Transcript SZKŁO – smużystość

POMIARY
OPTYCZNE 1
{
8. Współczynnik załamania #3
Szkło
Damian Siedlecki
Metoda de Chaulnesa
Pomiar współczynnika załamania
opiera się na pomiarze wielkości
poosiowego przesunięcia obrazu,
utworzonego przez płytkę płaskorównoległą.
Inne metody
Metoda de Chaulnesa
AD  OO '  s '
BC
tg i 
CD
BC
tg i ' 
AC

t g i AC

t g i ' CD
tgi sin i
d

n
tgi ' sin i '
d  s'
Inne metody
Metody immersyjne:
metody mikroskopowe, w których wartość współczynnika
załamania jest szacowana poprzez dopasowanie wartości
współczynnika załamania
cieczy immersyjnej do
współczynnika załamania
badanego materiału.
n1v1  n2v2
nc 
v1  v2
v1 – objętość cieczy im. o wsp. zał. n1
v2 – objętość cieczy im. o wsp. zał. n2
Inne metody
Metody immersyjne:
problem: ciecz immersyjna może mieć taki sam
współczynnik załamania jak badane ciało…
TYLKO
dla
JEDNEJ
długości
fali
Inne metody
SZKŁO:
Materiał nieorganiczny, powstały
ochłodzenia bez krystalizacji.
wskutek
stopienia,
a
następnie
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.
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”)
SZKŁO
tektyt
fulguryt
www.capturedlightning.org
SZKŁO
Pliniusz Starszy, 23-79 r. n.e.:
W części Syrii (wtedy: Fenicja), blisko Judei, u podnóża góry Karmel 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…
SZKŁO - legenda
FAKTY: Badania historyczne wskazują, że technologia szkła została
rzeczywiście odkryta w rejonie obecnego Iraku i Syrii.
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: Prace wykopaliskowe pozwoliły odnaleźć w północnym
Egipcie pozostałości fabryki szkła z roku 1250 p.n.e.
SZKŁO - 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
~ 900 p.n.e. – wprowadzenie przemysłu szklarskiego
do Syrii i Mezopotamii
~ 630 p.n.e. – pierwszy zachowany „podręcznik”
wytwarzania szkła (Asyria)
~ 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
SZKŁO - 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 (szkło ciągnione)
1967 – metoda odlewania szyb na stopionej cynie
1970 – produkcja włókien optycznych (światłowodów)
1983 – technologie sol-gel (soczewki gradientowe)
SZKŁO - historia
Czynniki, które decydują o właściwościach szkła:
- skład szkła;
- struktura;
- powierzchnia;
- cienkie warstwy nałożona na powierzchnię szkła
Skład chemiczny szkła
Głównym składnikiem wytwarzanego
obecnie szkła jest krzemionka (SiO2),
pozyskiwane z piasku kwarcowego.
Krzemionka tworzy rozbudowane
struktury przestrzenne, w których
prawie każdy atom krzemu łączy się z
czterema atomami tlenu, a prawie
każdy atom tlenu łączy się z dwoma
atomami krzemu.
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 fizykochemiczne.
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, ze takie szkło jest biorozpuszczalne (czas degradacji kilka
tygodni, nawet kilka dni).
SZKŁO - budowa
Model struktury szkła tlenkowego (Zachariesen, 1932)
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, a nie krawędziami ani ścianami;
4) Wielościany te tworzą trójwymiarową strukturę ciągłą.
W.H. Zachariesen (1932). „The Atomic Arrangement in Glass”. J. Amer. Chem. Soc. 54: 3841
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
szkło krzemianowe
kwarc
krystaliczny
Te same jednostki
strukturalne!
uporządkowanie
dalekozasięgowe
uporządkowanie
krótkozasięgowe
SZKŁO - budowa
 Inne pierwiastki w strukturze
szkła:
- Modyfikatory: te, które
przerywają
sieć
wielościanów (Na, Ca, Ba, K)
z liczbą koordynacyjną >6
- Stabilizatory sieci: te, które
ani nie tworzą ani nie
przerywają sieci (Al, Li, Zn,
Mg,
Pb)
–
liczba
koordynacyjna 4 i 6
Szkło wapienno-sodowe
SZKŁO - budowa
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.
SZKŁO – właściwości fizyczne
Lepkość szkła
SZKŁO – właściwości fizyczne
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.
SZKŁO – właściwości fizyczne
Kolor szkła zależy od wielkości klastrów metalicznych domieszek.
Źródłem koloru są tzw. plazmony powierzchniowe – kolektywne
oscylacje gazu elektronów swobodnych.
SZKŁO – właściwości fizyczne
Szkło ma bardzo duży moduł Younga.
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
SZKŁO – właściwości mechaniczne
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.
SZKŁO – właściwości mechaniczne
Fakty:
Wczesne
technologie
naczyń szklanych:
produkcji
SZKŁO – wytwarzanie
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.
SZKŁO – wytwarzanie
Wydmuchiwanie szkła w wersji automatycznej
SZKŁO – wytwarzanie
Prasowanie
SZKŁO – wytwarzanie
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.
SZKŁO – wytwarzanie
Wytwarzanie szyb
SZKŁO – wytwarzanie
Już
w
starożytności
Egipcjanie
i
Fenicjanie
rozpoczęli
poszukiwanie
sposobów na poprawienie
polepszenia przezroczystości
szkła...
Przed 1966 osiągnięto pewne
plateau
w
rozwoju
przezroczystości;
SZKŁO – przezroczystość
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.
SZKŁO – przezroczystość
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) Dodanie 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.
SZKŁO – inne parametry
Hartowanie szkła: Szkło wewnętrznie naprężone ma lepsze
właściwości mechaniczne: zewnętrzna powierzchnia zostaje ściśnięta,
wewnętrzna – rozciągnięta.
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 się ochładzają do
temperatury pokojowej, powierzchnia już jest
zimna i sztywna. Rozmiary nie mogą się
dopasować: wnętrze jest rozciągane przez
powierzchnię, a powierzchnia ściskana przez
wnętrze.
SZKŁO – inne parametry
Szkło używane do produkcji elementów optycznych powinno być
optycznie jednorodne – nazywamy tak stałość współczynnika
załamania we wszystkich jego punktach.
Różnica dróg optycznych, spowodowana
niejednorodnością szkła:
h   n  l
powinna spełniać tzw. warunek Rayleigha:
h

4
co daje ostatecznie warunek na niejednorodność n:
n 

4l
Przykład: dla soczewki o grubości l=10 mm dla światła o długości fali
λ=555 nm możemy dopuścić niejednorodność Δn=1,4·10-3.
SZKŁO – jednorodność
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 możliwa
teoretyczną zdolnością rozdzielczą przyrządu kontrolnego.
 Do pomiaru niejednorodności szkła wykorzystuje się ogólnie układy
kolimatorów z odpowiednimi testami zdolności rozdzielczej oraz
lunety.
SZKŁO – jednorodność
Metoda Teplera
Metoda Foucaulta
SZKŁO – jednorodność
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:
120"
0 
D
- dla otworu prostokątnego:
115"
0 
D
SZKŁO – jednorodność
Smugami nazywamy intensywne, miejscowe niejednorodności szkła, ostro
wyróżniające się współczynnikiem załamania od otaczającej je masy.
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 w płaszczyźnie obrazu.
SZKŁO – smużystość
Warunki techniczne na szkło optyczne przewidują trzy klasy
smużystości w zależności od ilości kierunków przeglądania badanego
bloku szkła oraz siedem kategorii, różniących się warunkami
badania.
Podstawą tej klasyfikacji jest metoda badania smużystości polegająca
na projekcji smug na ekran.
SZKŁO – smużystość
Widoczność smug na ekranie zależy od wielkości średnicy otworu
przesłony M i od odległości l2. Im mniejszy jest otwór 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.
SZKŁO – smużystość
W przypadku badania brył 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.
SZKŁO – smużystość
SZKŁO – smużystość
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.
SZKŁO – pęcherzowatość
SZKŁO – pęcherzowatość
SZKŁO – pęcherzowatość
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.
SZKŁO – dwójłomność
TO wynika z konkretnej metody pomiaru
TO jest normą dwójłomności
SZKŁO – dwójłomność
Na przepuszczalność gotowego przyrządu optycznego wpływa w
dużym stopniu ilości światła pochłoniętego w materiale (szkle). Ilość
pochłanianego światła p[rzez 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.
r0 – współczynnik odbicia na granicy szkłopowietrze
l – grubość próbki
t – współczynnik absorpcji szkła
SZKŁO – absorpcja
Pomiarów absorpcji dokonuje się zarówno w świetle skolimowanym
(o znanej zbiezności), jak i wiązce równoległej.
SZKŁO – absorpcja
Podział szkła na kategorie ze względu na współczynnik absorpcji:
Właściwy
obraz
absorpcji
światła
spektrofotometryczne dla różnych długości fali.
SZKŁO – absorpcja
dają
pomiary
Przy przejściu światła z jednego ośrodka do drugiego następuje na
powierzchni rozdzielającej oba ośrodki zjawisko częściowego
odbicia.
Przypomnienie: wzór Fresnela
 n2  n1 

R  
 n2  n1 
2
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.
SZKŁO – wsp. odbicia