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 уже давно используется нами практически ежедневно. Это особый вид стекла, предназначенный для производства прозрачных частей оптики, которая отвечает за формирование изображений.

Основная отличительная черта оптического стекла – однородность и прозрачность в сравнении с техническим стеклом. С одной стороны производство стекла – несложная задача, но выдвижение целого ряда требований нормативной литературой к производству стекла в значительной мере усложняет изготовление и удорожает процесс.

Основные свойства оптического стекла

Среди характеристик стекла стоит различать:

Показатель преломления – характеристика, определяющаяся парой спектральных линий, которые именуются «натриевый дублет»;

Средняя дисперсия – показатель, который определяется разностью характеристик преломления синей и красной линий спектра;

Коэффициент дисперсии – число, заданное соотношением характеристики преломления к показателю средней дисперсии.

Кроме бесцветного следует различать цветное и оптическое стекло для трансформации излучения. Из цветного стекла производятся абсорбционные светофильтры. Основное различие цветного оптического стекла от художественного или технического – высокий показатель оптической однородности.

Стекло для трансформации излучения делится на:

Фотохромные;
Генерирующие люминисцирующие;
Магнитно-оптические.

Для всех эти стекол характерно явление фото- и радиационного окрашивания и люминисценции.

Изготавливаются стекла для сферы оптического производства из неорганических и органических материалов.

Поэтому стоит различать основные виды оптического стекла:

Неорганическое;
Органика или, так называемое, оргстекло;
Минерало-органическое.

Основное отличие неорганического стекла – состав веществ, которые образуют материал. К ним относятся оксиды (TeO2, B2O3) и фториды (AlF3). К неорганическим стеклам относится и оптическое кварцевое стекло. Химическая формула его основной образующей всем знакома – SiO2 (кварцевый песок). Такое стекло может образоваться и в природе (попадание молнии в кварцевый песок), но оно не считается оптическим.

На производстве оптическое кварцевое стекло носит сокращенное наименование – кварц. Такое стекло обладает наименьшим показателем преломления и наибольшей характеристикой светопропускания.

Кварцу характерна высокая стойкость к термической обработке. Благодаря широкому диапазону прозрачности данный вид оптического стекла применяется в сфере телекоммуникаций (вспомните оптическое волокно). Современное производство оптических линз считает именно силикатное стекло незаменимым в изготовлении оптических систем разной сложности.

Силикатное стекло бывает:

Прозрачное. В свою очередь делится на оптическое и техническое. Оптическое стекло из кварцевого песка получается средством плавки горного хрусталя. Такой материал полностью однороден;

Непрозрачное. Цвет придается маленькими пузырьками газа, которые находятся внутри материала.

Кремниевое стекло также производится на базе Si, как и кварц, но отличается от него оптическими свойствами. Кремний – один из наиболее востребованных материалов, которые служит основой для производства оптических агрегатов и деталей.

В некоторых случаях кремниевые элементы просто незаменимы. Так, они способны пропускать ИК излучение и преломлять Х-лучи. Другие материалы не способны настолько эффективно работать в столь широком диапазоне, как оптические стекла на основе кварца.

Оптическое органическое стекло

Органическое стекло (ПММА) – синтетический материал полимерной группы. Оргстекло – прозрачный, твердый в меру хрупкий материал, относящийся к классу термопластов. Материал нередко применяется в качестве замены кварцевому стеклу.

Особенности ПММА:

Материал устойчив к агрессивным факторам окружающей среды (повышенное влагосодержание, пониженные температуры);

Оргстекло – значительно мягче в сравнении с техническим стеклом и довольно чувствительно к механическим повреждениям (удары, царапины);

Данный вид оптического стекла гораздо проще поддается обработке, даже обычным металлорежущим инструментом;

Его удобно применять при резке лазером, что, несомненно, играет ключевую роль в гравировке;

Эффективно отражает инфракрасные лучи, но ультрафиолет проходит сквозь него. Рентгеновское излучение также проходит сквозь оргстекло;

Материал плохо противостоит спирту, ацетону;

Отличная прозрачность, с которой может сравниться только кварц;

Безопасный материал в силу своей безосколочности;

Высокая стойкость к воздействию воды;

Легко обрабатывается при нагревании.

В отличие от минерального стекла полимерное оргстекло обладает повышенной устойчивостью к агрессивным условиям, но при этом обладает довольно хорошими оптическими характеристиками.

Поэтому, оргстекло нашло широкую область применения во многих сферах деятельности:

Научно-исследовательские работы;
Медицина;
Изготовление оптических агрегатов;
Строительство.

Минерало-органическое стекло. Оптические свойства стекла позволили применять материал в сегменте офтальмологии. Яркий пример – контактные линзы. Мягкие линзы производятся из материалов, которые обладают бифазной структурой.

Линзы из оптического стекла

Процесс изготовления линз из оптического стекла довольно сложный, требует определенных знаний и навыков.

Процесс изготовления линз можно описать в нескольких пунктах:

Подготовка сырья;
Расплавления материала, получение исходной смеси;
Процесс варения стекла;
Заливка расплавленного материала в формы (заготовки);
Остывание материала (данный этап наиболее продолжительный, в некоторых случая может потребоваться несколько месяцев);
Механическая обработка остывшего стекла;
Нанесение специального покрытия.

Чтобы продукт получился качественным, к нему ставится ряд требований. Смесь должна быть гомогенной, без добавок (газов), что обеспечивает линзам полную чистоту.

Однородность – один из главных показателей для оптического стекла. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.

Однородность материала значит, что коэффициент преломления стекла будет равным во всех точках. Изотропность материала – свойство, обеспечивающее одинаковые физические параметры стекла во всех направлениях.

Многие компании, занимающиеся производством фотографических агрегатов, самостоятельно разрабатывают свои методики изготовления оптических материалов, техники нанесения специальных покрытий на стекло.

Характеристики оптического стекла

Современные технологии позволяют зарубежным и отечественным производителям создавать материалы с невероятными характеристиками.

Самый распространенный материал в оптике – бесцветное оптическое стекло. Ассортимент материала постоянно расширяется, номенклатура растет не по годам. Это позволяет выбрать наиболее подходящее стекло для определенных нужд в той или иной сфере применения оптического материала.

Бесцветное оптическое стекло производится в трех сериях (0, 100 и 200). Стекла с маркировкой «0» пригодны для производства деталей и аппаратов, которые используются в обычных условиях. Стекла серии «100» применяются в изготовлении деталей, которые будут работать при незначительном ионизирующем излучении. А оптика класса «200» широко востребована в изготовлении агрегатов, основная задача которых – работа в условиях интенсивного излучения.

Независимо от серии, выпущенные стекла могут иметь разный химический состав. Поэтому на производстве каждому виду оптического стекла присваивается свой номер (марка). Наименование материала состоит из букв и цифр. Буквы значат принадлежность к определенному типу оптического материала.

Стоит отметить, что в связи с показателем дисперсии были введены два типа стекол для оптики:

Кроны – представляют собой стекла с низким коэффициентом преломления, но высоким показателем дисперсии. Как правило, это силикатные стекла;

Флинты – маленькое значение дисперсии, но высокий показатель преломления. Обычно в класс флинтов относят стекла с содержанием плюмбума (свинца).

На современном этапе производство оптических материалов выделяет класс кронфлинтов. Это промежуточная группа между вышеупомянутыми оптическими стеклами.

Также в оптике упоминаются так называемые «особые» стекла. Основное отличие таких материалов – независимые друг от друга показатель преломления и значение дисперсии. Обе характеристики могут быть высокими или низкими в одном оптическом материале, что до недавнего времени противоречило всем канонам оптики.

Производство оптических материалов жестко регламентируется. Стекло оптическое ГОСТ 3514-94 – ныне действующий документ, который распространяется на бесцветные и неорганические материалы для оптики. Нормативным документом предусматривается урегулирование производства заготовок с диаметром не более 500мм. Данный ГОСТ действует в совокупности с другим нормативным документом – ГОСТ 13240, предусматривающим выпуск продукции для экспорта и нужд экономики государства.

Стекло оптическое ГОСТ 13659-78 охватывает производство оптических бесцветных материалов, стандартизирует физические и химические свойства и прочие параметры стекол.

Нормативная литература способна полностью урегулировать процесс производства оптики, поэтому беспокоиться о качестве продукции отечественных производителей не стоит.

Производство оптических стекол

Оптические стекла играют важную роль на современном этапе развития человечества. Производство таких материалов – важная и ответственная задача, которая под силу лишь профессионалам. Как правило, стекло для оптических аппаратов изготавливается методом варки. Довольно широко применяются экструзионный метод и технология литья.

Варение стекла происходит в предназначенных для этой задачи огнеупорных горшках из шихты (смеси исходных материалов). Эти горшки со смесью помещаются в специальную печь для варения стекла.

Нередко в шихту включают стеклобой. Суммарное содержание битого стекла не должно превышать 40%. При этом стеклобой должен обладать таким же составом, что и исходный продукт.

Т.е. при варке кварца битое стекло тоже должно быть силикатным. Производство оптического стекла протекает с использованием спецоборудования - водородных горелок.

Сотрудники компании тщательно перемешивают смесь до гомогенного состояния. Процесс проводится непрерывно с помощью специального керамического прибора. В это же время несколько раз берутся пробы сырья для контроля качества.

Одним из самых важных этапов варки считается осветление. Процесс протекает сам по себе посредством выделения газов при варке оптического стекла с добавлением осветителей.

После этого огнеупорные горшки достаются из печи. Смесь, находящая в них, медленно охлаждается. Обычно, охлаждение длится 6-8 дней, но случается так, что процесс затягивается на несколько месяцев.

Из-за того, что горячая смесь остывает неравномерно, стекло трескается. Его осколки тщательно сортируются, пристально осматриваются и отбираются пригодные для дальнейшей обработки куски.

Чтобы сократить время на производство оптического стекла, предприятия перед механической обработкой прессуют отобранные осколки в небольшие плиты.

Пресс работает с нагретым до 500 градусов Цельсия материалом. В дальнейшем стекло снова поддается медленному охлаждению. Процесс остывания проходит в электрических печах, носит название «отжиг». Далее проводится контроль качества, обнаружение дефектов.

При варке цветного стекла в смесь добавляются вещества, в составе которых высокое содержание золота, меди, селена или другого цветного металла.

Способ заливки применяется в производстве органического стекла. Однородную смесь с отвердителями и красителями (мономер) заливают между пластинами из кварцевого стекла. В это время происходит полимеризация материала, которая имеет продолжительность до получения готового листового органического стекла. Современные технологии позволяют получать оргстекло с необходимыми параметрами.

Экструзионный способ также применяется для изготовления полимерного стекла. Технологический процесс проходит непрерывно на специальных экструзионных линиях. Это обусловлено автоматизацией производства. С помощью технологии можно получить листы высокого качества с заданными параметрами. Как правило, толщина листового стекла после производства на линии экструзирования от 1,8мм до 10мм.

Заводы по производству оптического стекла

Современное производство оптического стекла заняло свою нишу на мировой арене. Индустрия хорошо развита во многих странах Европы, Америки, СНГ. Зарубежные и государственные компании ежегодно вносят свой вклад в развитие сегмента изготовления оптических материалов.

Среди множества производителей стекла для оптических аппаратов, лишь немногие достойны называться лучшими. Конечно же, можно выпускать качественный товар, но не получить признание на мировом уровне. Главное, чтобы продукция была качественной и отвечала всем государственным и международным стандартам.

Одним из немногих производителей, которые заслужили мировое признание, стал Ленинградский завод оптического стекла. Предприятие работает еще со времен царской России.

Историческое предприятие было основано в рамках фарфорового завода и считалось изначально всего лишь одним из производственных цехов. На сегодня завод прекратил свое существование, но его правопреемником считается ГОИ – Государственный оптический институт.

Лыткаринский завод оптического стекла – один из самых крупных производителей оптического стекла в стране. Это уникальное предприятие широкого профиля, которое добилось успеха в сфере производства стекла. Оптическая индустрия РФ во многом обязана именно этому предприятию.

Лыткаринский завод оптического стекла – одна из немногих компаний, которые обеспечивают обороноспособность государства. Завод смог добиться высочайшего качества продукции, за что он признан на мировой арене оптической индустрии.

ОАО ЛЗОС также имеет хорошую научно-техническую базу. На производстве разрабатываются новые виды оптических материалов, методики изготовления.

Все производство предприятия делится на три отрасли:

Изготовление оптического стекла путем варки, производство заготовок в т.ч. компонентов для волоконно-оптических систем;

Механическая и химическая обработка деталей, изделий;

Производство специальных приборов (механических и электрических) для разных отраслей, в т.ч. космического и массового применения.

Производитель ценится за многолетний опыт в отрасли. Именно благодаря опыту и современному оборудованию ЛЗОС выпускает более 250 наименований продукции для использования в оптике.

Производитель осуществляет поставки цветного и бесцветного стекла как государственным предприятиям, так и компаниям Европы, Азии, СНГ и Америки. Довольно широко представлен выпуск оптического стекла с особыми характеристиками.

Гордостью завода считается изготовление и поставка приборов ночного видения, объективов авиационного назначения и космического оборудования из оптических линз крупных габаритов.

Благодаря современным разработкам и техническому оснащению компания еще в середине 90-х вышла на мировую арену. А вначале 2000-х компания взялась за более чем 20 крупных международных проектов.

Компания Флюорит – одно из самых известных предприятий по производству оптического стекла на просторах РФ. Завод оптического стекла известен качеством оптических линз, призм и микрооптики. Высокоточные оптические элементы – основа работы завода.

Производитель изготавливает зеркала для большого ассортимента аппаратов:

Лазерное оснащение;
Анализаторы состава газа;
Детекторы;
Оборудование для изучения экологии и др.

Продукция компании «Флюорит» с успехом эксплуатируется организациями и научно-исследовательскими центрами по всему миру. Особенность предприятия в том, что оно берется за производство крупных партий товара (более 1 тыс. единиц) и мелких заказов (от 1 шт.)

Качество продукции «Флюорит» полностью соответствует стандартам и требованиям международного уровня. Основные заказчики компании – крупные производители оптических приборов. Как показывает практика более успешно использование продукции производителя в изготовлении электронных приборов.

В целом же многие российские предприятия могут похвастаться достижениями на региональном уровне, но основной показатель востребованности и качества – выход на международный уровень.

Светопропускании (прозрачность) - именно это свойство ценилось людьми и ранее и сейчас.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др.

Источником света и тепла на Земле является Солнце - раскаленное до 6000 К небесное тело, от которого исходят электромагнитные волны - солнечное излучение. Диапазон длин волн солнечного излучения, проходящего через атмосферу и оказывающего воздействие на земную поверхность, составляет 300-2500 нм, при этом интервал 300-380 нм соответствует ультрафиолетовому излучению (УФ), интервал 380-760 нм - видимому свету и интервал 760-2500 нм - инфракрасному, или тепловому, излучению (ИК).

Излучение, попадающее на стекло, частично проходит сквозь него 85-90%, частично отражается от его поверхности около 8% и частично поглощается 1% (2-7%). (прозрачное листовое стекло толщиной 4 мм (в зависимости от марки стекла)).

УФ и ИК излучение до 2500 нм проходит сквозь стекло лишь частично (примерно 75 и 80% соответственно), а при длинах волн больше 2500 нм поглощается практически полностью.

Обычные стекла пропускают до 70% вредных УФ лучей, которые вызывают выцветание ковров, занавесей, картин и мебели. Стекла с низкоэмиссионными покрытиями уменьшают до некоторой степени вредное влияние УФ, хотя даже лучшие из таких стекол пропускают большую часть этого излучения. Защита от УФ лучей особенно важна для витрин магазинов с одеждой, мебелью и другими подверженными выцветанию изделиями, а также в остеклении библиотек, художественных галерей и музеев. Популярное заблуждение приписывается УФ лучам, проходящим через окна. Их бактерицидные свойства не имеют никакого научного обоснования. Фактически только высокие дозы жесткого УФ облучения, которые достигаются при длительном облучении кварцевыми лампами, могут очистить помещение от некоторых видов бактерий. Остальная частьУФ поглощается. Кварцевое стекло прозрачно в УФ области, частично прозрачно в ИК области.

УФ длина волны 280-400нм.

Оконное стекло практически полностью задерживает дальний 100–200 нм, средний ультрафиолет и коротковолновую часть ближнего 200–380нм, но довольно неплохо пропускают длинноволновую часть ближнего ультрафиолета.

Обыкновенное оконное стекло сильно задерживает ультрафиолетовые лучи. Это видно из таблицы прохождения ультрафиолетового излучения через оконное стекло толщиной 2 мм (по Леману):нм ……………………………………..380 360 340 320 300 280 260

Пропускание в %% для стекла 88 82 62 22 2 0 0

Качественное сравнение свойств кварца и технических стекол

Пропускаемость ультрафиолетовых лучей

Кварцевое стекло - Очень хорошее

96%-ное Si-O2-стекло - Хорошее

Боросиликатное - Среднее

Свинцовое - Плохое

Известково-натриевое – Плохое

ЗА УФ идет рентгеновское излучение.

Традиционные очковые линзы из CR-39 прозрачны для УФ-излучения от 350 нм (кривая 3), а их светопоглощение на границе УФ-диапазона составляет 55% (см. табл.).

ИК поглощает. Тепловизор определяет температуру стекла, а не горячей батареи за ней.

Если спираль нагревательный элемнент поместить в колбу или трубку из кварцевого стекла, то граница для беспрепятственного прохождения инфракрасных волн сдвигается до 3.3 мк.

Поглощенное излучение возвращается стеклом во внешнее и внутреннее окружающее пространство путем конвекции и в виде вторичного теплового излучения. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.

Уровень поглощения определяет способность стекла к теплопередаче: чем больше стекло поглощает, тем больше оно передает (возвращает) в пространство и тем хуже его теплоизоляционные свойства.

Обычные силикатные стекла, кроме специальных пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Показатель преломления строительного стекла (1,50-1,52) определяет силу отраженного света и светопропускание стекла в разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50 %.

Рассеяние света - это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.

Почему стекло прозрачно….

Недостатки стекла. Химическая, термическая и химико-термическая обработка стекла.

Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главным показателем, определяющим его свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Хрупкость - главный недостаток стекла.

Хрупкость - типичное свойство стекла, разрушение которого не сопровождается пластической деформацией при различных способах механического нагружения, в том числе при динамическом и статическом.

Хрупкость - состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается.

Обычно мерой хрупкости считают сопротивление нагрузкам (удару). Предел прочности стекла при ударе характеризуется суммарной работой ударов, вызывающих разрушение единицы объема стекла. Предел прочности при ударе зависит от состояния поверхности, толщины образца, степени отжига и от удельной вязкости (химического состава) стекла.

Проявление хрупкости у материалов является следствием сочетания нескольких факторов.

Главнейшие из них: низкое значение отношения прочности материала при растяжении к его модулю упругости (для стекла 7.5-10) и высокая скорость и отсутствие препятствий для распространения трещин.

Основной показатель хрупкости - отношение модуля упругости к прочности при растяжении Е/Яр. У

стекла оно составляет 1300… 1500 (у стали 400. ..460, каучука 0,4…0,6).

Оптические свойства стекол связаны с характерными особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Именно оптические свойства определяют красоту и своеобразие декоративной обработки стеклоизделий.

Преломление и дисперсия характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его строения. Преломление света - это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения.

На рис. 6 представлен путь луча при прохождении его через плоскопараллельную стеклянную пластину. Падающий луч образует углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то i - угол падения, r - угол преломления (на рисунке i>r, потому что в воздухе скорость распространения световых волн больше, чем в стекле, в данном случае воздух является средой оптически менее плотной, чем стекло).

Преломление света характеризуется относительным показателем преломления - отношением скорости света в среде, из которой свет падает на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления определяется из соотношения n=sin i/sin r . Относительный показатель преломления не имеет размерности, и для прозрачных сред воздух - стекло всегда больше единицы. Например, относительные показатели преломления (по отношению к воздуху): воды- 1,33, хрустального стекла - 1,6, - 2,47.

Рис. 6. Схема прохождения луча через плоскопараллельную стеклянную пластину

Рис. 7. Призматический (дисперсионный) спектр а - разложение луча света призмой; б- диапазоны цветов видимей части

Дисперсия света - это зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны). Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны.

Вследствие дисперсии пучок света, проходящий сквозь призму из стекла, образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу - призматический (дисперсионный) спектр (рис. 7,а). В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. 7,6).

Причиной разложения света (дисперсии) является зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны): чем выше частота света (короче длина волны), тем выше показатель преломления. В призматическом спектре наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, а наименьшей частотой и наибольшей длиной волны - красные лучи, следовательно, фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные.

Показатель преломления и дисперсия зависят от состава стекла, а показатель преломления - и от плотности. Чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, Sb 2 O 3 , PbO, BaO, ZnO и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO 2 - снижает. Дисперсия возрастает при введении Sb 2 O 3 и PbO. СаО и ВаО сильнее влияют на показатель преломления, чем на Дисперсию. Для производства высокохудожественных изделий, сортовой посуды, подвергающихся шлифованию, используют в основном стекла, содержащие до 30 % PbO, так как PbO значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.

Отражение света - явление, наблюдаемое при падении света на поверхность раздела двух оптически разнородных сред и состоящее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхности раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна. Отражение характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему.

От поверхности стекла отражается около 4 % света. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей (алмазная резьба, гранение).

Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, если неровности больше длины волны - диффузное отражение, при котором свет рассеивается поверхностью по всевозможным направлениям. Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны. Селективным отражением объясняется окраска непрозрачных тел.

Рассеяние света - явление, наблюдаемое при распространении световых волн в среде с беспорядочно распределенными неоднородностями и состоящее в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям.

В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в толще стекла равномерно распределены неоднородности (кристаллы, включения), то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния и поэтому такое стекло непрозрачно.

Пропускание и поглощение света объясняется следующим. При прохождении пучка света интенсивностью I 0 через прозрачную среду (вещество) интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий из среды пучок света будет иметь интенсивность I< I 0 . Ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды.

Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла, которая для бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла составляет примерно 93%. Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла (табл. 2), который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной.

Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в инфракрасной области - для технологических процессов варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), в ультрафиолетовой - для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные - задерживать).

Двойное лучепреломление - раздвоение луча света при прохождении через оптически анизотропную среду, т. е. среду с различными свойствами по разным направлениям (например, большинство кристаллов). Это явление происходит потому, что показатель преломления зависит от направления электрического вектора световой волны. Луч света, входящий в кристалл, разлагается на два луча - обыкновенный и необыкновенный. Скорости распространения этих лучей различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода лучей, нм/см.

При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникают внутренние напряжения, вызывающие двойное лучепреломление, т. е. стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например кварца, слюды, гипса. Это явление используется для контроля качества термической обработки стекла, главным образом отжига и закалки.