Определение оптических характеристик стекол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Ивановский государственный химико-технологический университет

Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕКОЛ

Студент:

Комова И.В.

Иваново 2021

Цели работы: определение оптических характеристик и типа бесцветного оптического стекла; изучение просветляющих покрытий, цветных оптических и интерференционных стекол.

Теоретическое введение

Оптические материалы подразделяются на следующие виды: бесцветное, цветное и кварцевое стекла, ситаллы, волоконно-оптические элементы, монокристаллы, поликристаллы, обычно называемые оптической керамикой.

Оптическое бесцветное неорганическое стекло является основным материалом для изготовления линз, призм, пластин и других деталей оптических приборов и систем, принимающих, передающих и трансформирующих оптическое излучение.

Окрашенные цветные стекла применяется для изготовления точных светофильтров, которые в виде плоскопараллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спектрального состава проходящего через них света.

В основе классификации оптических стекол лежат значения показателя преломления п_е и коэффициента средней дисперсии _e. Показатель преломления n определяется как отношение скорости распространения электромагнитного излучения в воздухе к скорости его распространения в стекле. Он зависит от длины волны излучения.

Дисперсионные свойства стекла характеризуются величиной средней дисперсии, представляющей разность показателей преломления для двух относительно далеко отстоящих длин волн.

Оптические стекла в зависимости от сочетания значений показателя преломления и коэффициента дисперсии делятся на две большие группы: кроны и флинты. Для группы кронов характерны сравнительно низкий показатель преломления и высокий коэффициент дисперсии. Пределы изменения этих характеристик для группы кронов ограничены значениями n от 1,47 до 1,67 и коэффициента дисперсии от 100 до 47. Флинты отличаются высокими значениями показателя преломления в сочетании с низкими значениями коэффициента дисперсии. Значения этих параметров для группы флинтов лежат в пределах n=1,52 - 1,90 и выше, а = 54 - 15.

Стекла с более высоким показателем преломления, характеризуются более высокой отражательной способностью. Например, при n=1,9 R=0,1 или 10%. Используемые в ИК оптике такие оптические материалы, как кремний (n=3,4), германий (n=4,0), арсенид галлия (n=3,0) имеют коэффициент отражения 30-40%. Для таких материалов потери ослабление света будут значительно больше.

Для устранения последствий отражения света от поверхности оптических стекол нужно свести к минимуму долю отражаемой энергии. Даваемое прибором изображение делается при этом ярче, «просветляется». Отсюда и происходит термин просветление оптики. Просветление оптики основано на эффекте интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку (просветляющий слой) с показателем преломления n_пл, меньшим показателя преломления стекла n_ст. Антибликовое покрытие применяется в областях, где свет проходит через оптический элемент и необходимо снизить потери интенсивности или устранить отражение. Наиболее распространёнными случаями являются линзы очков и объективы камер, лазерные зеркала.

Традиционным материалом для просветляющей пленки является фторид магния, обладающий низким показателем преломления (n=1,38). На кроновом стекле с показателем преломления 1,5 слой фторида магния может снизить процент отражения с примерно 4% до 2%. На более тяжелом флинтовом стекле с показателем преломления около 1,9 пленка фторида магния может уменьшить отражение до нуля.

Однослойные покрытия используют для просветления высокопреломляющих материалов. Для низкопреломляющих материалов используют двух- и многослойные покрытия. Недостатком однослойных покрытий является то, что минимум отражательной способности наблюдается только для длины волны л, то есть работают только в узком спектральном диапазоне. Для расширения спектральной области низких значений коэффициента отражения применяют различные многослойные покрытия.

Методика выполнения работы

Количественная регистрация спектров пропускания и отражения в инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) области - основной метод определения оптических констант материалов.

В данной работе исследуются образцы бесцветных силикатных оптических стекол. Получение и обработка спектров их пропускания позволяет найти коэффициенты преломления и отражения, а также - коэффициент дисперсии. При выполнении работы предусмотрено также знакомство с просветляющими покрытиями, цветными стеклами и интерференционными зеркалами.

Исследование спектров пропускания образцов в УФ и видимой области производится на приборе спектрофотометр СФ 56. Перед началом работы следует включить прибор и прогреть его в течение 30 минут. Далее включить компьютер, зайти в программу SF-56 и нажать на кнопку «подключиться».

Для корректной работы необходимо выставить следующие параметры:

Ход работы

1. Определение погрешности измерений коэффициента пропускания

· Записываем спектр пропускания образца оптического стекла известной марки - К8:

стекло оптический спектр интерференционный

Рис. 1. Параметры работы на СФ-56

Рис. 2. Спектр пропускания для оптического стекла К8

· По экспериментальным данным определяем коэффициент пропускания, предварительно взяв показатель преломления для длины волны 530 нм. Т=92,3 %.

· Рассчитываем коэффициент пропускания для данной марки на длине волны 530 нм с помощью следующего выражения:

 = ,

где Т - спектр пропускания; n - показатель преломления.

· Определяем абсолютную погрешность измерения коэффициента пропускания:

? = 95,8 - 92,3 = 3,5 % - погрешность прибора СФ-56.

2. Определение оптических характеристик и типа бесцветного оптического стекла.

· Записываем на приборе СФ-56 спектры пропускания 5 оптических стекол разной формы и размера в УФ и видимой области спектра. На рисунке 3 представлены спектры пропускания пяти образцов:

Рис. 3. Зависимость T=f(л) для пяти образцов

· По полученным спектрам определяем коротковолновую границу пропускания . В качестве примера берем второй образец и используем данные, представленные на рисунке 4:

Рис. 4. Данные графика для второго образца

· Определяем коэффициент пропускания стекол в видимой области спектра на длине волны 530 нм. Для первого стекла коэффициент пропускания виден на рисунке 5:

Рис. 5. Коэффициент пропускания для второго образца

· Рассчитываем коэффициент пропускания с учетом погрешности измерений;

· Определяем показатель преломления стекла n;

· Рассчитываем коэффициент отражения R по формуле:

· Проводим записи спектров пропускания остальных четырех стекол. Используя справочные данные, по найденным величинам коротковолновой границы пропускания и показателя преломления определяем типы оптических стекол.

Экспериментальные и расчётные данные представлены в таблице 1:

Таблица 1. Экспериментальные и расчётные данные

3. Изучение просветляющих покрытий

· Записываем на приборе СФ-56 спектр пропускания образцов в УФ и видимой области спектра:

Рис. 6. Спектры пропускания образцов с просветляющим покрытием (синий и красный графики) и без него (зеленый график).

Из рисунка 6 видно, что стекло с просветляющим покрытием поглощает свет на больших длинах волн.

Пики на зависимостях стекол с просветляющим покрытием появляются из-за явления интерференции. Если две распространяющихся в одном направлении волны совпадают по фазе, то они «суммируются» - таким образом и получаются пики.

4. Цветные оптические стекла и интерференционные зеркала

· Записываем на СФ-56 спектры пропускания образцов цветных стекол. Они представлены на рисунке 7:

Рис. 7. Спектры пропускания образцов цветных стекол

· Выделяем образцы, имеющие качественно близкие спектры:

Рис. 8. Первая группа образов, имеющих качественно близкие спектры для желтого, оранжевого, красного стекол соответственно

Рис. 9. Вторая группа образов, имеющих качественно близкие спектры для синего и зеленого стекол соответственно

Первая группа цветных стекол может использоваться в светофильтрах, если существует необходимость отсечь какую-то зону излучения. По рисунку 10 можно судить о том, что желтое стекло можно использовать для отсечения зоны УФ-излучения, оранжевое - для зоны видимого излучения, красное - для ИК.

Если в первой группе отбрасывается целиком вся зона, то во второй зоны выделяются и позволяют фильтровать определенную длину волны. Синее стекло можно использовать для выделения УФ-излучения, зеленое - для зоны видимого излучения.

· Записываем спектры пропускания для металлического и интерференционных стекол. Результаты представлены на рисунке 10:

Рис. 10. Зависимость T=f(л) для металлического и интерференционных стекол

Из рисунка видно, что металлическое стекло практически не отражает световое излучение как в УФ, так и в ИК области, в то время как интерференционные стекла частично пропускают свет, но также имеют «окна».

· Составляем пару «глухого» и «выходного» зеркал для оптического резонатора лазера. Спектры поглощения данных зеркал показаны на рисунке 11:

Рис. 11. Спектры поглощения пары зеркал

«Глухое» стекло (розовый график) - стекло, которое не отражает свет на определенной длине волны.

«Выходное» стекло (черный график) - практически не отражает свет на определенной длине волны.

Вывод

В ходе данной лабораторной работы мы познакомились с оптическими стеклами и их характеристиками. Были рассчитаны величины показателя преломления, коэффициента пропускания, коэффициент отражения и основной коэффициент дисперсии для бесцветных оптических стекол, по вышеуказанным характеристикам определены типы стекла.

Были изучены спектры пропускания образцов с просветляющим покрытием и без него. Сделан вывод о том, что стекло с просветляющим покрытием поглощает свет на больших длинах волн.

Записаны спектры пропускания образцов цветных стекол. Выделены две группы стекол, имеющих качественно близкие спектры, и предложены сферы их применения.

Также по спектрам металлического и интерференционных стекол была составлена пара «глухого» и «выходного» зеркал для оптического резонатора лазера.

Размещено на Allbest.ru