Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

ИЗМЕРЕНИЕ ДВОЙНОГО ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СТЕКОЛ

Цель работы: знакомство с методами измерения двойного лучепреломления оптических материалов; измерение двойного лучепреломления предложенных для исследования образцов.

Приборы и оборудование: полярископ-поляриметр ПКС-56, образцы исследуемых оптических стекол.

1. Теоретическое введение

Двойное лучепреломление в стекле может быть вызвано напряжениями, возникающими от термических или механических воздействий. Под термическими воздействиями понимается неравномерное охлаждение стекла после нагрева, создающее так называемые остаточные (постоянные) напряжения. Механические же воздействия, например, пережатие стеклянной детали в оправе прибора, вызывают временные напряжения, исчезающие при прекращении воздействия.

Стекло с остаточными напряжениями обладает свойством двойного лучепреломления, подобно одноосным кристаллам (исландский шпат, кварц и др.), что может быть обнаружено с помощью полярископов.

Поляризатором и анализатором могут служить турмалиновые пластинки, призмы Николя, черные стеклянные зеркала (марболит), установленные под углом полной поляризации, и поляроиды. Наиболее простым анализатором является турмалиновая пластинка, но она сильно ослабляет свет и окрашивает поле в зеленый цвет, поэтому на практике чаще используют призму Николя.

Призма Николя изготовлена из исландского шпата и состоит из двух полированных призм, склеенных бальзамом так, что при падении пучка лучей на короткую грань под углом не более 330 обыкновенный луч претерпевает полное отражение на границе склеивания и уходит в сторону, а сквозь призму приходит только луч необыкновенный.

Поляроиды - это прозрачные пленки, на которые нанесен поляризующий слой герапатита )соединение хинина и йода). Герапатит наносят на пленку так, что кристаллы удлиненной формы ориентируются в одном направлении. Прозрачность герапатитовых пленок составляет 30 %, их апертурный угол достигает 600 и степень поляризации света - до 99,9 %.

Линейно поляризованный луч, проходящий через стекло с остаточными напряжениями, распадается на два: обыкновенный и необыкновенный. Плоскости колебания электрических векторов этих лучей взаимно перпендикулярны. Оба луча в стекле распространяются с различной скоростью, приобретая некоторую разность хода. При прохождении через анализатор из электрических векторов обыкновенного и необыкновенного лучей выделяются составляющие, параллельные направлению пропускания анализатора (колебания приводятся в одну плоскость); лучи интерферируют друг с другом и создают цветную картину полос или просветленное поле. Обыкновенный и необыкновенный лучи при прохождении через напряженное стекло в любом направлении имеют разные показатели преломления.

Величина двойного лучепреломления определяется разностью между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей или разностью хода , выраженной в нанометрах и отнесенной к толщине образца стекла в 1 см:

, (1)

где и - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей; - разность хода, нм; - толщина испытуемого образца, см. Таким образом, двойное лучепреломление характеризует степень однородности стекла по показателю преломления.

Для измерения двойного лучепреломления выпускаются полярископ-поляриметры ПКС-56 и ПКС-115, снабженные чувствительными компенсаторами в четверть длины волны и лимбами с градусными делениями. Схема полярископ-поляриметра ПКС-56 приведена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве поляризатора 3 и анализатора 7 служат поляроидные пленки. Поляризатор освещается источником света 1 (электролампа 127 В) через матовое стекло 2. Рассматривая через анализатор образец испытуемого стекла 4, установленный в пучке поляризованных лучей между поляризатором и анализатором, можно заметить появление темных или цветных полос. Если ввести в ход лучей компенсационную четвертьволновую пластинку 5 и зеленый светофильтр 9, то цветные полосы станут темными. Установка компенсационной пластинки производится рычагом* зеленый светофильтр надевают на оправу окуляра 8, в которую помещен анализатор.

В начале измерений двойного лучепреломления анализатор прибора, связанный с лимбом 6, устанавливают крестообразно к поляризатору, при этом возникает густой пурпурно-фиолетовый цвет или темнота, если включен зеленый светофильтр. Берут первый отсчет по нониусу лимба 6; он должен быть равен 00 или 1800. Затем между поляризатором и компенсационной пластинкой помещают испытуемый образец стекла 4 и наблюдают в анализатор. Компенсационная пластинка в «четверть волны» установлена в приборе так, что направления ее главных плоскостей составляют угол 900 с направлением плоскости поляризации анализатора. Образец испытуемого стекла должен иметь форму прямоугольной плитки или диска и просматриваться через свой наибольший размер, который должен быть не менее 7 см при значении двойного лучепреломления, не превышающем 2 нм/см, 5 см - от 2 до 6 нм/см и 3 см, когда двойное лучепреломление больше 6 нм/см.

Поверхности образца должны быть отполированы или отшлифованы. Шлифованные поверхности перед измерением смачивают иммерсионной жидкостью, показатель которой не должен отличаться от показателя преломления стекла не более чем на 210-2.

Если образец стекла имеет небольшие напряжения, то в середине и на краях его появляются просветления, разделенные двумя темными полосами. Вращая анализатор с лимбом на угол до полного слияния в середине образца двух темных полос, берут второй отсчет по нониусу лимба. Темные полосы должны перемещаться к середине. Если разность хода в образце составляет 100 - 540 нм, а разность фаз близка к 3600, то максимальное потемнение середины образца сопровождается появлением окраски, затрудняющей точное определение положения анализатора. Поэтому в ход лучей нужно ввести зеленый светофильтр.

Если же разность хода больше 540 нм и разность фаз превышает 3600, то в поле зрения прибора без светофильтра виден ряд цветных интерференционных полос и две нейтральные (темные) полосы. В результате поворота анализатора изменяется только окраска полос. При введении зеленого светофильтра образец стекла покрывается темными и светлыми полосами. В этом случае измерение двойного лучепреломления сводится к определению угла поворота анализатора при максимальном потемнении середины образца, а затем к установке анализатора на нулевое положение с отметкой нейтральной полосы без светофильтра и подсчету при наличии светофильтра числа темных полос , расположенных между нейтральной полосой и серединой образца стекла. В общем случае разность фаз в угловой мере

, (2)

разность хода с учетом толщины образца

, (3)

где - угол поворота анализатора, в град.; = 540 нм - длина волны зеленого света; - толщина образца в направлении просмотра, см.

Если напряжения в стекле малы, то число темных полос и при

. (4)

Погрешность в определении при см составляет 3 нм и уменьшается с увеличением толщины образца.

По величине разности хода определяют величину двойного лучепреломления и соответствующую категорию стекла (см. табл. 1).

Для определения напряжений в линзах и объективах, в которых двойное лучепреломление возникает от пережатия их в оправах, применяют полярископ или поляриметр.

В сопряженных точках, расположенных приблизительно на двойном фокусном расстоянии от испытуемой системы, устанавливают в перекрестном положении поляризатор и анализатор. Пучок лучей от лампы накаливания проходит через поляризатор и огранивается диафрагмой, помещенной перед объективом. Наблюдения ведут через анализатор. Оценку величины двойного лучепреломления производят, как и при испытании образцов стекла в дисках или пластинах. При наличии компенсирующей четвертьволновой пластинки, установленной за объективом, и лимба с градусными делениями можно измерить разность хода и по формуле (3) или (4) подсчитать значение двойного лучепреломления. Если наблюдается темный крест на светлом фоне, то испытуемая система имеет равномерное натяжение, не влияющее на качество изображения. При наличии наравномерного натяжения в системе в поле зрения прибора наблюдаются кривые полосы.

Таблица 1

Категория стекла	Двойное лучепреломление, нм/см, не более
	при оптическом коэффициенте напряжения 1012/Па
	до 2,0	от 2,0 до 2,8	Свыше 2,8
1	1,5	2	3
2	4	6	8
3	7	10	13
4	10	15	20
5	35	50	65

2. Метод измерения двулучепреломления (по ГОСТ 3519-80)

ГОСТ 3519-80 распространяется на оптические неорганические материалы: стекло бесцветное, цветное, кварцевое и др., кристаллы в заготовках и деталях и устанавливает метод измерения двулучепреломления по поляризационном измерительном компенсаторе или полярископе-поляриметре в видимой области спектра.

Стандарт не распространяется на оптические кристаллы, вращающие плоскость поляризации (силикат висмута, германат свинца, германат висмута и др.).

Метод основан на измерении угла поворота анализатора поляризационного измерительного компенсатора или полярископа-поляриметра, необходимого для компенсации разности хода лучей эллиптически поляризованного света, возникающей при прохождении поляризованного излучения через стекло или кристалл, когда поляризатор и анализатор образуют угол 450 с направлениями главных напряжений.

Предельная погрешность измерения разности хода лучей на поляризационном измерительном компенсаторе не должна превышать указанной в табл. 2.

Согласно ГОСТ 3519-80, заготовки оптических материалов должны иметь форму круглых или прямоугольных пластин, симметричных линз.

Размер заготовки в направлении просмотра в зависимости от значения двулучепреломления должен соответствовать указанному в таблице 3.

Отношение сторон сечения (большей к меньшей), перпендикулярного к направлению просмотра, должно быть не менее 2 : 1.

Наименьший размер стороны сечения, перпендикулярного к направлению просмотра, должен быть не менее 5 мм.

Таблица 2

Разность хода лучей, нм	Погрешность измерения, нм
До 100	3
Свыше 100 до 200	5
Свыше 200 до 400	7
Свыше 400 до 600	9
Свыше 600 до 1000	12
Свыше 1000	20

Таблица 3

Двулучепреломление, нм/см	Размер заготовки, мм, не менее
До 3	70
Свыше 3 до 8	50
Свыше 8 до 13	30
Свыше 13	Любой с погрешностью измерения разности хода лучей не более указанной в табл.2

Ширина фаски контролируемой заготовки стекла, оптическая однородность которой оценивается по двулучепреломлению, должна быть не более 2 мм.

При отношении длины к ширине более 2 : 1 заготовки стекла допускается измерять в направлении ширины при соблюдении требований, указанных в табл. 3.

Если форму и размеры заготовки стекла не соответствуют требованиям, указанным выше, то двулучепреломление их следует оценивать по образцам для испытаний.

Образцы для испытаний, предназначенные для измерения двулучепреломления оптического бесцветного и слабоокрашенного стекла, следует изготовлять из стекла той же марки, что и исследуемое стекло.

Образцы для испытаний, предназначенные для измерения двулучепреломления оптического цветного стекла с недостаточной прозрачностью в видимой области спектра, следует изготовлять из бесцветного или слабоокрашенного стекла, близкого по химическому составу к исследуемому стеклу. Они также должны иметь форму круглых или прямоугольных пластин, симметричных линз.

Размер образца для испытаний в направлении просмотра должен быть равен наибольшему размеру заготовки исследуемого стекла с учетом требований табл. 3.

Отношение сторон сечения, перпендикулярного к направлению просмотра, должно соответствовать указанным выше требованиям.

Толщина образца для испытаний должна быть равна 1,25 - 1,50 толщины заготовки исследуемого стекла, но не менее 10 мм.

Образцы для испытаний должны быть отожжены вместе с заготовками исследуемого стекла.

Перед отжигом образцы для испытаний должны быть закалены так, чтобы двулучепреломление их соответствовало указанному в табл. 4.

Таблица 4

Оптический коэффициент напряжения стекла образцов для испытаний, В1012Па-1	Двулучепреломление, нм/см, не менее
До 2,0	35
Свыше 2,0 до 2,8	55
Свыше 2,8	80

лучепреломление колебание стекло оптический

Значения оптического коэффициента напряжения бесцветного стекла различных марок должны соответствовать ГОСТ 13659-78.

Измерение двулучепреломления заготовок стекла, форма которых не соответствует указанным выше требованиям, и для которых не могут быть изготовлены образцы для испытаний, следует проводить в кювете с иммерсионной жидкостью.

Рабочие окна кюветы должны быть изготовлены из прозрачного материала, не вносящего добавочную разность хода лучей в результат измерения.

Показатель преломления иммерсионной жидкости не должен отличаться от показателя преломления оптического материала более чем на 110-2.

Требования к иммерсионной жидкости - по ГОСТ 5421-73.

Поверхности заготовок оптических материалов и образцов для испытаний, через которые следует осуществлять просмотр при измерении двулучепреломления, должны быть шлифованными или полированными, образцов стекла, показатель преломления которых более 1,65 - полированными.

Допускается просмотр образцов стекла через поверхности, полученные после прессования, литья, вытягивания, распила и не подвергнутые дополнительной обработке; образцов кристаллов - через поверхности роста или раскола по плоскостям спайности.

Параметр шероховатости шлифованных поверхностей образцов оптических материалов - 80 мкм по ГОСТ 2789-73.

Допускается иной параметр шероховатости по согласованию между изготовителем и потребителем.

Шлифованные, прессованные поверхности, а также поверхности после распила образцов оптических материалов перед измерением должны быть смочены иммерсионной жидкостью.

Параметр шероховатости полированных поверхностей образцов оптических материалов - 0,10 мкм по ГОСТ 2789-73.

Измерение двулучепреломления следует проводить на поляризационных измерительных компенсаторах или полярископах-поляриметрах с погрешностью измерения разности хода, соответствующей указанным выше требованиям; оптическая схема установок соответствует рис. 1.

Плоскость пропускания поляризатора должна быть установлена под углом 450 к горизонтальной плоскости.

При измерении образцов в форме круглых пластин в рабочем направлении допускается использовать держатели типа ПКС-Д-125.

В качестве компенсатора следует использовать четвертьволновую фазовую пластинку для длины волны в интервале 540 - 560 нм в сочетании с вращающимся анализатором (компенсатор Сенармона).

Допускается использовать компенсаторы других типов.

Съемный фитр, предназначенный для пропускания полосы спектра в интервале длин волн 540 - 560 нм, должен быть изготовлен из цветного оптического стекла марок ЗС3, ЗС10 или ЗС11 по ГОСТ 9411-75.

3. Подготовка к измерению (по ГОСТ 3519-80)

1. Перед каждой серией измерений двулучепреломления образцов оптических материалов проверяют нулевое положение лимба анализатора. Для этого, удалив четвертьволновую фазовую пластинку, устанавливают анализатор при включенном источнике света на темноту, что должно соответствовать нулевому положению лимба. Затем вводят компенсатор, при этом поле зрения прибора не должно просветляться.

1. Периодически осуществляют контроль и корректировку установки плоскости пропускания поляризатора поляризационного измерительного компенсатора, конструкция которого позволяет осуществлять эту операцию в соответствии с требованиями к установке плоскости пропускания поляризатора.

Установку плоскости пропускания поляризатора производят следующим образом. Удалив четвертьволновую фазовую пластинку, устанавливают анализатор при включенном источнике света на темноту и записывают отсчет . Затем анализатор поворачивают на 1800 вокруг вертикальной оси, устанавливают на темноту, записывают отсчет ; еще раз поворачивают анализатор на 1800 в том же направлении и устанавливают на деление лимба, соответствующее углу отклонения ; поворачивая поляризатор, устанавливают его на темноту и в найденном положении закрепляют. Затем проверяют и при необходимости исправляют нулевое положение лимба анализатора.

2. Перед началом измерений образцы оптических материалов и кювету с иммерсионной жидкостью выдерживают в помещении, в котором проводят измерения, в течение времени, достаточного для того, чтобы они приняли температуру окружающей среды.

Выдерживание образцов оптических материалов следует считать законченным, если при измерении двулучепреломления выполнено требование п. 4.5.

2.1. Образцы стекла размером свыше 300 мм, оптическая однородность которых оценивается по двулучепреломлению, должны быть выдержаны в помещении не менее 48 часов.

3. Измерения следует проводить при температуре окружающего воздуха 2050С.

Колебания температуры за период измерения не должны быть более 0,50С.

4. Размер образца в направлении просмотра измеряют с предельной погрешностью 1 мм, если он не более 300 мм, 3 мм, если он более 300 мм.

4. Проведение измерений (по ГОСТ 3519-80)

1. Включают источник света, анализатор устанавливают на темноту, что соответствует нулевому положению лимба. Вводят четвертьволновую фазовую пластинку.

2. В зависимости от того, проводят контроль по категориям двулучепреломления или оптической однородности, выбирают участок измерения: в образцах стекла в форме пластин - в середине образца в направлении наибольшего размера, около свили или включения, в рабочем направлении по краю; в образцах стекла в форме линз - в середине образца в направлении наибольшего размера; в образцах кристаллов - в рабочем направлении или направлении, установленном по согласованию между изготовителем и потребителем.

3. В пучок поляризованных лучей между поляризатором и компенсатором вводят образец оптического материала при выведенном фильтре.

3.1. Образцы оптических материалов устанавливают так, чтобы средняя часть поля зрения прибора проходила через середину выбранного участка.

3.2. Образцы кристаллов, у которых рабочие поверхности совпадают с их кристаллографической плоскостью (001) (бромистый калий, фтористый литий, хлористый натрий, хлористый калий), устанавливают в рабочем направлении так, чтобы их кристаллографические оси [100] и [010] составляли угол 450 с плоскостью пропускания поляризатора и анализатора. Последнего положения достигают поворотом образца кристалла в держателе относительно их геометрической оси до получения картины, аналогичной наблюдаемой в образце стекла в рабочем направлении.

Установка кристаллов других типов - по согласованию между изготовителем и потребителем.

3.3. Измерение двулучепреломления около свили или включения проводят в тех случаях, когда участок вблизи них отличается по степени просветления и окраске от соседних участков при осмотре образца оптического материала. Образец оптического материала устанавливают таким образом, чтобы направление свили составляло угол 450 с направлением плоскости пропускания поляризатора.

4. Вводят фильтр и осуществляют компенсацию разности хода лучей до 540 нм поворотом анализатора до тех пор, пока:

при просмотре в направлении наибольшего размера не наступит слияние двух темных полос;

при просмотре в рабочем направлении наиболее темная полоса будет подведена на расстояние не более 3 мм от края образцов размером до 300 мм и не более 5 мм - от края образцов размером свыше 300 мм; у образцов, оптическая однородность которых оценивается по двулучепреломлению, наиболее темная часть полосы будет подведена к краю образца или внутреннему краю фаски;

при просмотре около свили (включения) ближайшая к свили темная полоса, расположенная вдоль нее, не окажется на краю свили.

При просмотре в рабочем направлении у образцов размером до 300 мм число участком измерения должно быть не менее 4, у образцов размером свыше 300 мм - не менее 8.

4.1. При разности хода лучей более 540 нм при нулевом положении анализатора подсчитывают число полос между участком образца оптического материала, где должно быть измерено двулучепреломление, и ближайшей к нему нейтральной полосе.

Поворачивая анализатор, добиваются того, чтобы в месте измерения ````````ь темная часть или нейтральной полосы (если нет дополнительных темных полос): одной - при измерении в рабочем направлении или двух, двигающихся навстречу друг другу до слияния, при измерении в направлении наибольшего размера аналогично п.4.

4.2. Направление компенсации выбирают таким образом, чтобы в образцах оптических материалов перемещались: при измерении в направлении наибольшего размера - две темные полосы к середине образца до слияния; при измерении в рабочем направлении - темная полоса от середины образца к краю; около свили - одна темная полоса - к свили.

4.3. По направлению вращения анализатора определяют знак разности хода лучей и соответствующий ему знак напряжения (растяжения или сжатия). Знак разности хода проверяют с помощью контрольного образца стекла.

Контрольный образец должен иметь форму пластины размером 15х35х60 мм со следующим распределением напряжений:

в центральной зоне - растяжение, в краевой зоне - сжатие.

4.4. При просмотре цветного стекла при разности хода лучей более 540 нм в том случае, когда введение фильтра приводит к значительному потемнению поля зрения, измерения проводят без него.

4.4. При положении анализатора, соответствующем моменту компенсации разности хода лучей, по лимбу отсчитывают угол его поворота , , ( - в направлении наибольшего размера, - в рабочем направлении на краю образца, - около свили).

Значение фиксируют по наибольшему и наименьшему показаниям лимба.

4.5. Измерение двулучепреломления в каждом образце проводят не менее 3 раз. Расхождение результатов измерения не должно превышать погрешность, указанную в табл. 2.

4.5.1. Измерения в образцах, указанных в п. 3.3.1, проводят с интервалом не менее 8 часов.

5. Обработка результатов

5.1. Среднее арифметическое значение вычисляют по результатам измерений по пп. 4.4.5 и 5.5, округляя до первого десятичного знака после запятой.

5.2. Разность хода лучей в нм/см, измеренную в середине образца оптического материала в направлении его наибольшего размера и рассчитанную на 1 см длины хода лучей, вычисляют по формуле

,

где - число темных полос между нейтральной полосой и серединой образца оптического материала; - угол поворота анализатора при компенсации разности хода лучей в направлении наибольшего размера образца оптического материал, град.; - диаметр или длина стороны образца оптического материала, в направлении которой измерялись ,, см.

5.3. Разность хода лучей , нм/см, измеренную в рабочем направлении на краю оптического материала и рассчитанную на 1 см длины хода лучей, вычисляют по формуле

,

где - число темных полос между нейтральной полосой и краем образца оптического материала, - угол поворота анализатора при компенсации разности хода лучей в рабочем направлении, град.; - толщина образца оптического материала, см.

5.4. Разность хода лучей , нм, измеряемую около свили или включения образца оптического материала, вычисляют по формуле

,

где - угол поворота анализатора при компенсации разности хода лучей около свили, град.

5.5. Разности хода лучей , , , вычисленные по пп. 5.2 - 5.4, округляют до первого десятичного знака после запятой.

Экспериментальная часть

Получить образцы для исследования.

Измерить двойное лучепреломление образцов по методике, описанной в разделе 4 настоящего описания.

Провести обработку полученных результатов в соответствии с разделом 5 настоящего описания.

Определить категорию оптического стекла, которой соответствуют исследованные образцы по двулучепреломлению.

Сделать выводы и составить отчет о работе.

Отчет должен содержать: название, цель работы, список используемого оборудования и материалов; таблицы, содержание требования к заготовкам и образцам для испытаний оптических материалов; оптическую схему полярископа-поляриметра; методику выполнения измерений, таблицы измеренных величин, результаты обработки экспериментальных данных, выводы по работе.

Контрольные вопросы

Естественное и искусственное двулучепреломление.

Класификация оптических материалов по величине двупреломления.

Оптическая схема полярископ-поляриметра

Требования ГОСТ 3519-80 к заготовкам оптического стекла и образцам для испытаний.

Правила подготовки полярископ-поляриметра к измерениям.

Методика измерения двупреломления оптических материалов.

Порядок выполнения измерений двулучепреломления и обработки результатов эксперимента.

Литература

Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.

Афанасьев В.А. Оптические измерения. -М.: Высшая школа, 1981.

Креопалова Г.В., Лазарева Н.П., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987.

Справочник оптика-конструктора оптико-механических приборов. /В.А.Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.

Вычислительная оптика: Справочник/ М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. - Л.: Машиностроение, 1984.

Материалы оптические. Метод измерения двулучепреломления. ГОСТ 3519-80. - М.: изд-во стандартов, 1981.

Размещено на Allbest.ru

...