Optinen lasi

Optinen lasi  on erityiskoostumukseltaan läpinäkyvää lasia , jota käytetään optisten instrumenttien eri osien valmistukseen .

Se eroaa tavallisesta teknisestä lasista erityisen korkean läpinäkyvyyden , puhtauden, värittömyyden, yhtenäisyyden sekä tiukasti normalisoidun taitevoiman , dispersion ja tarvittaessa värin suhteen. Kaikkien näiden vaatimusten täyttäminen vaikeuttaa merkittävästi ja lisää optisen lasin tuotannon kustannuksia.

Optisten järjestelmien kuvanlaadulle asetettujen poikkeuksellisen korkeiden vaatimusten vuoksi on luonnollisesti tullut tarpeelliseksi valmistaa laaja valikoima erilaisia ​​lasityyppejä, joilla on erilaiset ominaisuudet.

Kemiallinen koostumus

Optisen lasin sulatukseen tarkoitetun seoksen koostumus sisältää yleensä puhdasta piidioksidia , soodaa , boorihappoa , usein bariumsuoloja , lyijyoksidia , fluorideja ja muita komponentteja.

Lasin optiset perusominaisuudet

Optisen lasin pääominaisuuksia kuvaavat taitekerroin , keskimääräinen dispersio ja dispersiokerroin . Joissakin tapauksissa osittaisia ​​dispersioita ja suhteellisia osittaisia ​​dispersioita käytetään karakterisoimaan optisia laseja .

Taitekerroin

1800-luvulta lähtien ( Schottin ja Abben ajoista lähtien) ja viime aikoihin asti natriumin keltaiselle spektrin D -viivalle määritettyä taitekerrointa (λ = 589,3 nm) käytettiin optisten lasien karakterisoimiseen.

Tämä ei kuitenkaan ole yksittäinen rivi, vaan pari: niin kutsuttu " natriumdubletti ", joka ei voinut muuta kuin vaikuttaa mittausten tarkkuuteen. Siksi nyt päätaitekertoimeksi ( ) sen arvo otetaan joko heliumin keltaiselle d -viivalle, jonka λ=587,56 nm, tai kelta-vihreälle elohopean e -viivalle, jonka λ=546,07 nm. Ensimmäistä ( ) käyttävät sellaiset valmistajat kuin Schott, Hoya, Ohara jne., erityisesti toinen ( ) on otettu käyttöön venäläisten valmistajien dokumentaatiossa.

Tällä hetkellä teollisille optisille laseille saavutetut rajat ovat noin 1,43 - 2,17.

Sallittu poikkeama riippuu optisen lasin luokasta ja normalisoituu arvolla ±(3-20)⋅10 −4 .

Keskimääräinen varianssi

Keskimääräinen dispersio  - määritellään erona taitekertoimissa n F spektrin sinisellä viivalla λ = 488,1 nm ja n C spektrin punaisella viivalla, jonka λ = 656,3 nm; Keskimääräisen dispersion arvo esitetään muodossa (n F -n C )⋅10 5 ja on alueella 639 - 3178 toleranssilla ±(3-20)⋅10 -5 .

Hajautuskerroin

Dispersiokerroin ( Abbe-luku , ) - saadaan yksikköä sisältämättömän taitekertoimen eron suhteesta keskimääräiseen dispersioon.

Aiemmin määritelty lausekkeella, joka sisältää natriumin keltaisen spektriviivan taitekertoimen .

missä  ovat väliaineen taitekertoimet aallonpituuksilla, jotka vastaavat Fraunhoferin linjoja C (656,3 nm), D (589,2 nm) ja F (486,1 nm).

Tällä hetkellä dispersiokertoimen päävaihtoehdot ovat joko

tai

jossa keskimääräinen dispersio määritellään kadmiumin sinisen ( F' ) ja punaisen ( C' ) taitekertoimien välisenä erona.

Tällä hetkellä teollisuusoptisten lasien arvot vaihtelevat välillä 17-95.

Osittaisvarianssit ja suhteelliset osittaiset varianssit

Osittaiset dispersiot  ovat eroja kahden taitekertoimen arvon välillä joillakin mielivaltaisesti valituilla aallonpituuksilla , jotka eivät täsmää aallonpituuksien kanssa ja jotka on valittu keskimääräisen dispersion laskemiseen (ja pääsääntöisesti kapeamman spektrivälin kanssa).

Suhteelliset osittaiset varianssit  ovat osittaisvarianssien suhdetta keskimääräiseen varianssiin.

Vaikka useimpien optisten lasien suhteellisten osittaisdispersioiden riippuvuus keskimääräisestä dispersiokertoimesta (Abbe-luku) on lähellä lineaarista, optisen materiaalin taitekertoimen riippuvuus valon aallonpituudesta on monimutkainen käyrä. Tämän käyrän muodon määräävät tietyn materiaalin parametrit, ja se on erilainen erityyppisille optisille laseille. Siten osittaisdispersiot ja suhteelliset osadispersiot tarkentavat lasin taitekertoimen muutosten riippuvuutta aallonpituuden muutoksista.

Tällainen yksityiskohta on tarpeen laskettaessa korkealaatuisia akromaattisia ja apokromaattisia komponentteja, koska suhteellisten dispersioiden kulun huomioon ottaminen lasien valintavaiheessa mahdollistaa sekundaarisen spektrin merkittävän pienentämisen tulevaisuudessa. Koska yleisessä tapauksessa toissijaisen spektrin arvo on verrannollinen valitun lasiparin osittaisdispersioiden eron suhteeseen näiden lasien keskimääräisten dispersioiden eroon.

jossa: ja  - suhteelliset osittaiset dispersiot; ja  ovat keskimääräisiä hajontakertoimia; - linssin polttoväli.

Käytännön kannalta tärkeimmät ovat spektrin sinisen osan osittainen dispersio tai (missä on elohopean violetin g -linjan  taitekerroin ) ja vastaava suhteellinen osittaisdispersio (tai ), koska tällä alueella taitekerroin materiaaliindeksi muuttuu eniten aallonpituuden mukaan.

Säteilyvaimennusindeksi

Lasin läpi kulkevan optisen säteilyn intensiteetti pienenee johtuen lasin absorptiosta ja säteilyn sironnasta . Säteilyn intensiteetin laskuasteelle, joka johtuu molempien mekanismien kokonaisvaikutuksesta, on tunnusomaista lasin heikkenemisindeksi .

Erota ja käytä standardilähteen A monokromaattisen säteilyn vaimennusindeksiä ja valkoisen valon vaimennusindeksiä [1] .

Lähteen A säteilyn valkoisen valon vaimennusindeksin arvon mukaan vahvistetaan kahdeksan laatuluokkaa, jotka määritetään raja-arvoilla [2] .

Ensimmäinen, korkein luokka sisältää lasit, joiden koko on 0,0002 - 0,0004 cm −1 . Tällaisilla laseilla 10 cm paksun kerroksen sisäinen läpäisykyky vaihtelee välillä 0,991 - 0,995 [2] .

Kahdeksanteen, alimpaan luokkaan kuuluvilla laseilla on 0,0066 - 0,013 cm −1 . Tämä vaimennuskertoimen arvoalue vastaa 10 cm paksuisen lasikerroksen sisäisen läpäisevyyden arvoaluetta 0,741 - 0,859 [2] .

Optisten lasien tyypit

Optisten lasien historiallinen luokitus perustuu yleiseen käsitykseen kemiallisen koostumuksen ja optisten vakioiden välisestä suhteesta. Ennen Schottin työtä optiset lasit koostuivat lähes yksinomaan piidioksidista yhdistettynä natriumin, kaliumin, kalsiumin ja lyijyn oksideihin. Tällaisten lasien taitekertoimien n ja keskimääräisten dispersiokertoimien v välillä on toiminnallinen suhde , joka heijastui ns. Abbe-diagrammissa . Tässä kaaviossa värittömät optiset lasit on järjestetty laajan alueen muotoon, joka on pitkänomainen kaavion vasemmasta alakulmasta sen oikeaan yläkulmaan. Siten oli mahdollista nähdä suhde kahden pääoptisen ominaisuuden muutoksen ja optisten lasien kemiallisen koostumuksen välillä. Lisäksi taitekertoimen kasvaessa dispersiokerroin yleensä pieneni.

Tässä suhteessa erotettiin kaksi päätyyppiä optisia laseja: kruunut (lasit, joilla on alhainen taitekerroin ja korkeat dispersiokertoimen arvot) ja piikit (lasit, joilla on alhaiset dispersiokertoimen arvot ja korkea taitekerroin) . Samanaikaisesti sooda-silikaattilasit kuuluivat kruunujen ryhmään ja lyijyä sisältävät lasit piilevien ryhmään.

Myöhemmin optisten lasien määrän lisääntymisen vuoksi Abbe-kaavio oli tarpeen jakaa useampaan määrään uusia tyyppejä vastaavia osia. Joten kevyet, raskaat ja superraskaat kruunut (LK, TK, STK) erotettuna kruunuista ja kevyet, raskaat ja superraskaat piikit (LF, TF, STF) erotettuna piikivistä. Lisäksi vaaleiden kruunujen ja vaaleiden piikivien väliin ilmestyi joukko kruunukiviä.

On ilmestynyt uudentyyppisiä laseja, jotka perustuvat ei-silikaattisiin lasinmuodostajiin (boraatti, fosfaatti, fluoridi jne.) ja sisältävät uusia komponentteja (lantaani-, tantaali-, titaanioksidit). Tällaiset tyypit on usein (yleensä ulkomaisten valmistajien luetteloissa) merkitty käyttämällä kemiallisten alkuaineiden nimiä, joiden oksidit antavat lasille sen erityisominaisuudet.

Tällaisten lasien käyttö, joille on tunnusomaista muut päätaitekertoimen ja dispersiokertoimen yhdistelmät, laajensi merkittävästi optisten lasien käyttämää aluetta Abbe-kaaviossa. Lisäksi dispersiokertoimen pienenemisen ja taitekertoimen kasvun välinen suhde muuttui vähemmän havaittavaksi.

"Erikois" lasit

Lisäksi on olemassa niin sanottuja "erikois" laseja tai laseja, joissa on "erityinen osittaisen dispersion kulku" . Suurin osa niistä kuuluu kahteen tyyppiin, joita yhdistävät yhteistermit "lang-crowns" (kruunut, joilla on lisääntynyt suhteellinen osittaisdispersio) ja "Kurz-flints" (piivet, joiden osittaiset hajoamiset ovat vähentyneet). Nämä nimet, jotka tulevat saksalaisista sanoista lang (pitkä) ja kurz (lyhyt), ovat melko ehdollisia, eivätkä suurimmalle osalle "erikoislaseista" liity suoraan kemiallisen koostumuksen ja/tai rakenteen ominaisuuksiin.

Nykyaikaisissa optisten lasien luetteloissa "erityisten" ominaisuuksien näyttämiseksi käytetään kaavioita (kaavioita) suhteellisten osittaisten dispersioiden riippuvuudesta keskimääräisestä dispersiokertoimesta (esimerkiksi Schottin luettelosta). Näissä kaavioissa optiset lasit sijaitsevat niin sanotulla "normaalilla linjalla" , jolla suoraan lasit sijaitsevat lineaarisella riippuvuudella .

Samanaikaisesti laseja, joissa on pieni poikkeama osittaisdispersioiden aikana ( ) ja jotka sijaitsevat lähellä normaalia suoraa linjaa, kutsutaan yleensä "normaaleiksi" ja suuremmalla etäisyydellä olevia laseja (joilla on suurempi poikkeama osittaisdispersioiden aikana ) kutsutaan "erikoisiksi" ("epänormaaliksi").

Kaaviota "suhteellinen osittainen hajonta - hajontakerroin" ehdotti myös Ernst Abbe, mutta sekaannusten välttämiseksi sitä ei ole tapana kutsua kirjoittajan nimellä.

Ensimmäiseen tyyppiin (lang-crowns) kuuluvista laseista on huomioitava ns. mataladispersiolasit , jotka ovat koostumukseltaan erilaisia, mutta jotka erottuvat sekä keskimääräisen hajontakertoimen korkeista arvoista että suhteellisen osittaisdispersion korkea arvo (eli osittaisten dispersioiden kulun merkittävä poikkeama "normaalista").

Kurtz-flint -ryhmässä yhdistyvät myös erilaiset koostumukset. Erityisesti lähes kaikki LaK-, LaF-, LaSF-tyyppiset Schott-lasit sekä venäläiset STK- ja TBP-lasit, joissa on korkea lantaanioksidipitoisuus, kuuluvat tämän määritelmän piiriin. Lisäksi erikoiskivien poikkeamat "normaalista suorasta" ovat yleensä pieniä.

"Erikoispiikit", joiden suhteellinen osittaisdispersioarvo on korotettu ( lang-flints ), ovat pääsääntöisesti joko raskaita ja erittäin raskaita piikiviä, joissa on maksimipitoisuus lyijyoksidia, tai titaanikiviä, joissa on korkea titaanioksidipitoisuus.

Tuotanto

Värittömän lasin koostumukseen lisätään sulatuksen aikana kuparia , kultaa , seleeniä jne. sisältäviä aineita värittömän lasin saamiseksi.

Optisen lasin sulatus tehdään seoksesta erityisissä tulenkestävissä kattiloissa, jotka on sijoitettu lasinsulatusuuniin. Panoksen koostumus voi sisältää jopa 40 % lasimurskaa, jonka koostumus on sama kuin sulatettu lasi. Haudutusprosessi kestää noin 24 tuntia. Lämmitys suoritetaan pääsääntöisesti vetypolttimien avulla, kun taas uunin lämpötila saavuttaa 1500 °C. Sulatusprosessin aikana lasimassaa sekoitetaan jatkuvasti keraamisella tai platinasekoittimella homogeenisen tilan saavuttamiseksi ja näyte otetaan useita kertoja laadunvalvontaa varten. Yksi kypsennyksen vaiheista on selkeytys. Tässä vaiheessa panokseen lisätyistä kirkastusaineista vapautuu lasimassassa suuri määrä kaasuja. Syntyvät suuret kuplat nousevat nopeasti pintaan ja keräävät matkan varrella pienempiä, joita joka tapauksessa muodostuu kypsennyksen aikana. Lasin sulamisen lopussa kattila poistetaan uunista ja jäähdytetään hitaasti, joka kestää 6-8 päivää. Massan epätasaisessa jäähtyessä siihen muodostuu mekaanisia jännityksiä , jotka voivat aiheuttaa lasin halkeamisen suureksi määräksi kappaleiksi.

Jäähdytyksen jälkeen lasinpalat lajitellaan koon ja laadun mukaan, jonka jälkeen hyvät lähetetään jatkokäsittelyyn. Mekaanisen käsittelyn ajan lyhentämiseksi optisia osia ei tehdä tavallisista sulatuksen jälkeen saaduista lasipaloista, vaan erikoispuristetuista laatoista tai aihioista. Massan epätasaisen jäähtymisen aiheuttamien jännitysten välttämiseksi tällä tavalla saadut työkappaleet kuumennetaan 500 °C:seen ja alistetaan sitten sähköuuneissa erittäin hitaaseen jäähdytykseen, ns. hehkutukseen . Jos lämpötila laskee tässä tapauksessa jyrkästi, lasiin syntyy jännityksiä, jotka johtavat anisotropian , mukaan lukien taitekertoimen anisotropian, esiintymiseen. Toissijainen kääpiö voi myös muodostua .

Hehkutuksen jälkeen tuloksena oleva työkappale tutkitaan optisilla laadunvalvontalaitteilla ja laaditaan vikakartta, josta käy ilmi lasivikojen koko, sijainti ja luonne.

Teknologiset viat

Optisten lasien teknisiä vikoja ovat kivet, kuplat, kääpiöt, sameus, juovat ja jännitykset.

Optisille laseille vahvistetaan luokat ja laatuluokat (GOST 23136-93). Eli koko vikojen kirjo on jaettu alueisiin (niiden lukumäärän, koon, muodon mukaan), jotka lasilaatujen tulisi sisältää. Värittömälle optiselle lasille on olemassa standardit GOST 3514-94 (aiemmin GOST 3514-76). Värilliselle optiselle lasille - GOST 9411-91 (aiemmin GOST 9411-76).

Koska optista lasia valmistetaan tiettyihin tarkoituksiin, ei vain vikojen esiintyminen normalisoitu, vaan myös optisten indikaattoreiden poikkeamat normista. Lasin valitseminen tarpeisiisi on helpompaa, jos määrittelet laatukriteerit etukäteen.

Käsitellään

Yleensä vikakartan ohjaamana työkappale sahataan timanttisahoilla pienemmiksi suorakaiteen muotoisiksi tai siitä leikataan sylintereitä pyörösahoilla. He yrittävät antaa syntyville aihioille muodon, joka on mahdollisimman lähellä tulevan optisen tuotteen muotoa pienellä marginaalilla. Myös melko usein suorakaiteen muotoiset aihiot kuumennetaan plastisen muodonmuutoksen tilaan ja puristetaan , jotta saadaan tuotteita, joiden muoto on lähellä vaadittua. Nämä aihiot kiinnitetään sitten lohkoiksi (yleensä kipsistä ) ja kiillotetaan . Hionta sisältää useita vaiheita; jokaisessa seuraavassa käytetään yhä hienompia hiomarakeita. Jokaisen hiontavaiheen jälkeen lasi pestään. Lasin kiillotuksen jälkeen työkappale kiillotetaan ja sen muotoa (kuvaa) ohjataan. Lasin kiillotus on pitkä fysikaalinen ja kemiallinen prosessi, joka kestää jopa 3 päivää. Kiillotuksen jälkeen saadaan valmis tuotteen työpinta, käyttövalmis. Tämä pinta suojataan, työkappale poistetaan lohkosta ja lohko kootaan uudelleen, mutta työkappaleet kiinnitetään toinen puoli ylöspäin ja muut työpinnat hiotaan ja kiillotetaan samalla tavalla.

Optiikan valaistuminen

Kiillotuksen jälkeen lasipinnan laatua valvotaan ja tuotteen ominaisuuksien parantamiseksi optikkaa voidaan valaista käyttämällä ohuita läpinäkyviä kalvoja, yleensä dielektrisiä. Nämä kalvot parantavat optista suorituskykyä ja voivat parantaa mekaanista suorituskykyä, kuten suojaamaan lasia samealta, kun ne altistetaan kostealle ilmapiirille pitkään.

Historia

Yksi ensimmäisistä vakavista yrityksistä saada optista lasia, eli lasia, jolla on riittävän kemiallisesti ja fysikaalisesti homogeeninen ja jolla on tietyt optiset ominaisuudet, johtuu 1600-luvulta. Niinpä saksalaisen kemistin Johannes Kunckelin teoksessa "Ars vitraria experimentalis" (1689) boori- ja fosforihapot mainitaan lasin komponentteina ja boorisilikaattikruunu, jotka ovat koostumukseltaan samanlaisia ​​kuin eräät nykyaikaiset lajikkeet. Vuonna 1663 englantilaisen Tilsonin patentissa mainitaan lyijyoksidin lisääminen "piikivilasiin", ja 1700-luvulla tätä lasia alettiin käyttää akromaattisten linssien valmistukseen, ensin Chester Moore Hall (1729), ja sitten, ja suuremmalla menestyksellä, Peter Dollond (1758).

Optisen lasin teollisen tuotannon alkua voidaan pitää Sveitsin Guinanin monien vuosien työn tuloksena, joka onnistui yhdessä Fraunhoferin kanssa ottamaan käyttöön enemmän tai vähemmän luotettavan menetelmän hyvän optisen lasin saamiseksi jopa 400 kg:n astioissa. Utzschneiderin tehtaalla Benediktbeuernissa (Baijeri). Menestyksen avain oli Guinanin tekniikka sekoittaa sulatetta mekaanisesti kypsennyksen aikana siirtämällä savitankoa pystysuoraan lasiin pyörivin liikkein. Vuonna 1811 Guinan ja Fraunhofer lanseerasivat kahden tyyppisen optisen lasin: kruunu (72 % SiO 2 , 18 % K 2 O, 10 % CaO) ja piikivi (45 % SiO 2 , 12 % K 2 O, 43 % PbO)

Kehitetty teknologinen prosessi mahdollisti varsin tyydyttävien linssien valmistuksen, joiden halkaisija oli jopa 200-250 mm. Kuitenkin lasitehtaiden 1800-luvun alkupuoliskolla valmistamien optisten lasien valikoima rajoittui käytännössä kahteen tyyppiin.

1800-luvun jälkipuoliskolla saksalainen kemisti Otto Schott teki Ernst Abben ehdotuksesta perustavanlaatuisen tutkimuksen eri komponenttien vaikutuksesta lasin ominaisuuksiin, ja vuonna 1884 O. Schott ja E. Abbe ja K. Zeiss perusti Jenaan tehtaan, joka aloitti erilaisten optisten lasien tuotannon.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. Vakiolähde A on lähde, jonka korreloitu emission värilämpötila on 2856 K.
  2. 1 2 3 GOST 23136-93. Optiset materiaalit. Vaihtoehdot.

Kirjallisuus

Linkit