Prezentacja programu PowerPointwozniak/optyka_instrumentalna_pliki... · 2019. 10. 21. · = 500±50 mm. Przy tych warunkach smugi na ekranie nie powinny byćwidoczne. Do drugiej

OPTYKA INSTRUMENTALNA

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Politechnika Wrocławska

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ Pokój 27 bud. A-1

Wykład 9: SZKŁO – definicja, budowa, metody wytwarzania, własności fizyczne, parametry mechaniczne; parametry

optyczne szkła: jednorodność, smużystość, pęcherzowatość, dwójłomność, absorpcja, współczynnik odbicia (definicje,

sposoby pomiaru, kategoryzacje)

Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna

Wprowadzenie

W poprzednim odcinku:

- Mikroskopy;

- Goniometr;

- Przyrządy pomocnicze.


Definicja

Co to jest szkło?

Materiał nieorganiczny, powstały wskutek stopienia a następnie ochłodzenia bez krystalizacji.

Czyli: jest to ciało stałe (bo skrzepnięte) ale może być uważane za przechłodzoną ciecz (bo nie ma

struktury krystalicznej, jak większość ciał stałych). Takie materiały nazywa się też amorficznymi.

tektyt

W literaturze można spotkać wiele definicji szkła, czy stanu

szklistego. Najbardziej popularne jest definiowanie tego

stanu w oparciu o budowę wewnętrzną, mianowicie, że nie

posiada ona uporządkowania dalekiego zasięgu. Sposób

rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej

szkła przypomina rozmieszczenie molekuł w cieczy, lub nawet

gazie. („Wikipedia”)


Historia

LEGENDA o powstaniu szkła (Pliniusz Starszy, 23-79 r. n.e.)

W części Syrii (wtedy: Fenicja), blisko Judei, u podnóża góry Carmel i ujścia rzeki Bellus są mokradła, gdzie

piasek jest niezwykle czysty. Pewnego razu rozbił się tam statek kupiecki wiozący natron (węglan sodu),

używany wówczas do mumifikacji.

Kupcy znaleźli się na brzegu i aby ugotować posiłek użyli

kawałków natronu jako podstawki pod garnki. Piasek na

brzegu mieszał się z płonącym natronem (dodatki związku

sodu, dodane do krzemionki, obniżają temperaturę

topnienia) i strumienie przezroczystej cieczy zaczęły

wypływać z ogniska…


Historia

FAKTY: Około 3500 lat p.n.e. tajemne „instrukcje”, jak budować piece i jak

wytapiać szkło zostały zapisane na glinianych tabliczkach pismem obrazkowym.

Instrukcje te były później kopiowane przez wieki.

FAKTY: Badania historyczne wskazują, że technologia szkła została

rzeczywiście odkryta w rejonie obecnego Iraku i Syrii.

FAKTY: Prace wykopaliskowe pozwoliły odnaleźć w północnym Egipcie

pozostałości fabryki szkła z roku 1250 p.n.e.


Historia

~ 3000 p.n.e. – wytwarzanie szkła na Kaukazie; początki barwienia szkła

~ 1500 p.n.e. – pojawienie się szkła w Egipcie; barwienie za pomocą domieszek Cu, Fe, Mn, Al

~ 630 p.n.e. – pierwszy zachowany „podręcznik” wytwarzania szkła (Asyria)

~ 900 p.n.e. – wprowadzenie przemysłu szklarskiego do Syrii i

Mezopotamii

~ 250 p.n.e. – odkrycie technologii dmuchania szkła (Fenicjanie)

~ 50 n.e. – rozwinięcie technologii dmuchania szkła

~ 70 n.e. – Rzymianie wprowadzają produkcję szkła do Europy

~ 100 n.e. – odlewanie szkła w formach


Historia

591 – pierwsze wzmianki o szybach okiennych (w Kościołach)

1180 – pierwsze szyby okienne w domach mieszkalnych

1453 – tajemnice produkcji szkła docierają z Bizancjum do Wenecji

1843 – pierwsze wzmianki o produkcji szkła kwarcowego

1859 – pierwsza półautomatyczna maszyna do produkcji butelek

1925 – metoda „Pittsburgh” wytwarzania szyb

1967 – metoda odlewania szyb na stopionej cynie

1970 – produkcja włókien optycznych (światłowodów)

1983 – technologie sol-gel (soczewki gradientowe)


Szkło - budowa

Czynniki, które decydują o właściwościach szkła:- skład szkła;

- struktura;

- powierzchnia;

- cienkie warstwy nałożone na powierzchnię szkła.

Skład chemiczny szkłaGłównym składnikiem wytwarzanego obecnie szkła jest

SiO2, pozyskiwany z piasku kwarcowego.


Szkło - budowa

Nie tylko SiO2 tworzy szkło. W skład mieszanin wchodzą również inne związki chemiczne tzw.

pierwiastków szkłotwórczych – tych, które w związkach z tlenem tworzą sieć wielościanów i mają

liczbę koordynacyjną 3 lub 4 (Si, B, P, Ge, As). Szkło tworzą również inne tlenki (Bi2O3, CuO).

Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej:

węglan sodu (Na2CO3) i węglan wapnia (CaCO3), topniki: tlenek boru (B2O3) i tlenek ołowiu(II) (PbO)

oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych, kadmu, manganu i inne.

Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne.

- szkło zielone zawiera związki żelaza (III) i chromu (III),

- szkło niebieskie zawiera związki kobaltu (II) i miedzi (II),

- szkło fioletowe zawiera związki manganu (VII),

- szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki,

- szkło czerwone zawiera koloidalne cząsteczki złota.


Szkło - budowa


Szkło - budowa

Znaczenie składu szkła

Dzięki różnym domieszkom szkło potrafi mieć całkowicie różne własności fizyko-chemiczne.

Przykład:

Wata szklana to włókna szkła glinokrzemianowego o długości kilku milimetrów i średnicy kilku

mikrometrów. Podobne rozmiary mają włókna krystalicznego glinokrzemianu, czyli azbestu.

- Azbest nie rozpuszcza się w środowisku płuc, przez co jest rakotwórczy;

- Wata szklana rozpuszcza się po kilku miesiącach;

- Modyfikacja składu szkła (zmniejszenie zawartości Al2O3 z 3,4 do 2,2%, Na2O z 15,75 do 15,5% i

zwiększenie MgO z 3,0 do 3,4% powoduje, że takie szkło jest biorozpuszczalne (czas degradacji kilka

tygodni, nawet kilka dni).


Szkło - budowa

Model struktury szkła tlenkowego (Zachariesen, 1933)

Szkło zbudowane jest jak ciągła, ale przypadkowa sieć, w której atomy rozłożone są chaotycznie, jak

w cieczy. Spełnione są 4 podstawowe reguły:

1) Atom tlenu może być połączony z najwyżej dwoma innymi atomami;

2) Liczba koordynacyjna innych atomów jest mniejsza bądź równa 4;

3) Wielościany koordynacyjne SiO (lub inne) połączone są ze sobą narożami;

4) Wielościany te tworzą trójwymiarową strukturę ciągłą.


Szkło - budowa

Model struktury szkła krzemianowego:

1) Elementem podstawowym szkła kwarcowego jest czworościan SiO4-4

2) Liczba koordynacyjna krzemu jest równa 4;

3) Czworościany koordynacyjne SiO4-4 połączone są ze sobą narożami;

4) Wielościany te tworzą trójwymiarową strukturę ciągłą.


Szkło - budowa

Porównanie budowy szkła krzemianowego z budową krystalicznego kwarcu

kwarc krystaliczny szkło krzemianowe

uporządkowanie dalekozasięgowe uporządkowanie krótkozasięgowe

Te same jednostki strukturalne!


Szkło - budowa

Szkło wapienno-sodowe

Inne pierwiastki w strukturze szkła:

- Stabilizatory sieci: te, które ani nie

tworzą ani nie przerywają sieci (Al, Li, Zn,

Mg, Pb) – liczba koordynacyjna 4 i 6

- Modyfikatory: te, które przerywają sieć

wielościanów (Na, Ca, Ba, K) z liczbą

koordynacyjną >6


Własności fizyczne szkła

Temperatura zeszklenia, zwana również "temperaturą witryfikacji”, Tg - temperatura, w której następuje

przejście ze stanu ciekłego lub plastycznego do szklistego na skutek nagłego wzrostu lepkości cieczy.

Zeszklenie jest przemianą fazową drugiego rzędu, co oznacza, że nie towarzyszy jej dający się zmierzyć

energetyczny efekt cieplny, ale można ją zaobserwować jako nagłą zmianę pojemności cieplnej.



Lepkość szkła



Kolor szkła wynika z obecności w nim jonów metali w postaci

tzw. klastrów. Kolor zależy od rodzaju domieszki, ale też od

wielkości klastrów, co związane jest z obróbką termiczną i

chemiczną szkła a także z procesami utleniania, dyfuzji itp.

zachodzącymi pod wpływem światła i innych czynników.



Kolor szkła zależy od wielkości klastrów metalicznych domieszek. Źródłem koloru są tzw. plazmony

powierzchniowe – kolektywne oscylacje gazu elektronów swobodnych.


Własności mechaniczne szkła

Szkło ma bardzo duży moduł Younga.

(CO TO JEST?!)

Szkło jest bardzo kruche:

- Główną przyczyną kruchości szkła są mikropęknięcia, które przemieszczają się po jego powierzchni;

- Para wodna i woda dostaje się do mikropęknięć i przyspiesza ich „propagację”.

Przykład: właściwości mechaniczne szkła budowlanego

- twardość w skali Mohsa 5–7

- gęstość 2400–2600 kg/m³

- wytrzymałość na zginanie 30–50 MPa

- wytrzymałość na ściskanie 800–1000 MPa

- moduł Younga 70 GPa


Własności mechaniczne szkła

Jakość powierzchni szkła decyduje o jego kruchości.

Ciekawostki:

- Jakość zewnętrznej powierzchni szkła decyduje o wytrzymałości butelki na wewnętrzne

ciśnienie (szampan!);

- Jakość wewnętrznej powierzchni butelki decyduje o wytrzymałości butelki na uderzenie

(transport, proces napełniania);

- Prawie idealną powierzchnię (a więc prawie idealną wytrzymałość) mają włókna szklane

używane do wzmacniania kompozytów.


Wytwarzanie szkła

Fakty:

Wczesne technologie produkcji naczyń szklanych:


Wytwarzanie szkła

Wytwarzanie przedmiotów szklanych obecnie:

- wydmuchiwanie;

- prasowanie;

- wytwarzanie szyb;

- wytwarzanie włókien.

Wydmuchiwanie szkła dawniej:

a) tuba do wydmuchiwania szkła

b) szczypce;

c) nożyce;

d) e) narzędzia pomocnicze do formowania

kształtów.


Wytwarzanie szkła

Wydmuchiwanie szkła w wersji automatycznej


Wytwarzanie szkła

Prasowanie


Wytwarzanie szkła

Wytwarzanie szyb metodą „Pittsburgh”

Układ precyzyjnych wałków wyciąga warstwę szkła pionowo do

góry. Po usunięciu roztopionej cieczy, wałki nadal się obracają a

cała warstwa wędruje do góry, gdzie jest cięta na kawałki.

Wytwarzanie szyb na stopionej cynie

Stopione szkło o temperaturze 1500 °C tworzy ciągłą warstwę,

która wpływa na stopioną cynę. Warstwa szkła ma grubość od 2

Do 12 mm. Temperatura szkła stopniowo maleje i warstwa

przybiera kształt równoległościennej wstęgi.


Wytwarzanie szkła

Wytwarzanie szyb


Przezroczystość szkła

Od 3000 p.n.e. Egipcjanie i Fenicjanie

zaczęli poszukiwanie sposobów

polepszenia przezroczystości szkła... Przed

1966 osiągnięto pewne plateau w rozwoju

przezroczystości.

Dopiero prace prowadzone w latach

1970-1980 (Bell Laboratories)

spowodowały, że szkło stało się 10 000

razy bardziej przezroczyste niż w 1966.

Dzięki temu, np. włókno może mieć

średnicę tylko 0.01 mm.


Inne parametry szkła

Z kolei zmianę współczynnika załamania osiąga się dzięki:

1) Dodaniu germanu (też jako czterochlorek). German ma o 18 elektronów więcej niż Si, jest

domieszką, która zwiększa n, nie zmieniając współczynnika absorpcji;

2) Dodaniu boru lub fluoru – zmniejsza współczynnik załamania.

Wzmacnianie szkła polega na poprawieniu jakości powierzchni i takiej jej modyfikacji, że pęknięć

albo nie ma, albo nie mogą się przemieszczać:

- Hartowanie;

- Chemiczna modyfikacja powierzchni;

- Nanoszenie warstw, laminowanie szkła.


Inne parametry szkła

Jak to się robi:

• Szkło ogrzewa się do temperatury około Tg

• Ochładza się w powietrzu lub oleju

• Powierzchnia ochładza się szybciej niż części wewnętrzne

• Gdy wewnętrzne części ochładzają się do temperatury

pokojowej, powierzchnia już jest zimna i sztywna. Rozmiary

nie mogą się dopasować: wnętrze jest rozciągane przez

powierzchnię, a powierzchnia ściskana przez wnętrze.

Wzmacnianie szkła: Szkło wewnętrznie naprężone ma lepsze właściwości mechaniczne:

zewnętrzna powierzchnia zostaje ściśnięta, wewnętrzna – rozciągnięta.


Jednorodność szkła

Szkło używane do produkcji elementów optycznych powinno być optycznie jednorodne – nazywamy

tak stałość współczynnika załamania we wszystkich jego punktach.

Różnica dróg optycznych, spowodowana niejednorodnością:

powinna spełniać tzw. warunek Rayleigha:

co daje ostatecznie warunek na niejednorodność n:

lnh

4

h

ln

4

Przykład: dla soczewki o grubości l=10 mm dla światła o długości fali λ=555 nm możemy dopuścić

niejednorodność Δn=1,4 ·10-3.



Sprawdzanie niejednorodności szkła odbywa się drogą pośrednią przez zmierzenie zdolności

rozdzielczej bloku szkła. Kontrolę przeprowadza się przez porównanie zdolności rozdzielczej płytki

płasko-równoległej, wykonanej z badanego szkła z możliwą teoretyczną zdolnością rozdzielczą

przyrządu kontrolnego.

Do pomiaru niejednorodności szkła wykorzystuje się ogólnie układy kolimatorów z odpowiednimi

testami zdolności rozdzielczej oraz lunety.



Metoda Teplera

Metoda Foucaulta



Jakość szkła określa się współczynnikiem odpowiadającym stosunkowi granicznego kąta

rozdzielczego φ, uzyskanego dla danego szkła, do teoretycznego kąta rozdzielczego φ0, obliczonego

na podstawie wymiarów liniowych szkła D:

- dla otworu kołowego:

- dla otworu prostokątnego:

D

"1200

D

"1150


Smużystość szkła

Smugami nazywamy intensywne, miejscowe niejednorodności szkła, ostro wyróżniające się

współczynnikiem załamania od otaczającej je masy, w postaci długich, wąskich walców!

Smużystość szkła powstaje w wyniku procesu topienia masy szklanej i spowodowana jest niejednorodnością

chemiczną niektórych warstw, posiadających wskutek tego odmienny współczynnik załamania. Smugi mogą

tworzyć w szkle np. oderwane kawałki donicy, mieszalnika, niejednorodność zestawu oraz wyparowanie

najbardziej lotnych składników z powierzchni szkła stykających się w powietrzem w procesie wytopu.

Średnice smug występujących w szkle optycznym są zwykle małe,

rzędu kilku dziesiętnych części milimetra, długość natomiast może być

znaczna, rzędu setek milimetrów.

Z punktu widzenia optyki geometrycznej możemy więc potraktować

smugę jako małą soczewkę cylindryczną, powodującą powstanie pasma

świetlnego (i cienia) w płaszczyźnie obrazu.



Warunki techniczne na szkło optyczne przewidują:

- trzy klasy smużystości w zależności od ilości kierunków przeglądania badanego bloku szkła;

- siedem kategorii, różniących się warunkami badania.

Podstawą tych klasyfikacji jest metoda badania smużystości polegająca na projekcji smug na ekran.



Widoczność smug na ekranie zależy od wielkości średnicy otworka przesłony M i od odległości l2. Im

mniejszy jest otworek średnicy przesłony i im mniejsza ta odległość, tym lepiej widoczne są drobniejsze

smugi.

Przykłady:

Do pierwszej kategorii smużystości szkła średnica M=2 mm a l2= 500±50 mm. Przy tych warunkach smugi na

ekranie nie powinny być widoczne.

Do drugiej kategorii: M=4 mm a (tak samo) l2= 500±50.



W przypadku badania bryłek szkła o

kształtach nieregularnych należy zanurzyć je w

specjalnych naczyniach, wypełnionych cieczą

immersyjną, której współczynnik załamania

nie powinien różnić się więcej niż n=1·10-3 od

współczynnika załamania badanej bryłki.


Pęcherzowatość szkła

W czasie wytopu dostają się do szkła wtrącenia ciał stałych oraz powstają pęcherze gazowe.

Wtrącenia mogą stanowić również cząstki materiałów donicy i mieszadła oraz cząstki zestawu,

które nie rozpuściły się w czasie wytopu. Wszystkie te wtrącenia powodują ogólnie wadę zwaną

pęcherzowatością szkła.

Warunki techniczne dotyczące jakości szkła optycznego pod względem pęcherzowatości dzielą je

na 5 klas i 11 kategorii.

Klasę pęcherzowatości określa się średnią ilością pęcherzy w 1 kg szkła.

Kategorię pęcherzowatości określa się średnicą największego dopuszczalnego pęcherza w

półfabrykacie.



Urządzenie stosowane do klasyfikacji pęcherzowatości:




Dwójłomność szkła

Szkło stosowane w optyce powinno być materiałem izotropowym. W praktyce posiada zawsze

pewne własności kierunkowe, spowodowane naprężeniami wewnętrznymi.

Szkło posiadające naprężenia wewnętrzne staje się ciałem dwójłomnym. Do sprawdzenia

dwójłomności prefabrykatów szklanych stosuje się polaryskopy i polarymetry.


Dwójłomność szkła

TO wynika z konkretnej metody pomiaru

TO jest normą dwójłomności


Absorbcja szkła

Na przepuszczalność gotowego przyrządu optycznego wpływa w dużym stopniu ilości światła

pochłoniętego w materiale (szkle). Ilość pochłanianego światła przez dany gatunek szkła

charakteryzuje wielkość tzw. współczynnika absorpcji.

Współczynnik absorpcji jest stosunkiem strumienia światła białego pochłoniętego w warstwie

szkła o grubości 1 cm do strumienia świetlnego, padającego na tę warstwę.


Absorbcja szkła

Pomiarów absorpcji dokonuje się zarówno w świetle skolimowanym, jak i wiązce równoległej.


Absorbcja szkła

Podział szkła na kategorie ze względu na współczynnik absorpcji:

Właściwy obraz absorpcji światła dają pomiary spektrofotometryczne dla różnych długości fali.


Współczynnik odbicia szkła

Przy przejściu światła z jednego ośrodka do drugiego następuje na powierzchni rozdzielającej

oba ośrodki zjawisko częściowego odbicia.2

12

12

nn

nnRPrzypomnienie: wzory Fresnela

Współczynnik odbicia szkła określa procentową ilość

światła odbitego przy przejściu promieni z powietrza do

szkła.

Pomiar współczynnika odbicia na fotometrze

fotoelektrycznym polega na porównaniu wskazań

galwanometru (amperomierza, woltomierza) przy

padaniu na fotokomórkę promieni świetlnych odbitych

od badanej powierzchni i wzorcowej.

Documents

Prezentacja programu PowerPointwozniak/optyka_instrumentalna_pliki... · 2019. 10. 21. · = 500±50 mm. Przy tych warunkach smugi na ekranie nie powinny byćwidoczne. Do drugiej