Оптические свойства стекла. Оптические стекла

Для нас слово "стекло" воспринимается не как что-то застывшее или спекшееся. Для нас оно стало синонимом слова "свет". То есть, даже на уровне подсознания мы оцениваем его оптические свойства. К этим свойствам относятся: отражение света и его преломление, светопрозрачность и светопоглощение, а также рассеивание и разложение.

Понятие об оптических свойствах стёкол

Через окно мы всё видим на улице, и это свойство пропускать световые лучи называется светопрозрачностью стекла. Но, выйдя из комнаты на улицу, мы замечаем, там и краски ярче, и оттенки другие. Выходит, часть света не доходит и по дороге теряется. Куда?

А почему мы забыли о солнечных "зайчиках", о пылающих на закате окнах? Часть света отражается, не попадая внутрь стекла. Это обычное явление, когда оптические лучи отражаются на границе двух сред (в нашем случае воздуха и стекла). При строго перпендикулярном падении часть лучей возвращается обратно, при падении под углом ― школьное "угол падения равен углу отражения".

Попав внутрь стекла, световой луч преломляется (вспомните, как визуально изменяется в воде направление погруженного туда куска палки). Правда, толщина оконного стекла невелика, поэтому преломления мы практически не замечаем. Чем выше плотность стекла, тем преломление больше. То есть, у хрусталя и кварцевого стекла преломление больше, чем у обыкновенного оконного.

Но, если взять весь падающий на стекло свет за 100%, то, суммируя отражённый и преломлённый свет, окажется, что получится всего где-то около 88-91%, а никак не сотня. Куда же делась весомая часть падающих лучей? А они поглотились стеклом. В стекле всегда есть примеси, каждая из которых имеет свой цвет. Они избирательно поглощают лучи с определённой длиной волны, а это и есть потери.

Вы обращали внимание, что абажуры и матовые лампы делают свет более мягким? Дело в том, световой луч распространяется прямолинейно. Поэтому интенсивное освещение будет жёстко действовать на наш глаз. Если же рассеять эти лучи в разных направлениях, то освещение будет по интенсивности тем же, зато мягким.

Разложение света оконным стеклом не происходит, для этого нужна призма. Если же мы видим радужные цвета на стекле, то оно не однородное, значит, бракованное. Спектр в нормальном стекле мы можем наблюдать только на его гранях.

Оптическое стекло

К такому виду относятся выполненные из специальных составов стёкла, применяемые в оптических приборах. Понятно, что от обычного оконного стекла оно должно отличаться на порядок прозрачностью, чистотой, однородностью и бесцветностью. Для них должны быть обязательно выдержаны установленные требованием коэффициенты преломления и дисперсии (разложения). Это главные обязательные характеристики для каждого конкретного оптического стекла, их исполнение усложняет производство.

Основные составляющие вещества оптических стёкол: кремнезём, борная кислота, сода, соли бария и фтористые соли, борная кислота и окись свинца. Состав определяет их свойства и делит на два типа: кроны и флинты. Кроны относятся к натриево-силикатным стёклам и характеризуются низким коэффициентом преломления и высокой дисперсией. Стёкла, содержащие свинец, называются флинтами. Они отличаются большим коэффициентом преломления и малым коэффициентом дисперсии.

Уже существуют и новые типы оптического стекла, не силикатного. У них фторидная, фосфатная или боратная основа. Преимущество таких стёкол в том, что у них менее заметна обратная связь между преломлением и дисперсией, то есть можно сообщить такие свойства, как малое преломление при малой дисперсии.

Еще о стеклах и изделиях из стекла:

-

-

-

И другие оксиды. Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.Специальные оптические стёкла изготавливается на основе группы неорганических, оксидных нанопорошковых прозрачных керамических материалов, органических, минералоорганических стекол и др. материалов. Отдельные сорта характеризуются избирательной прозрачностью к разным лучам видимого и невидимого участков спектра света, особой прозрачностью и другими специальными свойствами (например, разной твёрдостью, упругостью, биологической совместимосью). Особые требования предъявляют к стеклам для изготовления контактных линз, кремниевых оптических стекол, апохроматов, линз для ИК-лучей, рентгеновского излучения и т.д.

Создание специальной отрасли - производства оптического стекла

Для обработки оптического стекла используют специальное оборудование и технологии. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения, расширения области применения оптических устройств, возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по свойствам и составу. Оптическое стекло в отличие от обыкновенного должно обладать особенно высокой прозрачностью, чистотой, однородностью, заданным коэффициентом преломления, в нужных случаях - избирательной прозрачностью к определённым спектрам длин волн (например, в приборх ночного видения - прозрачность к ИК-излучению, в фильтрах, покрытия в апохроматах и т.д.). Выполнение этих требований значительно изменяет его химический состав, применяет совершенную технологию изготовления и обработку оптических стекол, позволяющую их изготовление. Состав оптического стекла на базе оптических неорганических материалов как оксид кремния (SiO 2), сода, борная кислота, соли бария,оксид свинца, фториды, оксид германия, оптических органических материалов - материалы полиметилметакрилата (ПММА), минералоорганических оптических стекол позволяет улучшать оптические возможности оптических систем с дополнительными новыми свойствами.

Виды оптического стекла

Оптические стёкла делятся на:

Стёкла из неорганических материалов (Неорганическое стекло);

Стёкла из органических материалов (Органическое стекло);

Стёкла из минералоорганических материалов.(Минералоорганическое стекло)

Оптические стёкла из неорганических материалов

Стёкла из кварца

Линзы, получаемыые из оптического кварцевого стекла, обладают рядом дополнительных оптических свойств, необходимых для специальных, прецизионных оптических систем, по сравнению с основной группой линз из природного кварцевого стекла, применяемых в зоне видимого спектра света и отличаются:

Наименьшим среди стёкол на основе SiO 2 показателем преломления (n D = 1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей.

Высокой термической стойкость, коэффициент линейного термического расширения менее 1·10 -6 К -1 (в диапазоне температур от 20 до 1400°С).

Температурой размягчения кварцевого стекла - 1400°C.

Как хороший диэлектрик - удельная электрическая проводимость при 20 °С - 10 −14 - 10 −16 Ом -1 ·м -1 , тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °C и частоте 10 6 Гц - 0,0025-0,0006.

Стёкла из кремния

В настоящее время в производстве изготовления различных стекол используются современные технологии получения и обработки. Применение новых абразивных в том чисое алмазных инструментов, специальных паст при шлифовании, суперфинише и полировки дало возможность наладить производство твёрдых и сверхтвёрдых оптических стекол, сочетающих сверхвысокую изотропию, низкую дисперсию с самым высоким значением коэффициента преломления (например, стёкла, линзы, зеркала из кремния, в диапазоне длин волн 1-7 мкм имеют показатель преломления n D = 3,49!, созданы параболические линзы из кремния, преломляющие и фокусирующие Х-лучи - Оптические элементы из кремния).

Оптические стёкла из кремния имеют :

сверхвысокую изотропию;

низкую дисперсию;

самый большой с абсолютным значением коэффициент преломления n D =3,49 !;

прозрачные в ИК области 2 мм - 760 нм шкалы электромагнитных волн;

стойкость работы в зоне Х-излучения;

возможность сохранять свои свойства и характеристики в течение длительного времени при возможном воздействии внешних факторов (механических, климатических, лучевых, химических, бактериологических и т.п.);

высокую плотность = 2,33 г/см3.

биологическую совместимость для медицинского применения (биостекло).

Стёкла из германия

Германий в виде диоксида GeO 2 находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.

Свойства оптического стекла из GeO 2

Коэффициент преломления n=1.7;

Дополнительно высокая прозрачность к ИК-лучам света;

Низкая дисперсия;

Высокая твёрдость.

Это делают его полезным как оптический материал для изготовления широкоугольных объективов, применения линз в оптическоммикроскопе.

Составы на основе диоксида кремния и диоксида германия ("кварц-германий") используется как оптический материал для оптоволокони оптических волноводов.

Правильная дозировка примесей диоксида германия с элементами кварца, кремниевыми составляющими и др. при приготовлении шихты при стекловарении позволяет точно контролировать и регулировать величину коэффициента преломления линз. Например, очки из кварца-германия имеют более низкую вязкость и более высокий преломляющий коэффициент, нежели чем очки из чистого кварца.

В оптоволоконном производстве Германий сейчас заменяет титан как примесь кварца для волокна из кварца, устраняя потребность в последующей термообработке, которая делает волокна ломкими.

Ситалловые оптические стекла

Ситалловые оптические стекла получают на основе стекол системы Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют при варке стекла формировать структуру с мелкокристаллической фазой в силу избирательной кристаллизации. Благодаря чему получены оптические материалы ситаллы, наделённые широким диапазоном характеристик стекломатериалов. Они находят применение в микроэлектронике, в оптике, ракетной и космической технике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров), строительстве и т.д.

Прозрачные керамические материалы

Прозрачные керамические линзы - получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачные керамических материалов на основе нанопорошков, формируемых с кубической симметрией расположения атомов и межкристаллитными границами в процессе высокотемпературного прессования с плотностью, близкой к монокристаллам данных соединений и обладающие минимальным рассеянием прходящих световых лучей, высокой прозрачностью в зоне коротких и других длин электромагнитных волн, твёрдостью,дисперстностью, с коэффициентом преломления n = 2,08.(CASIO EXILIM EX-S100 и CASIO EXILIM EX-S500) .

Оптические натриево-силикатные стекла

Оптические натриево-силикатные стекла носят общее название кро́нов . Стекло, изготовленное с добавлением фосфорного ангидрида, называется фосфорным кроном, борного ангидрида - боро-силикатным кроном и т. д. Оптическое стекло, в состав которого входитсвинец, называется фли́нтом ; при его содержании до 50 % - лёгким, а свыше 50 % - тяжёлым флинтом. Флинт имеет больший показатель преломления, чем крон.

Эти два типа стекол наиболее ходовые при изготовлении оптических устройств, например, объективов для уменьшения хроматические аберрации, работающих в диапазоне длин волн вилимого спектра света. Положительные линзы (которые в центре толще, чем по краям) изготавливаются из крона, отрицательные - из флинта. При разработке оптического прибора для каждой линзы подбирается определённый сорт оптического стекла по каталогу предприятия-изготовителя. На рисунке приведена Диаграмма Аббе для наиболее распространённых видов стекол, в координатах зависимость показателя преломления (nD) от коэф. дисперсии света (vD). См. такжедиаграмма Аббе nd (Vd) - Schott 2000 от ЛОМО.

Таблица основных характеристик оптических стекол

Производство неорганического оптического стекла

Для получения цветного стекла в состав белого стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. Вследствие неравномерности остывания массы в ней образуются натяжения, которые вызывают растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, и из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание натяжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергаются исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут натяжения, которые приведут к появлению анизотропии. (Анизотропи́я (от греч. ánisos - неравный и tróроs - направление) - неодинаковость физических (физико-химических) свойств среды (например, электропроводности, теплопроводности и др.) по различным направлениям внутри этой среды. Причиной анизотропности является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям). Также может образоваться вторичная мошка .

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптичеких приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Обработка оптического неорганического стекла

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из нее цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отполировано, его форму контролируют и затем заготовку полируют. Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Дефекты оптического неорганического стекла

К оптическому стеклу предъявляют повышенные требования по однородности и изотропности. Пороки стекла(Пороки стекла - техническое название дефектов стекла, нарушающих его однородность и изотропность. Особое внимание устранению пороков стекла уделяется в производстве оптического стекла; в то время как в производстве гутного и вообще художественного стекла пузырьки, включения и др. неоднородности могут служить для создания специальных оптических эффектов) возникают в реальных условиях производства (варки) стёкол, вследствие ограниченного времени на установление равновесия в стекломассе, слишком быстрого охлаждения и т.д.

Стекло, предназначенное для ответственных оптических элементов, требует чистых сырьевых компонентов, специальных приёмов варки и охлаждения. Так, стекло для заготовок крупнейших зеркал оптических телескопов охлаждают многие месяцы, для снятия внутренних напряжений.

Оптические стёкла из органических материалов

Оптическое органическое стекло (оргстекло) - твёрдый, хрупкий, чисто аморфный материал, отличающийся формированием при определённых условиях в процессе переохлаждения расплавленного материала полиметилметакрилата (ПММА) (синтетического полимераметилметакрилата). Оптическое оргстекло (ПММА) часто используется как альтернатива силикатному оптическому стеклу т.к. оно:

Устойчиво к внешним воздействиям (влага, холод и т. д.);

Более мягкое, чем обычное стекло и чувствителено к царапинам (этот недостаток исправляется нанесением стойких к царапинам покрытий);

Лёгкая механическая обрабатываемость обычным металлорежущим инструментом;

Легко режется лазером и удобно для гравировки;

Хорошая прозрачность и пропускает ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, отражая при этом инфракрасные лучи; светопропускание оргстекла несколько меньшее (92-93 % против 99 % у лучших сортов силикатного стекла);

Низкая устойчивость к действию спиртов, ацетона и бензола;

Оргстекло это оптический материал;

Безосколочный материал (безопасен и применяется во всех видах транспорта (особенно в самолётостроении);

Легко формуемый при нагревании;

Водостойкий материал;

Нейтрален к лучам света, метео-условиям, действию авиационного бензина и маселам.

Оргстекло бывает дух типов - литьевое и экструзионное.

Оптические стёкла из минералоорганических материалов

Контактные линзы изготавливаются в настоящее время из элластичных материалов, самостоятельно сохраняющих необходимую кривизну.

Так называемые мягкие линзы состоят из специальных силикон-гидрогелевых органических материалов, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно.

Материал линзы, как правило, делается прозрачным или слегка окрашенным (для того, чтобы упавшую линзу, практически невидимую в воздушной, и особенно в водной среде, легче было найти). Однако есть разновидности линз, у которых центр окрашен в различные цвета или сочетания цветов. Это позволяет менять цвет глаз или делать его совершенно необычного цвета, не встречающегося в природе (и даже наносить рисунок). Контактные линзы с рисунком, как правило, не имеют оптической силы и используются в развлекательных целях.

На линзы может наноситься маркировка, обозначающая лицевую сторону, и, иногда - её оптические свойства.

Оптическое стекло имеет абсолютно однородный состав и определенные оптические константы. Предназначено для изготовления разнообразных оптических деталей. Именно тем, что оптическое стекло однородно и имеет одинаковые физические свойства в любом направлении, оно отличается от технического. Каждый сорт оптического стекла имеет свои константы, то есть показатели преломления для каждой волны в пределах того или иного спектрального участка.

В зависимости от того, для какой детали предназначается оптическое стекло (линза), эти константы максимально тщательно выдерживаются, все технические параметры производства соблюдаются с малейшей точностью, в противном случае качество детали будет предельно низким или вовсе не соответствовать назначению.

Характеристики и показатели

Из основных характеристик оптического стекла стоит отметить:

• . показатель преломления;
• . дисперсия

Показатели преломления оптических стекол можно посмотреть в специальных каталогах, если говорить о кратком обозначении показателя преломления, то чаще всего указывают показатель преломления n D. коэффициент дисперсии ν: ν = n D -1/(n F -n C). Исходя из этой формулы, стоит обозначить то, что чем ниже показатель ν, тем дисперсия выше. И соответственно, чем ν выше, тем дисперсия ниже. По дисперсии различают и сорта стекол. При ν более 50, тип оптического стекла именуется кронами, менее 50 — флинтами.

Кроме всего прочего все показатели таких стекол можно ужесточить. То есть, не существует стекла с показателем преломления больше 1,93 и меньше 1,45. Коэффициент дисперсии не может быть более 71 и менее 19. В случае если требуются константы, которые не укладываются в выше обозначенные рамки, применяются особые кристаллы, например, флюориты.

Просветление

Просветление оптических стекол необходимо, так как светосила разных видов стекол по характеристикам может являться не совсем точной. Основано оно явлении физической оптики — интерференции. При этом наносятся специальные диэлектрические пленки. Просветление положительно влияет на качество стекла, особенно это актуально для оптики, которая используется в фотообъективах и другой подобной технике. Также такая технология оптического стекла способствует хорошей защите от физического и механического воздействия.

Свойства и разновидности

По своим оптическим свойствам стекло обязательно должно обладать высоким уровнем прозрачности, в нем не должно быть каких-либо искусственных внутренних дефектов — пузырьков воздуха, трещин, свилей, камней и прочего. Оптическая плотность стекла (мера его прозрачности) должна быть высокой и соответствовать всем необходимым нормам.

Оптическое стекло может быть цветным и прозрачным. Бесцветное пользуется большей популярностью, его наиболее часто используют для производства разных оптических систем:

• . линз;
• . пластинок;
• . деталей для наблюдательных систем;
• . деталей для измерительных приборов.

Это далеко не весь перечень вещей, в которых может быть использовано оптическое бесцветное стекло. Для изготовления светофильтров используют цветное оптическое стекло. Чаще всего выпускается в виде заготовок и оптических деталей. Цветное стекло может быть

• . желтым;
• . оранжевым;
• . красным;
• . инфракрасным.

Особо стоит отметить оптическоекварцевое стекло. Его основной состав — кремнезем, благодаря этому материалу стекло не деформируется и не растрескивается даже при резких перепадах больших температур. Изготавливают из него сувениры, смотровые стекла, трубы и стержни. Всего различают два вида этого продукта: прозрачное и непрозрачное.

Оборудование и аппаратура из такого вида стекла имеет огромную ценность в атомной энергетике, химической промышленности, авиации, радиоэлектронике. Благодаря своим уникальным свойствам, практичности и прочности предметы, изготовленные из кварцевого стекла, заняли лидирующее место в приборостроении и строительстве космической техники.

Стоит отметить, что на каждый тип оптического стекла имеется свой гост. Для каждого типа установлена определенная категория и класс, для цветного стекла и бесцветного она своя. Поэтому если необходимо приобрести качественный продукт, то обязательно следует обращать внимание и учитывать все эти характеристики и параметры. Если вы заранее определитесь для чего именно вам необходимо стекло и какого качества оно должно быть, выбрать тот или иной тип данного материала будет значительно проще.

Особенности производства

Производство такого стекла процесс непростой. Для его изготовления необходима высокая температура и специальное оборудование. Варят его в специальных емкостях при температуре минимум 1500 градусов Цельсия. Сам процесс занимает не менее суток. После варки емкости извлекаются из печи и подвергаются медленному охлаждению (7-8 дней).

После того как материал остынет, его тщательно сортируют по размерам и отправляют на доработку. Даже после этого процесс не завершается, ведь заготовки потом подвергают нагреванию (до 500 градусов) и опять медленно охлаждают. Затем полученное стекло подвергается тщательному осмотру для выявления возможных дефектов и трещин.

Окончательный этап производства — шлифование и полирование. Последний процесс занимает немалое количество времени, примерно около 3-х суток. Только после этого получается уже готовая поверхность, которая полностью готова к использованию и производству деталей.

Оптическое стекло - это специальным образом изготовленное прозрачное стекло, которое используется в качестве деталей для Оно отличается от обычного чистотой и повышенной прозрачностью, однородностью и бесцветностью. Также в нем строго нормированы дисперсия и преломляющая способность. Соблюдение таких требований повышает сложность и стоимость производства.

История

Можно найти множество примеров бытового применения линз, например, лупа - обыкновенное увеличительное стекло - поможет создать небольшой проектор из обыкновенного смартфона, однако оптические стекла появились не так давно.

Линзы известны с древности, но первую серьезную попытку создать стекло, похожее на то, что применяется в современных приборах, можно отнести к XVII веку. Так, немецкий химик Кункель в одном из своих трудов упоминал о фосфорной и борной кислотах, входящих в компонент стекла. Также он говорил о боросиликатном кроне, который близок к некоторым современным материалам по составу. Это можно назвать первым удачным опытом в производстве стекла, обладающего определенными оптическими свойствами и достаточной степенью физической и химической однородности.

В промышленности

Изготовление оптических стекол в промышленных масштабах началось в начале XIX века. Швейцарец Гиан совместно с Фраунгофером внедрили на одном из заводов в Баварии относительно стабильный способ получения такого стекла. Залогом успеха стал прием перемешивания расплава с помощью круговых движений вертикально погруженного в стекло глиняного стержня. В результате, можно было получать оптическое стекло удовлетворительного качества, диаметром до 250 мм.

Современное производство

В получении цветных оптических стекол используются добавки веществ с содержанием меди, селена, золота, серебра и других металлов. Варка происходит из шихты. Ее загружают в огнеупорные горшки, которые, в свою очередь, помещают в В состав шихты может входить до 40% отходов стекла, важным моментом является соответствие состава стеклобоя и варящегося стекла. Стекломасса во время варки непрерывно перемешивается с помощью лопатки из керамики или платины. Таким образом достигается однородное состояние.

Периодически расплав берется на пробу, по которому контролируется качество. Важным этапом варки является осветление: в стекломассе из веществ-осветлителей, изначально добавленных в состав шихты, начинается выделение существенного количества газов. Образуются крупные пузыри, которые быстро поднимаются, захватывая при этом более мелкие пузыри, неизбежно образующиеся в процессе варки.

В завершение горшки извлекаются из печи, после чего медленно остывают. Охлаждение, замедленное специальными приемами, может длиться до восьми дней. Оно должно быть равномерным, иначе в массе могут образоваться механические напряжения, которые вызывают трещины.

Свойства

Оптическое стекло - это материал для производства линз. Они, в свою очередь, разделяются по виду на собирающие и рассеивающие. К собирающим относится двояковыпуклая и плосковыпуклая линза, а также вогнуто-выпуклая, носящая название "положительный мениск".

Оптическое стекло обладает рядом характеристик:

• определяющимся двумя спектральными линиями, которые называются натриевым дублетом;
• средней дисперсией, под которой понимают разность преломления красной и синий линий спектра;
• коэффициентом дисперсии - числом, задаваемым соотношением средней дисперсии и преломления.

Цветное оптические стекло используется для производства абсорбционных светофильтров. В зависимости от материала различают три основных вида оптических стекол:

• неорганическое;
• оргстекло (органика);
• минерально-органическое.

В состав неорганического стекла входят оксиды и фториды. Кварцевое оптическое стекло тоже относится к неорганическим (химическая формула SiO 2). Кварц обладает небольшим преломлением и высоким показателем светопропускания, ему свойственна термостойкость. Широкий диапазон прозрачности позволяет использовать его в современных телекоммуникациях (оптоволоконные кабели и прочее), также силикатное стекло является незаменимым при изготовлении оптических линз, например, из кварца делают увеличительное стекло.

На основе кремния

Прозрачное может быть как оптическим, так и техническим. Оптическое изготавливают путем плавки горного хрусталя, только так получается полностью однородная структура. В непрозрачных стеклах за цвет отвечают маленькие пузырьки газа внутри материала.

Помимо кварцевого стекла на базе кремния производится и так называемое кремниевое стекло, которое, несмотря на похожую базу, имеет другие оптические свойства. Кремниевые элементы способны преломлять Х-лучи и пропускать инфракрасное излучение.

Органическое стекло

Так называемое оргстекло производится на основе синтетического полимерного материала. Этот прозрачный и твердый материал относится к термопластам и нередко применяется как замена кварцевого стекла. Оргстекло устойчиво ко многим факторам внешней среды, таким как повышенная влажность и низкие температуры, однако оно гораздо мягче, а, следовательно, чувствительнее к механическому воздействию. Ввиду мягкости органическое оптическое стекло просто в обработке - его может "взять" даже самый простой инструмент для резки металла.

Этот материал отлично подходит для лазерной обработки, на него легко нанести узор или гравировку. Как линза он отлично отражает инфракрасные лучи, но пропускает ультрафиолет и рентгеновское излучение.

Применение

Оптические стекла широко применяют для изготовления линз, которые, в свою очередь, используются во многих оптических системах. Одиночная собирающая линза используется как увеличительное стекло. В технике линзы являются важной или основной частью таких систем как бинокли, оптические прицелы, микроскопы, теодолиты, телескопы, а также фотоаппараты и видеотехника.

Не менее важны оптические стекла для нужд офтальмологии, ведь без них сложно или невозможно исправить недостатки зрения (близорукость, астигматизм, дальнозоркость, нарушение аккомодации и прочие заболевания). с диоптриями могут производиться как из так и из высококачественного пластика.

Астрономия

Оптические стекла являются важным и самым дорогим компонентом любого телескопа. Многие любители сами собирают рефракторы, для этого требуется немного, но самое главное - плосковыпуклая стеклянная линза.

В начале позапрошлого века на изготовление одной мощной астрономической линзы, а точнее на ее полировку, уходило несколько лет. Например, в 1982 году к миллионеру Чарльзу Йерксу обратился глава чикагского университета Вильям Харпер с просьбой профинансировать обсерваторию. Йеркс вложил в нее около трехсот тысяч долларов, причем сорок тысяч ушло на покупку линзы для самого мощного на тот момент телескопа на планете. Обсерваторию назвали в честь финансиста Йеркса, и до сих пор этот рефрактор с диаметром объектива 102 см считается самым большим в мире.

Телескопы с большим диаметром являются рефлекторами, в нем зеркало является светособирающим элементом.

Существует еще один тип линз, использующихся как в астрономии, так и в офтальмологии - стекло с выпукло-вогнутыми поверхностями, которое называется мениском. Оно может быть двух типов: рассеивающим и собирающим. В рассеивающем мениске крайняя часть толще центральной, а в собирающем более тонкой является центральная часть.

Виды стекла

Вид стекла:Оконное, Посудное, Зеркальное, Парфюмерное,Бутылочное, Полухрусталь, Химико-лабораторное, Термостойкое типа, Опаловое, Термометрическое, Электровакуумное, Стеклянное волокно.

При детальном исследовании стекла изучаются, в зависимости от технических условий, следующие его физико- химические свойства: вязкость, поверхностное натяжение, внутренние напряжения, температура размягчения, удельный вес, предел прочности на сжатие, разрыв и изгиб, твёрдость, модуль упругости, газопроницаемость, термическое расширение, теплоёмкость, теплопроводность, электропроводность, диэлектрические потери, показатель преломления, спектральные характеристики в видимой и невидимой части спектра, химическая стойкость, кристаллизационная способность и другие. Прочность на разрыв зависит от толщины стекла и от термической его обработки. Наибольшей теплопроводностью отличается прозрачное кварцевое стекло.

Характеристика основных видов стекла

СТЕКЛО ОПТИЧЕСКОЕ -- прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой степенью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны -- 72% SiO, щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения -- круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности.

Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптическиъх стекол.

До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д.С. Рождественского, И.В. Гребенщикова, Г.Ю. Жуковского, Н.Н. Качалова и др. Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу-- это высокая степень однородности. Отсутствие однородности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения.

Однородность оптического стекла нарушается причинами химического и физического порядка. Химическая неоднородность обусловлена местными изменениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неоднородность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщательным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства-- точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Большой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптических систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содержат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах.

Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90--97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной атмосферы и к действию слабых кислот, характеризующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.

Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах.

Важнейшая операция в производстве оптического стекла-- размешивание стекла в процессе варки и особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла применяются три способа:

• 1) охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков в нагретом состоянии;
• 2) отливка стекломассы в железную форму;
• 3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.

Оптические стекла выпускаются стекловаренными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок -- «прессовки» (линзы, призмы). К оптическим стеклам можно отнести также и специально окрашенные цветные стекла, применяемые для изготовления точных светофильтров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спектрального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.

СТЕКЛО СТРОИТЕЛЬНОЕ -- изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т.д.

Большая часть ассортимента строительного стекала служит для остекления световых проёмов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.

Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существенным недостатком листового оконного стекла является наличие некоторой волнистости, искажающей предметы, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями.

Современный наиболее распространённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и полировке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях -- до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовления зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла. Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется получить рассеянный свет. Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для внутренних перегородок, дверных филёнок и остекления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла.

Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верхними слоями стекла. Армированное стекло содержит в толще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армированное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен.

Вырабатывается методом непрерывного проката между валками с закаткой проволочной сетки, сматываемой с отдельного барабана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галлерей и пассажей.

Сдвоенные (пакетные) стекла с воздушной или светорасссивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теплоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной рамкой. Толщина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12--15 мм. Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую освещённость рабочих мест и обладают высокими теплоизоляционными свойствами.

Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлическими переплётами. Облицовочное стекло (марблит) представляет собой непрозрачное цветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим отжигом в туннельных печах. Применяется для отделки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.

СТЕКЛО КВАРЦЕВОЕ -- содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»), применяемых в медицине и др.

СТЕКЛО ОРГАНИЧЕСКОЕ (плексиглас) -- прозрачная бесцветная пластическая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в лабораториях и др.

СТЕКЛО РАСТВОРИМОЕ -- смесь силикатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки тканей, изготовления огнезащитных красок, силика-геля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.

СТЕКЛО ХИМИКО-ЛАБОРАТОРНОЕ -- стекло, обладающее высокой химической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

СТЕКЛОВОЛОКНО -- искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вытягиванием или расчленением расплавленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых набивок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.