itmo352
.pdfконденсации, и слабокислые водные растворы. Действие этих агентов проявляется различно в зависимости от химического состава стекла.
4.8.1. Устойчивость к влажной атмосфере
Устойчивость оптических стекол к действию влажной атмосферы характеризует сопротивляемость поверхностей оптических деталей действию влажного воздуха. Для стекол различного состава эта устойчивость колеблется в широких пределах: от нуля до практически опасного для стекол с высоким содержанием оксидов щелочных металлов и фосфора. Поверхности деталей из таких стекол портятся за несколько месяцев даже при сравнительно низкой влажности воздуха, не превышающей ~ 20% . При более высокой влажности
разрушение поверхностей происходит значительно интенсивнее.
Под действием влажной атмосферы на поверхностях силикатных стекол появляется густая сетка микроскопических капель водного раствора продуктов разрушения; для несиликатных стекол типичны отложения на поверхности слоя полутвердых продуктов, часто сопровождаемых трещинами. Эти новообразования заметно повышают рассеяние и потери света в приборах. Сущность определения химической устойчивости стекол к воздействию влажной атмосферы заключается в выдерживании свежеполированного образца стекла в камере с относительной влажностью 85 % при температуре 50°C для силикатных стекол и
60°C – для несиликатных.
По устойчивости к действию влажной атмосферы силикатные оптические стекла разделяются на следующие группы:
Группа устойчивости |
Химическая устойчивость |
Необходимое время |
|
стекол к действию |
выдержки в часах для |
||
стекла |
|||
влажной атмосферы |
образования налета |
||
|
|||
А |
Неналетоопасные стекла |
Более 20 |
|
Б |
Промежуточные стекла |
От 5 до 20 |
|
В |
Налетоопасные стекла |
Менее 5 |
По устойчивости к действию влажной атмосферы несиликатные оптические стекла разделяются на следующие группы:
Группа устойчивости |
Химическая |
|
стекол к действию |
|
|
устойчивость стекла |
|
|
влажной атмосферы |
|
|
|
|
|
|
|
Разрушения поверхности стекла не |
а |
Устойчивые стекла |
видно при просмотре под |
|
|
микроскопом при увеличении 80× |
111
|
Промежуточные |
Разрушения поверхности стекла |
|
у |
обнаруживается при просмотре под |
||
стекла |
|||
|
микроскопом при увеличении 80× |
||
|
Неустойчивые |
Разрушения поверхности стекла |
|
д |
обнаруживается при просмотре в |
||
стекла |
отраженном свете без применения |
||
|
|||
|
|
увеличительного прибора |
В оптических приборах рекомендуется применять стекла групп А, Б, а и у. Детали из силикатных стекол группы В и несиликатных стекол группы д следует применять после предварительной защиты.
4.8.2. Устойчивость к слабокислым водным растворам и к воде
Устойчивость к слабокислым водным растворам и к воде характеризует сопротивляемость поверхностей оптических деталей их воздействию в процессе обработки, эксплуатации или хранения деталей. Метод определения группы устойчивости оптических стекол к действию этих реагентов заключается в определении времени образования на поверхности стекла под действием раствора 0,1 н уксусной кислоты или дистиллированной воды при 50°C
определенных признаков разрушения.
По устойчивости к слабокислым водным растворам и к воде оптические стекла подразделяются на шесть групп:
Группа |
|
Длительность |
|
|
устойчи- |
Реагент |
воздействия |
Признаки разрушения поверхности |
|
вости |
|
(травления), ч |
|
|
1 |
Раствор 0,1н уксусной кислоты |
|
На поверхности стекла обнаруживается |
|
> 5 |
пленка с фиолетово-синей |
|||
|
|
интерференционной окраской |
||
2 |
От 1 до5 |
Появляется пленка с фиолетово-синей |
||
интерференционной окраской |
||||
|
|
|||
3 |
Менее 1 |
Появляется пленка с фиолетово-синей |
||
интерференционной окраской |
||||
|
|
|||
4 |
Менее 0,25 |
Появляются признаки порчи |
||
|
поверхности |
|||
|
|
|
||
5 |
Дистиллированная вода |
От 0,25 до 1 |
Появляется пленка с фиолетово-синей |
|
интерференционной окраской |
||||
|
|
|||
|
|
Появляются признаки порчи |
||
6 |
Менее 0,25 |
поверхности |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
В оптических приборах рекомендуется применять стекла первых трех групп устойчивости к водному раствору уксусной кислоты. Детали из стекол 4–6-й групп устойчивости требуют защитных покрытий поверхностей.
112
Группы химической устойчивости оптических стекол должны соответствовать указанным в табл. П9.
4.9. Магнитные и электрические характеристики
4.9.1. Эффект Фарадея – один из эффектов магнитооптики
Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество, М. Фарадей обнаружил в 1845 году. Открытие этого эффекта явилось первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений. В области не очень сильных магнитных полей угол фарадеевского вращения плоскости поляризации описывается соотношением
ϕ =VλHl ,
где ϕ – угол поворота плоскости поляризации; H – напряженность магнитного поля в Ам (или в Э); l – длина хода луча в м (или см); Vλ –
магнитооптическая постоянная (постоянная Верде) в радА (или в
Эрадсм), которая зависит от свойств вещества, длина волны излучения
и температуры.
Величина магнитооптической постоянной оптических стекол для линии спектра e должна соответствовать значениям, указанным в табл. П10.
4.9.2. Электрические характеристики
Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрические потери
Величина ε, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля E, называется диэлектрической проницаемостью среды.
Связь между вектором поляризации P , вектором напряженности электрического поля E в вакууме и в диэлектрике (вектором электрической индукции D) в системе единиц СГСЭ имеет вид:
D= E + 4πP = εE,
ав системе единиц СИ:
D= ε0E + P = ε0εE ,
где ε0 – электрическая постоянная. Величина диэлектрической проницаемости ε зависит от структуры и химического состава
113
вещества, а также от давления, температуры и других внешних условий.
Поляризация диэлектрика при наложении электрического поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени τ (время релаксации). В переменном поле E = E0 sin ωt происходит отставание
поляризации P = P0 sin(ωt −δ) от поля E. При описании колебаний P
иE методом комплексных амплитуд диэлектрическую
проницаемость представляют комплексной величиной:
ε = ε′−iε′′,
причем ε′ и ε′′ зависят от ω и τ, а отношение tgδ = εε′′′ определяет
диэлектрические потери в среде, т.е. определяет часть энергии переменного электрического поля E, которая преобразуется в теплоту при переполяризации диэлектрика.
Зависимость действительной ε′ и мнимой ε′′ частей комплексной диэлектрической проницаемости среды от частоты ω приложенного переменного электрического поля и времени релаксации τ определяется формулами Дебая, установленными голландским физиком П. Дебаем в 1929 году:
ε′ = ε∞ + |
ε0 −ε∞ |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1+ ω2τ2 |
|
|
|
|
|
|
||
′′ |
(ε0 −ε∞ )ωτ |
. |
|
|
|
|
|
|
|
ε = |
1+ ω2τ2 |
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
′ |
|
|
|||
|
|
|
|
для низких частот |
ω<< |
|
, |
ε∞ – для |
|
Здесь ε0 – значение ε |
τ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω >> |
1 |
|
′′ |
|
высоких частот |
|
. Величина |
|||
τ |
ε |
определяет потери энергии, |
|||
|
|
|
|
|
рассеиваемой в диэлектрике в результате изменения поляризации, при этом количественно диэлектрические потери характеризуются величиной тангенса угла диэлектрических потерь, т.е. tgδ, где угол
δ – разность фаз между векторами поляризации P и напряженности |
|
E электрического поля. |
|
Диэлектрическая проницаемость ε(f , t) и тангенс угла |
|
диэлектрических потерь tgδ(f , t) |
оптических стекол при частотах f , |
равных 106 и 1010 Гц, и при |
t0 = 20°C должны соответствовать |
указанным в табл. П11. |
|
114
Удельное объемное сопротивление
Удельное объемное сопротивление ρ(t) – это электрическое
сопротивление стеклянного куба с длиной ребра 1 см при прохождении тока через две его противоположные грани. Удельное объемное сопротивление сильно зависит от температуры. Эта зависимость определяется выражением вида:
B
ρ = A eT ,
где T – абсолютная температура; A и B – постоянные для данного стекла.
Значения удельного объемного сопротивления ρ оптических стекол при температурах 150 и 300°C должны соответствовать указанным в табл. П11.
4.10. Показатели качества оптического стекла и их нормирование
На чертеже оптической детали в правой верхней части размещается таблица параметров, состоящая из трех частей:
−требования к материалу;
−требования к изготовлению;
−расчетные данные.
Для деталей из бесцветного оптического стекла, соответствующего ГОСТ 3514, в первой части таблицы указывают следующие требования к материалу: категорию и класс стекла по показателю преломления и средней дисперсии; категорию по оптической однородности (обозначается как «однородн.»); категорию по двойному лучепреломлению (обозначается как «двулучепр.»); категорию по показателю ослабления τA ; категорию и класс
бессвильности (обозначается как «бессвильн.»); категорию и класс пузырности (обозначается как «пузырн.»). Требования к материалу выбираются согласно ГОСТ 23136 или другим стандартам и ТУ.
На рис. 4.15 показан пример рекомендуемого выполнения чертежа линзы, выпуклая поверхность которой имеет форму параболоида вращения.
115
Рис. 4.15. Пример выполнения чертежа линзы с параболической поверхностью
Значения оптических постоянных для стекол отдельных варок, как правило, отличаются от номинальных.
Чтобы повысить показатель преломления на 5 10−3 , нужно 1 % кремнезема SiO2 стекла заменить 1 % окиси свинца PbO [41].
Следовательно, чтобы показатель преломления стекла не отличался от номинального значения на величину, не более 1 10−4 , допустимое отклонение от требуемого содержания SiO2 и PbO в стекле не
должно превышать 0,01 %.
Оптический путь света в плоскопараллельной пластинке толщиной d при нормальном падении пучка лучей равен L = nd , где n – показатель преломления материала пластинки. Пусть показатель преломления пластинки, неизменный в направлении падающего луча (по толщине ее), изменяется в пределах светового пучка лучей (в пределах световой зоны на поверхностях пластинки). Тогда разность
116
оптических путей в пределах световой зоны волнового фронта, падающего на пластинку по нормали к поверхностям ее, определит волновую аберрацию W , при малом изменении показателя преломления равную W = dL = dnd .
Отсюда следует, что |
|
dn |
= |
W |
. При W = kλ имеем |
dn |
= |
kλ |
. |
|||||||
|
|
|
n |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
nd |
|
nd |
|||||
Положив |
k = 0,1 (требование скорее мягкое, чем жесткое), при |
|||||||||||||||
λ = 0,55 мкм, n =1,5 и d =10мм, получаем |
|
|
|
|
||||||||||||
|
dn |
= |
λ |
= |
10λ |
% = |
0,55 |
10−3 % ≈ 0,0004% . |
|
|
|
|
||||
|
|
10nd |
|
1,5 |
|
|
|
|
||||||||
|
n |
|
nd |
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, материал пластинки должен быть настолько однородным, чтобы показатель преломления не изменялся более, чем на 0,0004 %.
Качество стекла каждой варки характеризуется отклонением показателя преломления ne и средней дисперсии nF′ − nC′ от
номинальных значений и их однородностью внутри партии заготовок, оптической однородностью стекла, показателем ослабления, двулучепреломлением, бессвильностью и пузырностью. По каждому из этих показателей качества действует система допусков, установленная на основании требований оптического приборостроения и возможностей оптического стекловарения.
По показателю преломления ne и средней дисперсии nF′ − nC′
принято пять категорий оптического стекла, характеризующих отклонения от установленных для каждой марки значений (табл. 4.4).
Таблица 4.4. Категории бесцветного оптического стекла по показателю преломления и средней дисперсии
Категория по |
Предельное отклонение |
Категория по |
Предельное отклонение |
показателю |
показателя преломления |
средней |
средней дисперсии |
преломления |
± ne 104 |
дисперсии |
± (nF′ −nC′ ) 105 |
1 |
2 |
1 |
2 |
2 |
3 |
2 |
3 |
3 |
5 |
3 |
5 |
4 |
10 |
4 |
10 |
5 |
20 |
5 |
20 |
По однородности партии заготовок стекла по показателю преломления установлено четыре класса и по средней дисперсии два класса, характеризуемых наибольшей разностью показателей преломления или средних дисперсий в партии заготовок (табл. 4.5).
117
Таблица 4.5. Классы однородности партии заготовок стекла по показателю
преломления и средней дисперсии
Класс |
Наибольшая разность |
Класс |
Наибольшая разность |
|
однородности по |
показателя преломления |
однородности по |
показателя |
|
показателю |
n 104 |
средней |
преломления |
|
|
4 |
|||
преломления |
e |
дисперсии |
ne 10 |
|
|
|
|||
А |
0,2 |
– |
– |
|
Б |
0,5 |
– |
– |
|
В |
1,0 |
В |
1,0 |
|
Г |
В пределах категории, |
Г |
В пределах категории, |
|
|
указанной при заказе |
|
указанной при заказе |
По оптической однородности существуют две системы оценки заготовок в зависимости от их размеров.
Для заготовок из оптического стекла диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм (ГОСТ 23136-93) или не более 250 мм (ГОСТ 23136-78) установлено пять категорий (табл. 4.6), характеризуемых разрешающей способностью при длине волны λ = 0,55 мкм.
Разрешающую способность оптического стекла определяют отношением угла разрешения ϕ дифрактометра (коллиматорной
установки), в параллельный пучок которого введена заготовка из оптического стекла, к углу разрешения ϕ0 самого дифрактометра.
Таблица 4.6. Категории оптической однородности, характеризуемой разрешающей способностью
Категория |
Отношение углов |
ϕ |
, не более |
оптической |
|
||
ϕ0 |
|||
однородности |
|
|
|
1 |
1,0 |
|
|
|
Дифракционное изображение точечной миры должно состоять из |
||
|
круглого пятна, окруженного концентричными кольцами, и не |
||
|
должно иметь разрывов, хвостов и заметного на глаз отклонения |
||
2 |
от круга |
|
|
1,0 |
|
|
|
3 |
1,1 |
|
|
4 |
1,2 |
|
|
5 |
1,5 |
|
|
Допускается оптическую однородность заготовок больших размеров оценивать по разрешающей способности, если они предназначены для деталей, работающих отдельными участками диаметром до 150 мм включительно.
Для заготовок из оптического стекла диаметром или с наибольшей стороной более 150 мм (более 250 мм) устанавливают пять категорий (табл. 4.7), характеризуемых сочетанием следующих
118
параметров: Kф , обусловленного неоднородностью показателя
преломления, возникающей в процессе отжига стекла; K , обусловленного асимметричным относительно оси заготовки расположением неоднородностей показателя преломления, возникающих в процессе отжига стекла; Kx , обусловленного
неоднородностью показателя преломления, возникающей в процессе варки и разделки стекломассы. Чтобы значение Kx не выводило
заготовку за пределы заданной категории оптической однородности, бессвильность заготовки должна соответствовать требованиям табл. 4.7.
Таблица 4.7. Категории оптической однородности, характеризуемой
параметрами Kф, K и Kx
Категория |
Значение параметра в длинах волн |
|
||
оптической |
( λ = 0,55 мкм) |
Kx |
||
однородности |
Kф |
K |
|
|
I |
До 0,25 |
До 0,15 |
Не допускаются свили, |
|
|
включительно |
включительно |
обнаруживающие |
|
|
|
|
двулучепреломление, и потоки |
|
|
|
|
свилей; допускаются одиночные |
|
|
|
|
свили на расстоянии свыше |
|
|
|
|
50 мм друг от друга общей |
|
|
|
|
длиной не более одного |
|
|
|
|
диаметра (диагонали) заготовки |
|
II |
Св. 0,25 |
Св. 0,15 |
Не допускаются свили, |
|
|
до 0,70 |
до 0,35 |
обнаруживающие |
|
|
включительно |
включительно |
двулучепреломление. |
|
|
|
|
Допускаются одиночные свили |
|
|
|
|
на расстоянии свыше 30 мм друг |
|
|
|
|
от друга общей длиной не более |
|
|
|
|
двух диаметров (диагоналей) |
|
|
|
|
заготовки и потоки свилей |
|
|
|
|
общей площадью не более 10 % |
|
|
|
|
площади заготовки |
|
III |
Св. 0,70 |
Св. 0,35 |
Не допускаются свили, |
|
|
до 1,50 |
до 0,80 |
обнаруживающие |
|
|
включительно |
включительно |
двулучепреломление. |
|
|
|
|
Допускаются одиночные свили |
|
|
|
|
на расстоянии свыше 20 мм друг |
|
IV |
Св. 1,50 |
Св. 0,80 |
||
от друга общей длиной не более |
||||
|
до 3,00 |
до 1,50 |
||
|
двух диаметров (диагоналей) |
|||
|
включительно |
включительно |
||
|
заготовки и потоки свилей |
|||
|
|
|
||
|
|
|
общей площадью не более 50 % |
|
|
|
|
площади заготовки |
119
|
|
|
Таблица 4.7 (продолжение) |
|
|
|
|
Категория |
Значение параметра в длинах волн |
|
|
оптической |
( λ = 0,55 мкм) |
Kx |
|
однородности |
Kф |
K |
|
V |
Св. 3,00 |
Св. 1,50 |
Не допускаются очень грубые |
|
|
|
одиночные свили и потоки |
|
|
|
свилей, обнаруживающие |
|
|
|
двулучепреломление свыше |
|
|
|
30 нм, расположенные в |
|
|
|
центральной трети толщины |
|
|
|
заготовки, и свыше 10 нм – при |
|
|
|
расположении их в крайних |
|
|
|
третях заготовки |
ГОСТ 23136-93 рекомендует I–V категории оптической однородности характеризовать разностью показателей преломления в объеме заготовки, значения которой приведены в табл. 4.8.
Таблица 4.8. Рекомендации по характеристике I–V категорий оптической
однородности в зависимости от разности показателей преломления
Категория оптической однородности |
Разность показателей преломления в |
|
объеме заготовки |
||
|
||
I |
До 2 10−6 |
|
II |
До 5 10−6 |
|
III |
До 10 10−6 |
|
IV |
До 20 10−6 |
|
V |
До 50 10−6 |
При использовании системы оценки заготовок по оптической однородности, характеризуемой тремя параметрами (табл. 4.7), требования к категории по двулучепреломлению и бессвильности не указывают, качество стекла обеспечивают выполнением требований к параметрам Kф , K и Kx .
Допускается указывать требования к двулучепреломлению при необходимости обеспечения малых напряжений в направлении наибольшего размера заготовки.
По двулучепреломлению стекла установлено пять категорий, характеризуемых разностью хода двух лучей при длине волны λ = 0,55 мкм, на которые разделяется падающий луч под воздействием напряжений при прохождении его в направлении наибольшего размера заготовки (табл. 4.9).
120