Нормируемые и справочные характеристики качества оптического стекла

Впервые полученный однородный материал с точно измеренными значениями оптических характеристик еще не может считаться полноценным оптическим материалом. Для обеспечения перспектив его практического применения необходимо стандартизовать значения его оптических и технологических характеристик и соответственно оценить допускаемые пределы их разброса от синтеза (варки или плавки) к синтезу.

Все характеристики оптических материалов делятся с точки зрения стандартизации на нормируемые и справочные. Нормируемые характеристики – это те, которые контролируются непосредственно на производстве для каждой партии материала. Ввиду принципиальных различий технологии синтеза и сфер применения оптических кристаллов разных типов виды нормируемых характеристик и системы их контроля могут существенно варьировать от кристалла к кристаллу. Наиболее унифицированная и подробная система контроля нормируемых характеристик развита для оптических стекол, которая и будет кратко рассмотрена ниже.

Нормируемыми характеристиками оптических стекол принято считать следующие:

· отклонение главного показателя преломления конкретной варки стекла от его номинального значения;

· отклонение средней дисперсии (или коэффициента дисперсии) конкретной варки стекла от номинального значения;

· однородность партии заготовок стекла по показателю преломления;

· однородность партии заготовок стекла по средней дисперсии (или коэффициенту дисперсии);

· оптическая однородность;

· бессвильность;

· двойное лучепреломление;

· пузырность;

· интегральный коэффициент ослабления (только в России).

Для каждой нормируемой характеристики устанавливается свой набор классов и/или категорий качества. Численные значения характеристик, соответствующих определенным классам/категориям качества, периодически изменяются в направлении ужесточения требований, поэтому детальное рассмотрение всех численных значений характеристик, принятых на данный момент, нецелесообразно. Зато необходимо знать, что способы контроля конкретных нормируемых характеристик и соответствующие классы/категории качества оптических стекол в России и ведущих странах-производителях (Германии и Японии) во многом различаются (следствие технологической изоляции России в период советского строя). В некоторых случаях это требует специальных комментариев (см. ниже).

Необходимость контроля отклонений главного показателя преломления и средней дисперсии или коэффициента дисперсии от их номинальных значений, закрепленных в соответствующей нормативной и технической документации, обусловлена тем, что малые вариации (а) влагосодержания и гранулометрического состава исходных компонентов и (б) температур варки и отжига и длительности этих процессов, не выходящие за технологически обусловленные пределы, а также вариации атмосферной влажности обусловливают некоторые вариации составов сваренных стекол, влияющие на значения их оптических характеристик. Для контроля этих характеристик производятся измерения значений показателя преломления каждой варки конкретного стекла при вышеупомянутых опорных длинах волн l ₁, l ₂ и l ₃ на образцах в виде призм с использованием гониометров различных марок. Допускаемые отклонения главного показателя преломления и средней дисперсии или коэффициента дисперсии, соответствующие определенному классу/категории качества, различаются в зависимости от прикладной задачи, решаемой с применением стекол данной категории качества, и общего уровня требований к качеству, установленных фирмой или страной-производителем. Российским каталогом 1990 года (позднейшим из имеющихся) были установлены пять категорий качества, соответствующих значениям отклонений от ± 2´10^-4 до ± 20´10^-4 для главного показателя преломления и от ± 2´10^-5 до ± 20´10^-5 для средней дисперсии. В современном каталоге фирмы Шотт даются три категории качества для отклонений главного показателя преломления (от ± 2´10^-4 до ± 5´10^-4 для стекол с показателем преломления до 1.83 и вдвое больше для стекол с показателем преломления свыше 1.83) и четыре категории качества для отклонений коэффициента дисперсии, выражаемых в процентах от самой величины (от ± 0.2% до ± 0.8%).

Две последующих характеристики - однородность партии заготовок стекла по показателю преломления и однородность партии заготовок стекла по средней дисперсии (или коэффициенту дисперсии) - требуют

пояснения. Дело в том, что для крупных партий заготовок, используемых в массовом призводстве каких-либо оптических систем, количество стекла одной варки просто недостаточно. Поэтому производителям приходится составлять такие партии из стекла нескольких варок, подбирая эти варки возможно ближе по их оптическим характеристикам. Некоторые неизбежные различия этих варок по отклонениям показателя преломления и средней дисперсии от номинальных значений вносят дополнительный разброс, который и контролируется с помощью такого понятия, как «однородность партии заготовок».

Оптическая однородность (неоднородность показателя преломления) до сих пор оценивается и нормируется зарубежными фирмами и российскими производителями существенно различным образом. Международный стандарт ISO10110 предусматривает прямой экспериментальный контроль неоднородности показателя преломления и устанавливает шесть классов неоднородности показателя преломления, перечисленных в табл. 4.

Таблица 4.

 

Класс	Допустимая разность значений показателя преломления, Δn ´10^6
	± 50
	± 20
	± 5
	± 2
	± 1
	± 0.5

 

Прямой контроль неоднородности показателя преломления осуществляется с помощью интерферометров различных конструкций, в которых плоский волновой фронт проходит через образец один раз (интерферометры типа Маха-Цендера) или два раза (интерферометры типов Zaiga, Майкельсона). Неоднородность показателя преломления Δn выражается величиной деформации плоского волнового фронта (волновой аберрацией) N, пересчитываемой в разность значений показателя преломления Δn при однократном прохождении световой волны через образец по уравнению (7.6.1) и при двукратном - по уравнению (7.6.2):

Δn = N ₁ λ/d. (7.6.1)

Δn = N ₂ λ/2d. (7.6.2),

Здесь N ₁ = N ₂ /2, λ – длина волны и d – толщина образца.

Поверхности поверяемых заготовок оптического материала обрабатываются в соответствии с требованиями, зафиксированными в методиках измерений на конкретных интерферометрах. Как правило, поверхности полируются и должны удовлетворять высоким требованиям как по плоскостности, так и по местным ошибкам.

Таким образом, прямой контроль неоднородности показателя преломления представляет собой сложный, длительный и трудоемкий процесс. В связи с этим в России он до настоящего времени в производственных условиях не применялся; вместо него использовалась система косвенных оценок.

Известно, что в целом неоднородность показателя преломления создается волновыми аберрациями, обусловленными (а) так называемой структурной неоднородностью показателя преломления (то есть вариациями собственной структуры стекла по объему), (б) неоднородностью показателя преломления из-за остаточных термоупругих напряжений, не устраненных при отжиге и (в) неоднородностью показателя преломления из-за свилей - прозрачных дефектов с несколько отличающимся (не более чем на ± 3.10^-3) показателем преломления, появление которых обусловлено взаимодействием расплава стекла со стенками варочного сосуда и избирательным улетучиванием отдельных компонентов. Российскими исследователями и производителями оптических стекол было показано, что отсутствие структурной неоднородности показателя преломления всех стекол, кроме кварцевого стекла (и, как выяснилось позднее, титансодержащих флинтов), может обеспечиваться соблюдением технологического регламента их отжига. Поэтому гарантией автоматического соблюдения однородности показателя преломления считалось обеспечение качества стекла по двум следующим нормируемым характеристикам – бессвильности и двойному лучепреломлению.

Бессвильность (нормируемая характеристика качества стекла по свилям, принятая в России) подразумевает отсутствие свилей грубее первой и/или второй категорий, установленных стандартом (ГОСТ 3521- 81(89)). За рубежом свильность стекла также нормируется, но иначе: согласно международный стандарт ISO10110 устанавливает пять классов свильности в зависимости от суммарной эффективной площади свилей в оптической детали. И российские производители оптических стекол, и фирма Шотт осуществляют контроль свилей диффракционно-теневым методом на установке с малой точечной диафрагмой. В США принята несколько иная методика, уступающая по точности диффракционно-теневому методу.

Из вышеизложенного следует, что для обеспечения конкурентоспособно-

сти на международном рынке российские производители оптических стекол должны будут в ближайшее время осуществить гармонизацию внутренних российских стандартов по неоднородности показателя преломления и бессвильности с международными стандартами ISO (International Standard Organization). Количественные оценки бессвильности и двойного лучепреломления (см. ниже) допускают пересчет в единицы неоднородности показателя преломления и поэтому такая гармонизация возможна. Однако соответствующие гармонизованные российские стандарты существуют пока лишь в виде проектов.

Двойное лучепреломление, измеряемое на поляриметрах в направлениях наименьшего и наибольшего размера заготовки и выражаемое в единицах удельной разности хода лучей (нм/см), характеризует деформацию волнового фронта за счет остаточных термоупругих напряжений. Российским каталогом 1990 года были установлены пять категорий качества по двойному лучепреломлению, соответствующих значениям удельной разности хода от 2 до 50 нм/см для стекол со значениями оптического коэффициента напряжений (коэффициента Брюстера) от 2.0´10^-12 до 2.8´10^-12 Па^-1. Значение самой деформации волнового фронта может быть вычислено из данных измерений удельной разности хода лучей с использованием фотоупругих постоянных материала и его оптического коэффициента напряжений.

Пузырность характеризует качество стекла по наличию не только самих пузырей, но и непрозрачных включений («камней»), которые учитываются точно так же, как и пузыри. Имеются различия между способами контроля пузырности по российскому и международному стандартам. В российском каталоге 1990 года качество стекла по пузырности характеризовалось шестью классами (в зависимости от числа пузырей размером свыше 0.03 мм в 1 кг стекла) и девятью категориями (в зависимости от максимального допускаемого диаметра пузыря). Международный стандарт ISO10110 устанавливает категории качества стекла по пузырности в зависимости от суммарной эффективной площади пузырей и включений (в мм²), присутствующих в 100 см³ стекла. Эти различия могут быть достаточно легко гармонизованы.

В российской нормативной и технической документации по стеклу интегральный коэффициент ослабления в видимом диапазоне рассчитывается по значениям спектрального (описанного выше в параграфе 2.3) коэффициента ослабления и кривой чувствительности человеческого глаза для так называемого источника А[20].

В современном каталоге оптических стекол фирмы Шотт, отличающихся очень низкими потерями света, характеристики этих потерь (коэффициент внутреннего пропускания при 400 нм и так называемый цветной код) являются справочными, а не нормируемыми (см. ниже). По специальному запросу могут поставляться стекла с уменьшенными значениями коэффициента внутреннего пропускания.

Справочные характеристики оптических материалов – это те, которые измеряются только однажды для некоторой серии варок или плавок и не контролируются на производстве для каждой партии материала. Их значения, усредненные по серии измерений, приводятся в справочной документации (каталогах). Считается, что относительная стабильность справочных характеристик гарантируется постоянством состава материала. К числу справочных относятся все представляющие практический интерес свойства оптических материалов за исключением тех, которые вошли в число нормируемых. Из числа оптических свойств к справочным относятся:

· точные значения показателя преломления при многочисленных длинах волн УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов;

· значения коэффициентов дисперсионной формулы, описывающей всю совокупность точных значений показателя преломления;

· значения средней дисперсии и коэффициента дисперсии при иных вариантах выбора опорных точек l ₁, l ₂ и l ₃, чем принятый в конкретном каталоге;

· значения частных дисперсий и относительных частных дисперсий для самых различных областей длин волн УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов;

· значения отклонений D nl ₁и D Pl ₄ l ₅от нормальных прямых для ряда областей длин волн;

· значения коэффициента внутреннего пропускания для многочисленных длин волн УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов.

 

Литература

[1] Гарбуни М. Физика оптических явлений, М.: Машиностроение, 1967. – 517 с.

[2] Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970. – 855 с.

[3] Мосс Т.С. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1965. – 317 с.

[4] Ландсберг Г.С. Оптика. Л.: Наука, 1982. – 615 с.

[5] Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.Р., Кайпер Р., Миронов А.Г., Эндерлин Р., Эссер Б. Электронная теория неупорядоченных полупроводников, М.: Наука, 1981. – 377 с.

[6] Филлипс Дж. Оптические спектры твердых тел. М.: Наука, 1970. – 287 с.

[7] Накамото К. Инфракрасная спектроскопия. М.: Наука, 1970. – 287 с.

[8] Efimov A.M. Optical Constants of Inorganic Glasses. Boca Raton, N. Y., etc.: CRC Press, 1995. – 202 с. (chaps. 1-3, 5).

[9] Mott N.F., Davis E.A. Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. Oxford: Clarendon Press, 1979. – 604 p.

[10] Соболев В.В. Экситонные спектры MgO. // Неорганические Материалы. – 2004. – Т. 40. – № 11. – С. 1333-1336.

[11] Силинь А.Р., Трухин А.Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO₂. Рига: Зинатне, 1985. – 198 с.

[12] Laughlin R. B. Optical absorption edge of quartz. // Phys. Rev. B. – 1980. – V. 22. P. 3021-3027.

[13] S. Califano. Vibrational States. London: Wiley, 1976. – 496 p.

[14] Painter P.C., Coleman M.M., Koenig J.L. The Theory of Vibrational Spectroscopy and Its Applications to Polymeric Materials. N.Y.: John Wiley, 1982. – 495 p. (chap. 15).

[15] Efimov A.M., Pogareva V.G. IR absorption spectra of vitreous silica and silicate glasses: the nature of bands in the 1300 to 5000 cm^-1 region. // Chem. Geology. – 2006. – V. 229. – P. 198-217.

[16] Efimov A.M. Quantitative IR spectroscopy: applications to studying glass structure and properties, J. Non-Crystalline Solids. – 1996. – V. 203. – P. 1-11.

[17] Nozieres P., Pines D. // Phys. Rev. – 1958. V. 109. – P. 762-781.

[18] Бацанов С.С. Структурная рефрактометрия. М.: Высшая школа, 1976. - 304 с. (главы I, II).

[19] Spitzer W.G., Kleinman D.A. Infrared lattice bands of quartz// Phys. Rev. // 1961. – V. 121. – N 5. – P. 1324–1335.

[20] Закис Ю.Р. Дефекты в стеклообразном состоянии вещества. Рига: Зинатне, 1984. – 202 с.

[21] Glass’89. Survey Papers XVth Internat. Congress on Glass. Leningrad: Nauka, 1988. – 560 p.

[22] Stoneham A.M. Shapes of inhomogeneously broadened resonance lines in solids// Rev. Mod. Phys. – 1969. – V 41. – N 1. – P. 82–108.

[23] Ефимов А.М., Макарова Е.Г. Дисперсионное уравнение для комплексной диэлектрической проницаемости стеклообразных веществ и дисперсионный анализ их спектров отражения //Физ. хим. стекла. – 1985. – Т. 11, № 4. – С. 385-401.

[24] Золотарев В.M., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и промышленных сред. Л.: Химия, 1984. – 168 с.

[25] Бесцветное оптическое стекло. Каталог. ГОИ, Дом Оптики, Москва, 1990.

[26] http://www.schott.com/optics_devices/english/download/optical_glass_catalog_2005ru.pdf

[27] http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F

[28] Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир, 1986. – 375 с.

[29] Ефимов А.М. О природе взаимосвязи между относительной частной дисперсией и коэффициентом дисперсии. Нормальная прямая и особые стекла. // Опт. и спектр. – 1989. – Т. 67. – № 5. – С. 1127-1133.

 

Андрей Маркович Ефимов