book_optical_materials_2009
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
В.А. ЗВЕРЕВ, Е.В. КРИВОПУСТОВА, Т.В. ТОЧИЛИНА
ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. Часть 1
Учебное пособие для конструкторов оптических систем и
приборов
Санкт-Петербург
2009
Зверев В.А., Кривопустова Е.В., Точилина Т.В. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. Часть 1. Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 244 с.
Понятие «оптические материалы» охватывает сегодня огромное множество оптических сред, различающихся не только показателем преломления и коэффициентом дисперсии, но и прозрачностью для электромагнитного излучения требуемого диапазона длин волн, физикомеханическими и физико-химическими свойствами, требуемой воспроизводимостью оптических характеристик, необходимой оптической однородностью, бессвильностью и т.д. Первая часть пособия посвящена оптическому стеклу.
Дано представление о том, что такое стекло, описаны характерные особенности его производства, кратко изложена история зарождения стекловарения и стеклоделия. Рассмотрены физические и физико-механические свойства оптического стекла как конструкционного материала оптических систем оптико-электронных приборов. Рассмотрено влияние параметров оптического стекла на габаритные и аберрационные характеристики разрабатываемых оптических систем. Дано описание показателей качества оптического стекла и их нормирования. Рассмотрены методы определения требований к качеству оптического стекла. Описаны методы контроля и измерения характеристик качества оптического стекла.
Учебное пособие предназначено для студентов по направлению подготовки «Оптотехника», а также может быть полезным для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием оптических систем, конструированием оптических приборов и для технологов оптического производства.
Учебное пособие подготовлено на кафедре Прикладной и компьютерной оптики СанктПетербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.
Рецензенты: д.т.н., профессор Э.С. Путилин (ГОУВПО «СПбГУ ИТМО») д.т.н., профессор М.Н. Сокольский (ОАО «ЛОМО»)
Рекомендовано к печати УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 200200 – Оптотехника и специальности 200203 – Оптикоэлектронные приборы и системы 25.03.2009 год №352.
В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007–2008 годы. Реализация инновационной образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.
©Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2009 © В.А. Зверев, Е.В. Кривопустова, Т.В. Точилина, 2009
2
“Учитель, давая ученику синтез своего накопления, тем самым даёт ему возможность сохранить драгоценное время для скорейшего и дальнейшего продвижения индивидуального творчества. Без преемственности накоплений, где была бы эволюция? Если бы каждый должен был доходить до всего, опираясь только на личный опыт и отвергая руку водящего, то вряд ли бы ушли далеко и посейчас от наших предков каменного века”.
Е.И. Рерих (Из письма от 21.01.1931 г.)
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………... 6
1.Распространение электромагнитного поля в изотропных средах………………............................................................................ 8
2.Классическая электронная теория дисперсии света ……….. 14
3.Стекло……………........................................................................... 20
3.1.Что такое стекло?….………………………………………….. 20
3.2.Краткий исторический очерк………………………………… 32
4. Бесцветное оптическое стекло..................................................... |
65 |
4.1.Система классификации стекол….…………………………... 65
4.2.Оптические постоянные стекла как конструктивные и коррекционные параметры оптической системы……...................... 67
4.2.1.Показатель преломления и монохроматические
аберрации изображения, образованного оптической системой …. 67
4.2.2. Дисперсия света. Хроматические аберрации.................. |
86 |
4.3.Коэффициент пропускания ………………………………….. 93
4.4.Термические свойства………................................................... 96
4.4.1. Термооптические свойства оптического стекла.……… 96
4.4.2.Теплотехнические характеристики….…......................... 104
4.5.Радиационно-оптическая устойчивость…………………….. 106
4.6.Светорассеяние ………………………………………………. 107
4.7.Механические свойства оптического стекла ………………. 107
4.7.1. Плотность............................................................................ |
107 |
4.7.2. Оптический коэффициент напряжения........................... |
107 |
4.7.3. Модуль упругости.............................................................. |
108 |
4.7.4. Коэффициент поперечной деформации........................... |
109 |
4.7.5. Модуль сдвига.................................................................... |
109 |
4.7.6. Относительная твердость по сошлифованию................. |
110 |
4.8. Химическая устойчивость …………………………………… 110 |
|
4.8.1. Устойчивость к влажной атмосфере................................ |
111 |
4
4.8.2. Устойчивость к слабокислым водным растворам и к |
|
воде........................................................................................................ |
112 |
4.9. Магнитные и электрические характеристики ……………… |
113 |
4.9.1. Эффект Фарадея – один из эффектов магнитооптики.... |
113 |
4.9.2. Электрические характеристики........................................ |
113 |
4.10. Показатели качества оптического стекла и их |
|
нормирование..………………………………………………………. 115 |
|
4.11. Определение требований к качеству бесцветного |
|
оптического стекла…………………………………………………... 128 |
|
4.11.1. Требования к показателю преломления и дисперсии |
|
оптического стекла............................................................................... |
128 |
4.11.2. Требования к однородности оптического стекла......... |
136 |
4.11.3.Требования к двойному лучепреломлению…………... 148
4.11.4.Требования к показателю ослабления оптического
стекла…………………………………………………………………. 149
4.11.5.Требования к пузырности оптического стекла………. 151
4.11.6.Требования к свильности оптического стекла……….. 161
4.12.Методы определения характеристик качества
оптического стекла…………………………………………………... 172
4.12.1. Методы измерения показателя преломления………… |
172 |
4.12.2. Метод определения оптической однородности……… |
194 |
4.12.3.Методы определения двулучепреломления………….. 199
4.12.4.Метод измерения показателя ослабления
оптического стекла………………………………………………….. 205 4.12.5. Метод определения пузырности оптического стекла... 208
4.12.6. Метод определения бессвильности оптического стекла…………………………………………………………………. 212
Заключение…………………………………………………………. 215
Приложение…………………………………………………………. 217
Литература………………………………………………………….. 239
5
ВВЕДЕНИЕ
Принципиальную возможность производства оптических приборов определяет наличие оптических материалов. Решение проблемы производства оптического стекла в России связано с именами Д.С. Рождественского, И.В. Гребенщикова, А.А. Лебедева,
Н.Н. Качалова, |
А.И. Стожарова, чуть позже с именами |
К.С. Евстропьева, |
В.В. Варгина, Л.И. Демкиной, Г.Т. Петровского, |
В.С. Доладугиной и многих других. Оптики были первыми, кто освободил нашу страну в области производства оптических материалов и оптических приборов на их основе от иностранной зависимости. В феврале 1927 года Высший Совет народного хозяйства на основании доклада директора ГОИ Д.С. Рождественского и технического директора Ленинградского завода оптического стекла Н.Н. Качалова принял решение о полном запрещении ввоза в страну оптического стекла.
В середине XX века понятие «оптические материалы» существенно изменилось и стало включать в себя не только традиционные оптические стекла, но и стекла совершенно нетривиального химического состава, оптические моно- и поликристаллы, в том числе так называемую оптическую керамику, стеклокристаллические материалы, волоконно-оптические элементы, элементы интегральной оптики, в том числе с неравным нулю градиентом показателя преломления [37].
Разработка стекол с особыми свойствами позволяет достичь более совершенного исправления аберраций в изображении, образованном оптической системой некоторой конструкции, или упростить конструкцию (уменьшить число линз или отказаться от применения в системе преломляющих поверхностей несферической формы) сложной оптической системы. Так, например, применение особых кронов-стекол, обладающих ярко выраженным особым ходом частной дисперсии, и тяжелых фосфатных кронов позволило разработать фотографические объективы с переменным фокусным расстоянием, формирующие изображение высокого качества. Разработка фторфосфатных стекол с малой величиной внутренних напряжений в стекле определила возможность создания комплекта микрообъективов высочайшего разрешения для поляризационных микроскопов. Трудами Л.И. Демкиной была решена проблема производства весьма прозрачного стекла для оптики съемочной телевизионной аппаратуры.
6
Известно, что минимальный размер одного элемента в серийных микросхемах, получаемых оптической фотолитографией, многие годы держался на уровне 0,3 мкм, т.к. рабочая длина волны используемого излучения равна 0,248 мкм. В последние годы усилия ряда фирм направлены на разработку оптических устройств, определяющих возможность использования в оптической литографии излучения, длина волны которого равна 0,193 мкм, и получить микросхемы с линейным размером элемента, равным 0,19 мкм [38].
Кварцевое стекло и фтористый кальций составляют идеальную крон-флинтовую пару для такого литографического объектива. Однако, эти материалы требуемого качества могут изготовить лишь единичные фирмы в мире, в том числе ГОИ.
Важным видом оптических материалов, созданных на основе стекла со структурной неоднородностью, является ситалл. Широко известным и наиболее полезным с практической точки зрения свойством ситаллов является близкий к нулю коэффициент термического расширения. Такие ситаллы часто используются для изготовления зеркал астрономических телескопов и поэтому называются астроситаллами.
Для создания крупногабаритных астрозеркал важной задачей является остеклование заготовок, получаемых из легких металлов и сплавов [39]. Вывод в космос крупногабаритной облегченной зеркальной оптики вызвал к жизни такие экзотические материалы, как остеклованный бериллий или карбид кремния.
Развитие инфракрасной оптики потребовало разработки таких материалов, как сульфоселенидные стекла, оптический германий, сульфид и селенид цинка, фтористый барий и др.
Итак, понятие «оптические материалы» охватывает сегодня огромное множество оптических сред, различающихся не только показателем преломления и коэффициентом дисперсии, но и прозрачностью для излучения требуемого диапазона длин волн, физико-механическими и физико-химическими свойствами, требуемой воспроизводимостью оптических параметров, необходимой оптической однородностью и т.д. Поэтому при композиции оптической системы выбор материала составляющих ее элементов является весьма важным этапом, определяющим не только качество образованного ею изображения, не только функциональные и эксплуатационные свойства, но и экономическую целесообразность, а иногда и принципиальную возможность построения оптического устройства на основе такой оптической системы.
7
1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ
При наличии электрических зарядов в пространстве устанавливается возбужденное состояние, которое называют электромагнитным полем. Его представляют двумя векторами: вектором напряженности E электрического поля и вектором магнитной индукции B . Для описания влияния поля на материальные объекты необходимо ввести вектор плотности электрического тока j ,
вектор электрической индукции или электрического смещения D и вектор магнитной напряженности H . Пространственные и временные производные пяти указанных векторов связаны уравнениями Максвелла. Эти уравнения, описывающие поле в каждой точке пространства, вблизи которой физические свойства среды непрерывны, в гауссовой системе единиц имеют вид:
|
|
|
1 |
& |
|
4π |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
rotH − |
|
|
|
D = |
|
|
j |
(1.1) |
||||||
c |
c |
|||||||||||||
|
|
1 |
& |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
rotE + |
|
B = 0. |
|
|
|
(1.2) |
||||||||
c |
|
|
|
|||||||||||
Здесь c – скорость |
|
распространения электромагнитного |
излучения |
|||||||||||
(света) в вакууме. Точка над буквой означает дифференцирование по времени. Векторные уравнения дополняются двумя скалярными соотношениями:
|
|
|
= 4πρ |
(1.3) |
divD |
||||
|
|
= 0. |
(1.4) |
|
divB |
||||
Можно считать, что уравнение (1.3) |
определяет плотность |
|||
электрического заряда ρ, а соотношение (1.4) означает, что
магнитных зарядов в природе не существует. Для того чтобы при заданном распространении зарядов и токов уравнения (1.1)–(1.4) допускали единственное решение относительно векторов поля, к этим уравнениям необходимо добавить соотношения, описывающие поведение веществ под влиянием поля. Такие соотношения называются материальными уравнениями. Для тел, находящихся в покое друг относительно друга (или в состоянии очень медленного движения) и состоящих из изотропных веществ (т.е. веществ, физические свойства которых в каждой точке не зависят от направления), эти уравнения имеют относительно простой вид:
|
|
|
= σ |
|
|
|
(1.5) |
|
|
|
j |
E |
|||||
|
|
= ε |
|
(1.6) |
||||
D |
E |
|||||||
8
|
|
= μ |
|
. |
|
|
(1.7) |
B |
H |
|
|
||||
Величина σ |
называется удельной |
проводимостью, ε – |
|||||
диэлектрической |
проницаемостью, |
а |
μ – магнитной |
||||
проницаемостью. Уравнение (1.5) является дифференциальной формой закона Ома. Для обозначения веществ, плохо поводящих электрический ток (величина σ пренебрежимо мала), М. Фарадей ввел термин «диэлектрик». Электрические и магнитные свойства диэлектриков полностью определяются величинами ε и μ. Для
большинства веществ магнитная проницаемость μ практически равна
единице.
Рассмотрим электромагнитное поле в среде, которая характеризуется следующими особенностями:
−среда однородна и, следовательно, диэлектрическая проницаемость ε имеет одно и то же значение во всех точках;
−среда изотропна и, следовательно, величина ε не зависит от направления распространения поля;
− |
проводимость среды σ = 0 и, следовательно, |
|
= σ |
|
= 0; |
||||||||||||||||||||||||
j |
E |
||||||||||||||||||||||||||||
− |
плотность объемных зарядов ρ в среде равна нулю. |
|
|||||||||||||||||||||||||||
При этих условиях уравнения (1.1)–(1.4) с учетом уравнений (1.6) |
|||||||||||||||||||||||||||||
и (1.7) принимают вид: |
|
||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
rotH |
= |
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.8) |
||||||||||||||
|
ε |
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
rotE |
= − |
|
H . |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.9) |
|||||||||||||||
|
μ |
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.10) |
||||||||
divE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.11) |
||||||||||||||
divH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Составив |
|
|
|
векторное произведение оператора rot с |
обеими |
||||||||||||||||||||||||
частями уравнения (1.9), получаем |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
& |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
rot |
|
|
|
|
|
rotE = − |
|
rotH . |
(1.12) |
||||||||||||||||||||
μ |
c |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Продифференцировав уравнение (1.8) по времени, находим, что |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
& |
|
|
|
|
|
ε |
&& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
rotH = c E . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
При этом уравнение (1.12) можно представить в виде: |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
ε |
&& |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
rot |
|
|
|
|
|
rotE = − |
|
|
E . |
(1.13) |
|||||||||||||||||||
μ |
|
c2 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Если использовать тождества
9
rot(uA)≡ urotA +(gradu)× A ; rot rot ≡ grad div − 2 ,
то уравнение (1.13) можно преобразовать к виду:
2 |
|
|
|
εμ && |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
E − |
c2 |
E |
−μ grad |
|
|
×rotE − grad divE . |
(1.14) |
||||||
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
μ |
|
|
|
|
|
|
||
Используя материальное уравнение (1.6) и применяя тождество divuA ≡ udivA + Agradu ,
находим, что
divD = div(εE )= εdivE + Egradε = 0.
Отсюда следует, что
divE = −E 1ε gradε. (1.15)
Кроме того, используя определение градиента скалярного поля f (u), имеем
gradf (u)= dfdu(u)gradu .
При этом
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
(gradμ)= −grad (ln μ) |
|
|||||||||||
μ grad |
|
|
= − |
|
(1.16) |
||||||||||||||||||||||
μ |
μ |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
и, соответственно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
1 |
(gradε)= grad(ln ε). |
(1.17) |
||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Соотношения (1.15)–(1.17) позволяют представить уравнение |
|||||||||||||||||||||||||||
(1.14) в виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
εμ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
&& |
+[grad(ln μ)]×rotE + grad[Egrad(ln ε)]= 0. |
|
||||||||||||||||||||
|
|
E − |
|
|
E |
(1.18) |
|||||||||||||||||||||
|
c2 |
||||||||||||||||||||||||||
Аналогично находим, что |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
εμ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
&& |
|
+[grad(ln ε)]×rotH + grad[Hgrad(ln μ)]= 0 . |
|
||||||||||||||||
|
|
H − c2 |
H |
|
(1.19) |
||||||||||||||||||||||
В рассматриваемом случае среда однородна, а, следовательно, |
|||||||||||||||||||||||||||
|
grad (ln ε)= grad (ln μ)= 0. |
|
|||||||||||||||||||||||||
При этом уравнения (1.18) и (1.19) принимают вид: |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
εμ |
&& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
E − |
|
E |
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.20) |
||||||||||||
|
c2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
εμ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
&& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
H − c2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
H |
= 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.21) |
|||||||||||||||
10