ne

105

S

Окислы

ne

105

S

SiO2

1,475

595

60

BaO

2,030

2280

213

B2O3

1,464

670

70

ZnO

1,960

2850

223

Al2O3

1,490

850

59

CaO

1,830

1750

86

Sb2O3

1,080

3800

154

MgO

1,640

1300

140

As2O3

1,570

1600

107

K2O

1,580

1200

94

PbO

2,460

7700

343

Na2O

1,590

1400

66

La2O3

2,570

4050

326

ZrO2

2,200

2250

123

CdO

1,925

2930

128

В соответствии с расчётом, показатель преломления определяется процентным содержанием окислов тяжелых (PbO, ZnO) или лёгких (Al2O3, SiO2) металлов. Чем больше плотность материала, тем выше показатель преломления.

Таблица 5 – Показатели преломления

,нм

Символ

Элемент

Область спектра

312,6

334,1

365,0

-

-

i

Hg

Hg

Hg

Ультрафиолетовая

404,36

h

Hg

Фиолетовая

435,83

479,99

486,13

g

F

F

Hg

Cd

H

Синяя

546,07

587,56

e

d

Hg

He

Зелёная

Жёлтая

589,29

643,85

656,27

706,52

D

C'

C

r

Na

Cd

H

He

Жёлтая

Красная

Красная

Красная

.

Дисперсионная формула

Для расчёта показателя преломления при любых длинах волн используется дисперсионная формула:

 

,где A1, A2,…,A6коэффициенты.

Формула позволяет рассчитать показатели преломления в области длин волн от 365,0 до 1013,9нм. Значения коэффициентов приведены в каталоге для каждой марки стекла. В этом каталоге данные для 108 марок стекла.

Нормируемые параметры (показатели качества оптического стекла)

Параметры стекла, которые указаны в технических требованиях к О.М. заготовки и готовой детали, являются нормируемыми, т.е. на них устанавливаются нормы (отклонения). Этих параметров – 10. они определяют качество О.М., а также готового прибора, который изготовлен из этих материалов. Зависимость прямая. Требования бывают основные и дополнительные. Повышение требований к материалу не обеспечивает качество изображений, но повышает его стоимость. Снижение  требований ухудшает качество изображений, ухудшает качество обработки и делает невозможным их изготовление.

  1.  чертёж детали;

  1.  чертёж заготовки.

Рисунок 15 – Линза из стекла Ф1

Параметры качества

  1.  показатель преломления (ne);
  2.  средняя дисперсия (nF’-nC); после 01. 01. 96 коэффициент дисперсии ;
  3.  однородность партии заготовок по показателю преломления ne;
  4.  однородность партии заготовок по средней дисперсии nF’-nC, (по коэффициенту дисперсии )
  5.  оптическая однородность;
  6.  двойное лучепреломление;
  7.  радиационно-оптическая устойчивость (стекло серии 100);
  8.  показатель ослабления µ;
  9.  бессвильность;
  10.  пузырность.

Таблица 6 – Категории стекла по отклонению показателя преломления, коэффициента дисперсии и средней дисперсии

Категория

Предельные отклонения

ne

(nF’-nC’)

Δυее

1

2

3

4

5

210-4

310-4

510-4

1010-4

2010-4

210-5

310-5

510-5

1010-5

2010-5

±0,2∙10-2

±0,3∙10-2

±0.5∙10-2

±0,8∙10-2

±1,6∙10-2

ne=1,4846510-4=1,4851 – 1,4841.

Таблица 7 – Классы однородности  партии по показателю преломления, коэффициенту дисперсии и средней дисперсии

Классы

Наибольшая разность в партии

ne

(nF’-nC’)

Δυее

А

Б

В

Г

0,210-4

0,510-4

110-4

в пределах категории

110-5

в пределах категории

0,110-2

в пределах категории

Классы позволяют установить более жёсткие требования к оптическим постоянным ОМ в пределах одной партии. Остаточные операции оптической системы пропорциональны отклонению показателя преломления и средней дисперсии. Однородность партии заготовок по показателю преломления и средней дисперсии обеспечивает выполнение требований взаимозаменяемости.

Оптическая однородность показателя преломления по объёму заготовки

В зависимости от условий работы и размеров оптической детали – оптическая однородность оценивается по  разрешающей способности (при диаметре d<250мм) или по фактическому градиенту.

Первая система оценки показывает степень влияния качества ОМ на характер изображения стандартных штриховых мир или точных диафрагм. Качество  дифракционного изображения точки характеризует общее качество изображения. Всего 5 категорий (из них 2-3 категории – фотообъективы, 4-5 – сетки и светофильтры…). Методику измерения и оценку оптической однородности см. в лабораторной работе №2.

Двойное лучепреломление.

Характеризуется разностью хода двух лучей, на которые разделяется падающий луч под воздействием остаточных напряжений при прохождении в толще стекла (стёкла свободные от напряжений – изотропны).

Рисунок 16 – Схема измерения двулучепреломления

При сильном механическом воздействии возникают механические напряжения, и стекло становится двулучепреломляющим. При исчезновении напряжений исчезает и двулучепреломление.

Существует 5 категорий, где разность хода лучей изменяется в пределах:

=1,5 – 65нм/см

n𝛔,

где n – изменение показателя преломления;

 𝛔 – изменение напряжения;

В = (2-3,5)10-12, Па-1 – оптический коэффициент напряжения.

,

где   – разность хода лучей;

d – толщина образца.

Измерения выполняются на поляриметре, с погрешностью 3нм/длину заготовки.

1.    по 1–2 категории стекла изготавливают линзы коллиматоров, зрительных труб, объективы фотоаппаратов, биноклей;

2.    3–4 категории стекла – окуляры;

3.    4–5 категории – сетки, миры.

Радиационно-оптическая устойчивость.

  1.  Стёкла серии 100;
  2.  Обычное стекло К8;
  3.  Радиационно-стойкое стекло К108

Отличительной особенностью таких стёкол является добавление в стекло окиси церия (CeO2). Чем больше в ОМ окиси церия, тем более высокая радиационная  устойчивость этого материала.

Показатель ослабления.

Это величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения ослабляется в результате поглощения и рассеивания в 10 раз.

(здесь существует 8 категорий стекла 0,0003…0,013 1/см).

Показатель ослабления: 𝛍A=

𝛍A=min: К8, БК10, Ф1 (цвет льда);

𝛍A=max: ТФ (окись свинца – желтоватая).

Бессвильность.

Свили – это резко выраженные локальные оптические неоднородности стекла.

Бывают нитевидные и слоистые включения с показателем преломления ne:

ne свили ne стекла.

Свили снижают качество изображения (резкость, разрешающая способность, контрастность). Существует два класса бессвильности:

  1.  А – свили, расположенные в двух взаимно-перпендикулярных направлениях;

  1.  Б – свили, расположенные в одном направлении.

Две категории (определяются по контрольным образцам):

Не допускаются на сетке, расположенной в плоскости изображений. Контроль осуществляется в тёмной комнате.

Пузырность.

Пузыри – это замкнутые полости в стекле, имеющие различную форму и размеры, заполненные различными газами.

Контроль осуществляется в тёмной комнате.

Замеряют диаметр пузыря и их количество в единице объёма (1см3) или массы (1кг). Связь между ними через плотность .

Существует 11 категорий пузырности (1, 1а, 2, 3,…,10). Категории определяют размеры пузырей (0,03 – 5мм). Есть классы (от А до Ж), которые устанавливают количество пузырей, диаметром свыше 0,03мм в кг, шт. (не более 3 – 3000шт).

По пузырности ГОСТОМ 23136-93(с 01.01.96г) введены группы, (с 11 по 17), которые характеризуются суммарной площадью сечений пузырей в 100 см3 блока или заготовки ОМ (с 0,029 до 4 мм2) и классы (с 21 по 28), которые характеризуются средним числом пузырей в 100 см3 сырьевого ОМ (от 1д / 50шт).   

Кроме газовых пузырей, в заготовке могут находиться разнообразные включения. Посторонние включения в виде камней и прочие, приравниваются к пузырям и нормируются по тем же категориям.

Пузыри совершенно недопустимы в сетках биноклей, измерительных приборов, т.к. они находятся в плоскости изображения. Они мешают наблюдению объекта.

Справочные параметры оптического стекла.

  1.  к справочным параметрам относятся механические свойства стекла:
  2.  модуль упругости;
  3.  прочность;
  4.  микротвёрдость;
  5.  хрупкость.
  6.  указываются тепловые свойства стекла:
  7.  удельная теплоёмкость;
  8.  коэффициент теплопроводности;
  9.  коэффициент линейного расширения;
  10.  термостойкость;
  11.  температура спекания;
  12.  термооптические постоянные.
  13.  химическая устойчивость стекла.

Важнейшим из химических свойств является химическая устойчивость – способность ОМ противостоять разрежению водой, кислотами, щёлочами, растворами солей и т.д. В оптике существует два показателя химической устойчивости:

  1.  устойчивость к действию влажной атмосферы;
  2.  устойчивость к действию пятнающих реагентов.

По первому параметру стекло делится на группы:

  1.  Силикатные стёкла:

А – неналётоопасные;

Б – промежуточные;

В – налётоопасные;

  1.  Несиликатные стёкла:

а – устойчивые;

у – промежуточные;

д – неустойчивые.

По второму показателю стекло делится на:

  1.  Непятнающиеся ;
  2.  Средней пятнаемости;
  3.  Пятнающиеся;
  4.  Не стойкие (требующие специальной защиты).

Основы технологии производства оптического стекла.

Основной задачей при производстве стекла является получение для данной марки стекла показатель преломления и среднюю дисперсию соответствующие ГОСТу 3514-94. Другой важной задачей является получение оптической однородности любой марки стекла.

Для варки стекла необходимы материалы, которые определяют химический состав стекла. Сложность в том, что необходимо иметь технологичный состав стекла, который позволяет получить заданные параметры показателя преломления и средней дисперсии без особых трудностей. Кроме того, стёкла должны быть малопузырны и не затруднять подготовку шихты (исходный состав компонентов сырьевых материалов).

К8  шихта К8

SiO2x SiO2y

,

где К – множительный коэффициент.

В качестве материалов в стекловарении используется около 80%  элементов таблицы Менделеева (SiO2, P2O5, GeO2,…). Вспомогательные окислы – Na2O, K2O, As2O3,…

Сырьевые материалы могут использоваться в виде химических продуктов и природных веществ.

Требования к сырьевым материалам.

  1.  По зернистости (диаметр частицы d, мкм);

Крупные частицы плохо провариваются и могут дать в массе стекла (камни и другие включения), а мелкие легко комкаются и затем плохо провариваются.

  1.  Содержание примесей.

Примеси в стекле увеличивают  поглощение и окрашивают бесцветное стекло. Особенно вредны окислы Fe2O3, Cr2O3, NiO, CuO.

Ограничения по вредным примесям химических продуктов не изменяется, а в природных продуктах (SiO2, CaCO3) завод изготовитель должен довести процентное содержание вредных примесей до минимально допустимого. Для уменьшения примесей используется операция «обогащения», метод магнитной сепарации и метод химической очистки.

Главные сырьевые материалы.

Это окислы, определяющие химический состав стекла.

  1.  кислотные окислы

SiO2, Al2O3, B2O3 (H3BO3);

  1.  щелочные окислы

Na2O, K2O, Li2O;

  1.  щелочноземельные окислы

PbO, CaO, BaO, MgO.

Окислы лёгких металлов уменьшает показатель преломления, а окислы тяжёлых металлов повышают.

Вспомогательные материалы.

  1.  Ускорители (B2O3) – для сокращения времени варки;
  2.  Осветлители (As2O3, NaCl) – способствуют получению стекла без пузырей;
  3.  Обесчветиватели (As2O3, NaCl) – для получения стекла без оттенков. Они нейтрализуют окрашивающие окислы в бесцветные (FeOFe2O3);
  4.  Стеклянный бой (до 50%) – измельчённые и очищенные отходы оптического стекла той же марки, для которой составляются шихты.

Оборудование для варки стекла.

Наибольшее применение нашли стекловаренные печи:

  1.  Горшковые;
  2.  Ванные.

Горшковая печь:

В печи варится только одна марка стекла из-за разных температурных режимов. В составе печи не более двух горшков. Для больших объёмов применяются ванные печи. Горшковые печи являются печами периодического действия, а ванные – непрерывного. Основной вид нагрева – газовый. Горелки располагается внизу, горшок устанавливается в печку с помощью крана через проём. Проем закрывают крышкой и обмазывают глиной. Через смотровое окно наблюдают за варкой стекла и засыпкой шихты. Температура печи определяется термопарами с точностью 5С (при общей температуре около 1000С). Используются приборы для анализа состава атмосферы.

Стекловаренные сосуды.

Их делают из высокоогнеупорных материалов. Диаметр горшка колеблется в пределах 0,9-1,5 метров. Высота от 0,6 до 0,9 метров. Толщина кромки 0,1-0,2 метра. Толщина дна горшка 0,25-0,3 метра.

Требования к горшкам.

  1.  огнеупорность до 1700С;
  2.  высокая чистота;
  3.  механическая прочность;
  4.  устойчивость к разъеданию стекломассой;
  5.  высокая термомеханическая прочность к перепаду температур.

Материалы для изготовления горшков.

  1.  огнеупорная глина 10/20 %;
  2.  каолин (белая глина) 12/– %;
  3.  шамот (отожжённая глина) 39/40 %;
  4.  горшечный бой 39/40 %.

Горшки изготавливают двумя способами:

  1.  В металлической форме путём пневматического или ручного трамбования;
  2.  Гидростатическое прессование.

Цикл формирования занимает около 1,5 часов. Затем сушка примерно 5 часов. Обжиг проходит в два этапа: первый этап проходит при температуре 1000С в течении 2-3 суток в газовых печах, а второй при температуре 1500С в горшковых печах на протяжении нескольких часов.

Для уменьшения разъедания горшка их делают двухслойными: наружный слой делается из крупнозернистого порошка материала горшка для большей термомеханической прочности, а внутренний из мелкозернистого порошка для повышения устойчивости. Платиновые типы и кварцевые горшки применяют для изготовления оптического стекла в малых объёмах.

Мешалки.

  1.  пропеллерные;
  2.  стержневые.

По прочности и чистоте для мешалки предъявляются повышенные требования.

Физико-химические стадии варки стекла.

  1.  силикатообразование:

оно проходит при температуре около 400С, при этой температуре заканчиваются основные (твёрдотельные) химические реакции. В конце силикатообразования температура печи составляет 1200-1400С, стекла  800-1200С.

  1.  стеклообразование:

непрозрачная масса плавится – становится прозрачной. Температура стекломассы составляет 1200С, она так же химически неоднородна, вся пронизана свилями и содержит пузыри.

  1.  осветление массы:

это освобождение массы от газовых пузырьков, выравнивания её в физическом отношении. Шихта содержит до 18% химически связанных газов. Часть пузырьков остаётся, а часть выходит. Для удаления пузырей используются осветлители. Состав пузырей CO2, H2O, O2, CO. Газ выделяется из стекломассы.

  1.  гомогенизация:

это процесс выравнивания химического состава стекломассы. Это достигается перемешиванием стекломассы при температуре 1400С. На этом этапе обеспечивается однородность будущего оптического стекла.

  1.  охлаждение:

начинается с печью при температуре 1400С, а заканчивается вне её до температуры разделки стекла. При охлаждении продолжаются процессы осветления и гомогенизации.

Шихта здесь стекается в непрозрачную массу.

Технологический процесс варки стекла.

Процесс ведётся в соответствии с технологической картой варки, в которой для каждой марки стекла свой график.

Первая стадия начинается с того, что горшок перевозят из печи обжига, где температура составляет примерно 900-1000С и в стекловаренную печь. Затем горшок нагревают до 1400С, выдерживают 2-4 часа. Общее время 10-15 часов.

Вторая стадия: вначале засыпается стеклянный бой, т.к. при нагреве в нём не протекает химической реакции и он предохраняет горшок от разъедания химически активной массы. Затем высыпают шихту (0,1-0,15м3). Засыпка шихты ведётся вручную. Температура печи во время засыпки составляет 1200-1400С. Шихта расплавляется, образуя вязкую стекломассу; происходит силикато- и стеклообразование. На этом заканчивается стекловарение.

Третья стадия – осветление расплава. Температура печи повышается до 1400-1500С. При этой температуре происходит бурление стекломассы и из неё выделяются растворённые газы. Для ускорения выделения пузырьков берут мокрую осиновую чурку, одевают на крючок из жаропрочной стали и вводят её вручную, не касаясь стенок горшка. Вода испаряется и образуется много крупных и  лёгких пузырьков, которые легко покидают стекломассу. Затем вводят мешалку, которой перемешивают стекломассу. Через час достигается максимальная частота вращения.

Четвёртая стадия – охлаждение. В процессе варки стекла берётся две пробы:

  1.  Проба на пузырность (берёт сам стекловар);
  2.  Проба на показатель  преломления.

Сущность метода состоит в том, что в кювету с иммерсионной жидкостью помещается эталон.

Рисунок 17 – Измерение показателя преломления методом Обреимова

Определяется длина волны при которой граница между иммерсионной жидкостью и эталоном исчезает. Если показатель преломления больше, чем по ГОСТу, то в стекломассу добавляются окислы лёгких металлов. Если показатель преломления меньше, чем по ГОСТу, то добавляются окислы тяжёлых металлов.

Время варки лёгких кронов составляет 50-70 часов, флинты – 20-30 часов. Процесс стекловарения заканчивается разделкой стекломассы на заготовки.

Формы поставки стекла.

  1.  блочное стекло – это отлитое, отожженное стекло. Преимущественно с прямоугольными и квадратными плоскостями. Указывается положение плоскостей, в направлении которых контролируется бессвильность;
  2.  прессовки – детали в виде линз и призм, изготовленные горячим прессованием. На оптическое стекло даётся паспорт, в котором указывают:
  3.  кодовый номер;
  4.  обозначение марки стекла;
  5.  номер варки;
  6.  номер отжига.

Дополнительно указываются фактические значения параметров:

  1.  показатель преломления и категорию стекла;
  2.  число Аббе и категорию средней дисперсии;
  3.  среднюю дисперсию;
  4.  частные дисперсии;
  5.  показатель степени защиты A;
  6.  категорию по двойному лучепреломлению;
  7.  класс бессвильности;
  8.  группа и класс бессвильности;
  9.  категория оптической однородности.

Всё выполняется по договору.

      


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22415. Числовая последовательность и ее предел 211.5 KB
  Числовая последовательность и ее предел Числовая последовательность и свойства последовательностей. Числовая последовательность и свойства последовательностей. Числовой последовательность или просто последовательность называется функция f определенная на множестве натуральных чисел N значения которой числа действительные или комплексные. Последовательность обозначаем через ее значения : x1 x2 x3 xn или кратко {xn}.
22416. Предел функции 329.5 KB
  Предел функции Предел функции в точке по Коши и по Гейне. Предел функции на бесконечности. Бесконечно малые и бесконечно большие функции и их свойства. Свойства предела функции.
22417. Україна у Другій Світовій війні та першому повоєнному десятиріччі (1939 – 1955 рр.) 49 KB
  Напередодні Другої світової війни населення Західної України становило близько 7 мли осіб. На всіх цих землях панувала іноземна адміністрація, яка проводила колонізаційну політику. Це викликало обурення українців, призводило до спротиву офіційним властям
22418. Сравнения функций. Свойства функций, непрерывных на отрезке 218.5 KB
  Если предел 1 равен 0 то функция fx называется бесконечно малой более высокого порядка чем gx при x  a а функция gx называется бесконечно малой более низкого порядка чем fx при x  a. Если предел 1 равен   то функция fx является бесконечно малой болей низкого порядка чем gx при x  a а gx функция является бесконечно малой более высокого порядка чем fx при x  a. Если предел 1 равен   то функция является бесконечно большой при x  a. Тогда по свойству бесконечно малых функция бесконечно малая при...
22419. Производная и дифференциал функции одной переменной 224 KB
  Производная и дифференциал функции одной переменной Приращение аргумента и приращение функции. Понятие функции дифференцируемой в точке. Дифференциал функции. Производная функции.
22420. Теоремы о дифференцируемых функциях. Производные и дифференциалы высших порядков 246.5 KB
  Производные и дифференциалы высших порядков Возрастание и убывание функции в точке. Точки экстремума функции. Линеаризация функции. Приближенное вычисление значений функции.
22421. Правила Лопиталя. Формула Тейлора 245 KB
  Формула Тейлора. Формула Тейлора с остаточным членом в форме Пеано. Формула Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа. Разложение основных элементарных функций по формуле Тейлора.
22422. Исследование функции с помощью производной 216 KB
  Исследование функции с помощью производной. Возрастание и убывание функции на промежутке. Точки экстремума функции. Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции на отрезке.
22423. Неопределенный интеграл 126.5 KB
  Функция Fx называется первообразной функцией или просто первообразной для функции fx на интервале a b если функция Fx дифференцируема в любой точке x  a b и имеет производную F ' x равную fx т. Если F1x и F2x две первообразные функции fx на интервале a b то всюду на интервале a b F2x = F1x С где С некоторая постоянная. Пусть F1x и F2x две первообразные функции fx на a b. Если F1x первообразные функции fx на интервале a b то любая ее первообразная F2x имеет вид F2x =...