Исследование оптической однородности оптических материалов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИММЕРСИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
1 . ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель лабораторной работы – исследование влияния различных стеклообразующих окислов на показатель преломления оптического стекла .В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны :
-ознакомиться с рефрактометрическим методом определения показателя преломления оптических материалов ;
-измерить показатель преломления иммерсионной жидкости и выполнить их подбор для данных оптических материалов ;
-исследовать изменение показателя преломления стекол различных марок в зависимости от состава стеклообразующих окислов .
2 . ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ .
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 ( 1 ).
Показатель преломления оптического материала – это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данном оптическом материале v :
n = 
(2.1)
|
|
|
В качестве номинального показателя преломления согласно ГОСТ 23136-93 установлен показатель преломления ne для спектральной линии e ртути, соответствующей длине волны l e= 546 ,07 нм . Каждому стеклу присваивается марка , и его оптические характеристики определяются химическим составом стекла .
В качестве средней дисперсии принята величина : nF ¢ - nC ¢ для двух длин спектральных линий F¢ и C¢ кадмия : l F ¢ =480 нм , l C ¢=643,8 нм .
Коэффициент средней дисперсии
n e = 
( 2.2 )
По отклонению показателя преломления установлено пять категорий (табл 2.1) , по отклонению коэффициента дисперсии и средней дисперсии, допускаемой до 01.01.96г. – также пять категорий (табл 2.2 )
Таблица 2.1
Категория стекла по отклонению показателя преломления
( ГОСТ 23136-93 )
| Категория стекол | Предельное отклонение ne ×104 |
| 1 | ±2 |
| 2 | ±3 |
| 3 | ±4 |
| 4 | ±10 |
| 5 | ±20 |
Таблица 2.2
|
|
|
Категория стекла по отклонению коэффициента дисперсии и средней дисперсии
( ГОСТ 23136-93 )
| Категория стекла | Предельное отклонение | |
| νе ×102 | ( nF ¢ – n C¢) ×105 | |
| 1 | ±0,2 | ±2 |
| 2 | ±0,3 | ±3 |
| 3 | ±0,5 | ±5 |
| 4 | ±0,8 | ±10 |
| 5 | ±1,6 | ±20 |
Однородность партии заготовок стекла по показателю преломления нормируется четырьмя классами ( А , Б ,В, Г ) . При этом числовые значения предельных отклонений показателя преломления лежат в пределах от ± 0,2 *10-4 (класс А ) до величины , равной предельному отклонению показателя преломления для заданной категории ( класс Г ) .
Причинами отклонений ne и nF ¢ – n C¢ являются внесенные в стекломассу инородные примеси , например , продукты разъедания стекловаренного сосуда , и неравномерное улетучивание компонентов смеси сырьевых материалов
Высококачественное стекло получается при строгом соблюдении технологических процессов подготовки сырьевых материалов , изготовления стекловаренных сосудов и мешалок , варки стекла ( 2 ) .
|
|
|
2.1. Влияние химического состава оптического стекла на его показатель преломления .
Все оптические стекла в зависимости от сочетания показателя преломления и дисперсии делятся на две большие группы : кроны и флинты. Кроны характеризуются низкими значениями показателя преломления ne=1,47–1,67. Флинты имеют высокие значения ne =1,52–1,90 . К группе флинтов относятся стёкла, содержащие PbO от 15 до 70 % .
Введение окислов тяжёлых металлов ( PbO , Sb2O3 ) увеличивает ne и nF ¢ – n C¢ . Окислы CaO и BaO увеличивают ne больше ,чем дисперсию, а P2O5 повышает ne , но сильно снижает nF ¢ – n C¢ .
Величины показателя преломления и средней дисперсии рассчитывают по способу аддитивности , предложенному Л. И. Дёмкиной /3/ , с точностью до 0, 01 .
ne = 
(2.3)
nF ¢ – n C¢= 
(2.4)
,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 ;
|
|
|
D 1 , D 2 ,........, D m - средние дисперсии ( nF ¢ – n C¢ ) для отдельных окислов , входящих в стекло .
Таблица.2.3
Значения расчётных коэффициентов n , D, S / 3 /
| Окислы | ne | D×105 | S | Окислы | ne | D×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 |
2.2. Метод измерения показателя преломления иммерсионных жидкостей и оптических материалов .
Рефрактометрический метод измерения используется для нормирования и испытания стёкол четвёртой и пятой категории по показателю преломления и средней дисперсии в видимой области спектра ( 4 ).
Метод основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении луча света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем . Для определения показателя преломления измеряют предельный угол i выхода светового луча S из оптической системы ( рис. 2.1 ). Для определения дисперсии применяют сменные источники монохроматического света и измеряют предельный угол, соответствующий каждой центральной линии. Существуют рефрактометры типа Пульфриха (ИРФ – 23 ) и типа Аббе (ИРФ – 22 ).
2.2.1. Измерение показателя преломления иммерсионных жидкостей
Иммерсионная жидкость - это однородная и прозрачная жидкость, имеющая определённый показатель преломления . Применяется в оптических измерениях для исключения влияния микронеровностей поверхностей измеряемого образца и эталонной призмы , заполняя воздушный промежуток между ними.
Таблица 2.4
Выбор иммерсионных жидкостей
| Показатель преломления | Иммерсионная жидкость |
| от 1,36 до 1,46 | Смесь бензина с керосином или смесь очищенного глицерина с водой |
| от 1,46 до 1,65 | Альфа - монобромнафталин и его смеси с керосином или йодистым метиленом |
| от 1,65 и более | Йодистый метилен и раствор серы в йодистом метилене |
Для определения показателя преломления исследуемой жидкости на рефрактометре ею заполняют зазор между измерительной и осветительной призмами ( рис 2.2 ) . Предельному углу полного внутреннего отражения в поле зрения трубы рефрактометра будет соответствовать пограничная линия , расположенная между светлой и тёмной частями поля зрения .
2.2.2. Измерение показателя преломления стекла
Испытуемый образец в виде плоскопараллельной пластинки с взаимно перпендикулярными рабочими гранями притирается к полированной рабочей поверхности измерительной призмы через слой иммерсионной жидкости . Показатели преломления материала образца , иммерсионной жидкости и эталонной призмы должны соотноситься:
n0 < nu < nэ ( 2.5 ) .
Образец стекла располагают по отношению к источнику света так, чтобы свет проникал в отполированную малую (торцовую) грань образца. Направляют скользящий пучок света и находят границу света и тени. Для устранения окрашенности , наблюдаемой при измерении показателя преломления в белом свете пользуются компенсатором .
Схема иллюстрирующая принцип измерения на рефрактометре Пульфриха 
Рис.2.1
Схема иллюстрирующая принцип измерения на рефрактометре Аббе 
Рис.2.2
3. Порядок выполнения работы
1. Изучить данные методические указания (раздел 1,2 ).
2. Изучить устройство рефрактометра и ГОСТ 23136-93.
3. Для выданных преподавателем исследуемых стёкол , пользуясь ГОСТ 23136-93, заполнить графу 4 табл. 3.1.
3.1 Измерение показателя преломления иммерсионных жидкостей .
1. Открыть верхнюю часть измерительной головки и протереть cпиртом соприкасающиеся плоскости призм . На поверхность измерительной призмы стеклянной палочкой нанести несколько капель исследуемой жидкости и осторожно закрыть головку. Через окно измерительной головки убедиться , что исследуемая жидкость полностью заполнила зазор между измерительной и осветительной призмами .
2. Включить осветитель и установить его напротив окна осветительной призмы . Для рефрактометра Пульфриха световой луч от источника направляется параллельно, плоскости рабочей грани измерительной призмы . Для рефрактометра Аббе ( ИРФ-22) осветительным зеркалом добиваются равномерного освещения поля зрения .
3. Наблюдая в окуляр и вращая маховичок 3 (смотри плакат), найти границу раздела света и тени. Вращением маховичка 12 устранить её окрашенность. Затем маховичком 3 точно совместить границу раздела с перекрестием сетки и снять отсчёт по шкале показателя преломления . Для каждой жидкости произвести по три замера и найти среднюю величину . Полученную среднюю величину занести в графу 5 табл 3.1. Сравнить полученные результаты с номинальным значением показателя преломления.
4. Объяснить возможные расхождения измеренных значений показателя преломления с номинальным .
5. Произвести выбор иммерсионной жидкости для исследуемых образцов стекла. показатель преломления измерительной призмы прибора ИРФ-22 ne =1,74, измерительной призмы рефрактометра Пульфриха ne = 1,54.
3.2 Измерения показателя преломления оптических стёкол
1.Перед работой откинуть верхнюю часть измерительной головки. соприкасающиеся поверхности образца и призмы протереть спиртом . На полированную поверхность образца стеклянной палочкой нанести несколько капель иммерсионной жидкости . Притереть к рабочей поверхности измерительной призмы так , чтобы его вторая грань , была расположена напротив осветителя .
2. Произвести измерения показателя преломления стеклянных образцов согласно пп . 2, 3 раздела 3.1. Определить
показатель преломления, как среднюю величину по результатам трёх замеров. Результаты занести в графу 5 табл 3.1.
3. Для двух марок стёкол , указанных преподавателем произвести расчёт показателя преломления по формуле ( 2.3 ) на ПК. Результаты расчёта занести в графу 3 табл 3.1.
4. Сравнить расчётные значения показателя преломления с номинальными и оценить точность расчёта .
5. Сравнить экспериментальные значения показателей преломления с расчётными и оценить соответствие данной марки стекла химическому составу Объяснить возможные расхождения значений показателя преломления .
6. Построить графики изменения показателя преломления оптических стёкол ( по результатам измерений ) от изменения процентного содержания различных стеклообразующих окислов по указанию преподавателя .Значения процентного содержания окислов в марках стёкол образцов (смотри плакат).
7. Объяснить влияние различных окислов на оптические характеристики оптического стекла .
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
1. Основные положения ,схемы измерения , рабочие формулы.
2.Таблица с экспериментальными и расчётными данными показателя преломления , графики .
3. Выводы.
Таблица 3.1
Определение показателя преломления иммерсионных жидкостей и оптических стёкол
|
| Оптические материалы и жидкости | Показатель преломления |
Отклонение neгост - neи | ||
| Расчетный neр | ГОСТ ne гост | Измеренный neи | |||
| Иммерсионные жидкости | |||||
| 1 | Керосин | ||||
| 2 | Глицерин | ||||
| 3 | Смесь альфа – моно - бром нафталина и керосина | ||||
| Оптические стекла | |||||
| 4 | Стекло – К8 | ||||
| 5 | Стекло – ТК2 | ||||
| 6 | Стекло – ЛК7 | ||||
| 7 | Стекло – ТФ3 | ||||
| 8 | Стекло – Ф3 | ||||
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ .
1. Что такое показатель преломления оптического материала, чем он определяется и как влияет на работу оптической детали и прибора в целом ?
2. Как нормируется показатель преломления оптических стёкол ?
3. Что такое категория и класс оптического стекла по показателю преломления и что они определяют ?
4. На что влияют возможные отклонения значений показателей преломления и что они определяют ?
5. Чем вызываются отклонения показателя преломления оптического стекла от номинального ?
6. Какие методы измерения показателя преломления оптических материалов вы знаете ?
7. В чём сущность рефрактометрического метода измерений показателя преломления и какова его область применения в соответствии с ГОСТ ?
8. Как проводятся измерения показателя преломления жидкостей и твёрдых материалов на рефрактометре данного типа ?
9. Для чего используются иммерсионные жидкости и как они
выбираются для конкретных марок стёкол ?
10. Чем ограничены измерительные возможности рефрактометра данного типа ?
11. Может ли данный рефрактометр быть использован для определения средних и частных дисперсий оптического стекла и как это осуществить ?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочник технолога – оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др. , Под ред. М.А. Окатова. – СПб. Политехника, 2004г. , 679с.
2. Технология оптических деталей : Учебник для оптических специальностей технических вузов . Под редакцией M.H. Семибратова.- M. : Машиностроение , 1978. – 415 с.
3. Павлушкин , Г.Г. Сентюрин , P. Я. Ходаловская . Практикум по технологии стекла и ситаллов . М.: Издательство литературы по строительству , 1970.-512c.
4. Стекло оптическое. Метод измерения показателя преломления и дисперсии на рефрактометре . ГОСТ 3516 – 94 . – M . : Государственный комитет стандартов Совета министров СССР , 1974 . – 9c .
5. Наборы образцов сравнения для рефрактометрии . / C. A . Градусова , В. C . Холадугина , Л.C. Миронова // ОМП. – 1991. - № 12 – с.44 – 46 .
Исследование оптической однородности оптических материалов
Цель лабораторной работы – изучение влияния неоднородности оптического стекла на качество изображения оптической системы, а также ознакомление с методикой и средствами измерений, применяемыми в оптической промышленности для нормирования заготовок стекла по категориям оптической однородности.
В процессе выполнения лабораторной работы студентами решаются следующие задачи:
Углубление и закрепление полученных в лекционном курсе представлений об оптической однородности как об одном из показателей качества заготовок оптического стекла, а также о причинах возникновения оптической неоднородности стекла при его варке и влияние этого показателя на качество изображения оптической системы;
Практическое ознакомление с установкой для нормирования оптического стекла по категориям его однородности в соответствии с ГОСТ 3518 - 80 и со стандартной методикой измерений на этой установке;
Получение практических навыков измерений и нормирования заготовок стекла по категориям оптической однородности.
Основные положения
1.1. Оптическая однородность стекла. Причины возникновения
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 457; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!