Показатель преломления стекла

Содержание:

Показатель преломления стекла и его измерение

Стекло — это твердый прозрачный материал, имеющий аморфную структуру. Промышленное производство стекла осуществляется в виде ряда сортов. Каждый из них имеет свой показатель преломления, который колеблется от 1,5 до 1,9.

Определение этой величины для стекла легко осуществить в лабораторных условиях. Для этого необходимо иметь лампу, собирающее оптическое стекло, набор диафрагм, диск с делениями до долей градуса и образец исследуемого стекла в форме полуцилиндра.

Эксперимент выполняется в следующей последовательности:

  1. Лампа устанавливается в фокусе собирающей линзы. Затем ее включают и при помощи диафрагм добиваются узкого светового пучка.
  2. Диск с делениями располагают горизонтально за линзой так, чтобы луч света проходил над его поверхностью через центр.
  3. Кладут стеклянный полуцилиндр на диск таким образом, чтобы его плоская боковая поверхность совпадала с диаметром диска.
  4. Поворачивают диск на различные углы и измеряют углы падения и преломления луча.
  5. Обрабатывают измеренные результаты, используя формулу Снелла, и полагая, что показатель преломления света в воздухе равен единице.

Ниже на рисунке приведены два различных случая положения полуцилиндра на диске относительно падающего луча.

Левый рисунок соответствует преломлению «воздух-стекло», правый — «стекло-воздух». Стоит отметить, что при пересечении границы двух сред через цилиндрическую поверхность преломления не происходит, поскольку луч света падает перпендикулярно на нее (вдоль радиуса).

Создание специальной отрасли — производства оптического стекла[править]

Основная статья: Точная механика и оптика

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 (SiO2), 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.

Полноценное внутреннее отражение

Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение.

Явление полноценного отображения

Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами. В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление. Без него невозможно было сделать волоконную оптику.

Абсолютный показатель

Абсолютный показатель преломления зависит от марки стекла, так как на практике имеется огромное количество вариантов, отличающихся по составу и степени прозрачности. В среднем он составляет 1,5 и колеблется вокруг этого значения на 0,2 в ту или иную сторону. В редких случаях могут быть отклонения от этой цифры.

Опять-таки, если важен точный показатель, то без дополнительных измерений не обойтись. Но и они не дают стопроцентно достоверного результата, так как на итоговое значение будет влиять положение солнца на небосводе и облачность в день измерений. К счастью, в 99,99% случае достаточно просто знать, что показатель преломления такого материала, как стекло больше единицы и меньше двойки, а все остальные десятые и сотые доли не играют роли.

На форумах, которые занимаются помощью в решении задач по физике, часто мелькает вопрос, каков показатель преломления стекла и алмаза? Многие думают, что раз эти два вещества похожи внешне, то и свойства у них должны быть примерно одинаковыми. Но это заблуждение.

Максимальное преломление у стекла будет находиться на уровне около 1,7, в то время как у алмаза этот показатель достигает отметки 2,42. Данный драгоценный камень является одним из немногих материалов на Земле, чей уровень преломления превышает отметку 2. Это связано с его кристаллическим строением и большим уровнем разброса световых лучей. Огранка играет в изменениях табличного значения минимальную роль.

Закон преломления света

Падающий и преломленный луч лежат в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для двух сред.

Вследствие преломления света объекты на дне водоема кажутся ближе, чем они есть на самом деле, звезды на небосводе кажутся выше, чем они есть на самом деле.

Законы отражения и преломления света обусловливают многие явления в нашей жизни.

Если мы возьмем кусок стекла с параллельными гранями, например, оконное стекло, то получим незначительное смещение изображения, видимого сквозь окно. То есть, войдя в стекло, лучи света преломляться, а попадая снова в воздух, вновь преломляться до прежних значений угла падения, только при этом немного сместятся, причем величина 

смещения будет зависеть от толщины стекла.

 Возьмем стекло, плоскости которого будут расположены друг к другу наклонно, например, призму, то эффект будет совсем иным. Лучи, проходящие сквозь призму, 

всегда преломляются к ее основанию. Это несложно проверить. Для этого нарисуем треугольник, источник света и начертим входящий в любую из его боковых сторон луч. Пользуясь законом преломления света, проследим дальнейший путь луча. Проделав эту процедуру несколько раз под разными значениями угла падения, мы выясним, что под каким бы углом не входил луч внутрь призмы, с учетом двойного преломления на выходе он все равно отклонится к основанию призмы.

Описание

Показатель преломления, как абсолютный, так и относительный (см. ниже), равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления (см. Закон преломления света), и зависит от природы (свойств) вещества и длины волны излучения; для некоторых веществ показатель преломления достаточно сильно меняется при изменении частоты электромагнитных волн от низких частот до оптических и далее, а также может ещё более резко меняться в определённых областях частотной шкалы. По умолчанию обычно имеется в виду оптический диапазон или диапазон, определяемый контекстом.

Существуют оптически анизотропные вещества, в которых показатель преломления зависит от направления и поляризации света. Такие вещества достаточно распространены, в частности, это все кристаллы с достаточно низкой симметрией кристаллической решётки, а также вещества, подвергнутые механической деформации.

Показатель преломления можно выразить как корень из произведения магнитной и диэлектрической проницаемостей среды

n=με{\displaystyle n={\sqrt {\mu \varepsilon }}}

(надо при этом учитывать, что значения магнитной проницаемости μ{\displaystyle \mu } и диэлектрической проницаемости ε{\displaystyle \varepsilon } для интересующего диапазона частот — например, оптического, могут очень сильно отличаться от статических значений этих величин).

В поглощающих средах диэлектрическая проницаемость содержит мнимую компоненту ε^=ε1+iε2{\displaystyle {\boldsymbol {\hat {\varepsilon }}}=\varepsilon _{1}+i\varepsilon _{2}}, поэтому показатель преломления n^=με^{\displaystyle {\boldsymbol {\hat {n}}}={\sqrt {\mu {\boldsymbol {\hat {\varepsilon }}}}}} становится комплексным: n^=n+ik{\displaystyle {\boldsymbol {\hat {n}}}=n+ik}. В области оптических частот, где μ=1{\displaystyle \mu =1}, действительная часть показателя преломления n=ε1+ε12+ε222{\displaystyle n={\sqrt {\frac {\varepsilon _{1}+{\sqrt {\varepsilon _{1}^{2}+\varepsilon _{2}^{2}}}}{2}}}} описывает, собственно, преломление, а мнимая часть k=ε22n{\displaystyle k={\frac {\varepsilon _{2}}{2n}}} —- поглощение.

Падение и преломление лучей (волн) света

По закону преломления волн преломлённый луч BC{\displaystyle BC} содержится в одной плоскости с падающим лучом AB{\displaystyle AB}, каковой падает на поверхность раздела сред, и нормалью N{\displaystyle N} в точке падения B{\displaystyle B}, а отношение синуса угла падения θ1{\displaystyle \theta _{1}} к синусу угла преломления θ2{\displaystyle \theta _{2}} равно отношению скоростей распространения v1{\displaystyle v_{1}} и v2{\displaystyle v_{2}} волн в этих средах. Это отношение является постоянным для данных сред и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Обозначая его как n21{\displaystyle n_{21}}, получаем, что выполняется:

n21=v1v2,{\displaystyle n_{21}={\frac {v_{1}}{v_{2}}},}

где v1{\displaystyle v_{1}} и v2{\displaystyle v_{2}} — фазовые скорости света в первой и второй средах соответственно.

Аналогично, для относительного показателя преломления первой среды относительно второй n12{\displaystyle n_{12}} выполняется:

n12=v2v1,{\displaystyle n_{12}={\frac {v_{2}}{v_{1}}},}

Очевидно, что n12{\displaystyle n_{12}} и n21{\displaystyle n_{21}} связаны соотношением:

n12n21=1.{\displaystyle n_{12}n_{21}=1.}

Относительный показатель преломления, при прочих равных условиях, обычно меньше единицы при переходе луча из среды более плотной в среду менее плотную, и больше единицы при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную (например, из газа или из вакуума в жидкость или твёрдое тело). Есть исключения из этого правила, и потому среду с относительным показателем преломления, бо́льшим единицы, принято называть оптически более плотной, чем другая (не путать с оптической плотностью как мерой непрозрачности среды).

Луч, падающий из вакуума на поверхность какой-нибудь среды, преломляется сильнее, чем при падении на неё из другой среды; показатель преломления среды, соответствующий лучу, падающему на неё из вакуума, называется абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления; это и есть показатель преломления, определение которого дано в начале статьи. Абсолютный показатель преломления любого газа, в том числе воздуха, при обычных условиях мало отличается от единицы, поэтому приближенно (и со сравнительно неплохой точностью) об абсолютном показателе преломления исследуемой среды можно судить по её показателю преломления относительно воздуха.

Для измерения показателя преломления используют ручные и автоматические рефрактометры.

Оптическая плотность веществ

Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры). Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух.
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах. Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:

Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое.

Свойства стёколПравить

Таблица основных характеристик оптических стеколПравить

Свойства и единицы измерения

Неорганическое стекло

Неорганическое стекло

(стёкла и плосковыпуклые линзы на базе однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения, стойкие к Х-излучению).

Неорганическое стекло

(оптическое ситалловое)

Минералоорганическое стекло

(на базе кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля)

Плотность

(г/куб.см)

2,52 2,33 2,53 1,19 1,19
Нормируемая

длина волны
(λ нм, мкм)

488.1 — 656.3 нм 1 — 7 мкм 1 — 7 мкм 488.1 — 656.3 нм 488.1 — 656.3 нм
Средний Коэфф.

преломл.
(nD)

~1,52 ~3,44 ~1,554 ~1,45 ~1,4
Прозрачность

(поглощение)
света в (%)

97 — 99 до 80 93 — 95 92 — 93 91 — 92

Производство нерганического оптического стеклаПравить

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

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. 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.

Дефекты оптического неорганического стекла Править

К недостаткам оптического стекла относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и натяжения.

  • Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.
  • Дымки́ имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.

Карта дефектов нужна для того, чтобы решить, каким образом обрабатывать данную заготовку в дальнейшем.

Оптические стёкла ситалловыеПравить

Основная статья: Ситаллы

Оптическое стекло на базе фотоситаллов получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Они находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).

Какие методы определения концентрации веществ в р-ре используют в атомно-абсорбционном анализе?

Основными узлами рефрактометра являетсяпризменный блок, состоящий из измерительнойи осветительной призм. Зеркала, с помощьюкоторых работающий на приборе направляетсвет на осветительную призму.

Винткомпенсатора дисперсии света, такжевинт поворота призмы, а также отсчетноеустройство откалиброванное на величинеn.

Все манипуляциипроводящиеся на приборе, наблюдательсмотрит через экран через акулярзрительной трубы.

64. От каких факторов зависит показатель преломления

Показательпреломления зависит от :

  1. природы вещества. От состава и строения его молекул.

  2. От температуры. При повышении температуры показатель преломления уменьшается, т.к. при этом уменьшается и плотность исследуемого раствора. А при понижении температуры показатель преломления увеличивается и плотность повышается.

  3. От длины волны света.

  4. От давления.

  5. От концентрации вещества в растворе и природы растворителя.

65 вопрос-нет

66 вопрос

вчем сущность явления полного внутреннегоотражения

Полноевнутреннее отражение — внутреннееотражение, при условии, что угол паденияпревосходит некоторый критическийугол. При этом падающая волна отражается

полностью, и значение коэффициентаотраженияпревосходит его самыебольшие значения для полированныхповерхностей. Коэффициент отраженияпри полном внутреннем отражении независит отдлиныволны.

67 вопрос

Принципметода поляриметрии.

Поляриметрия— это оптический метод исследования,основанный на способности оптическиактивных соединений вращать плоскостьколебания линейно поляризованногосвета.

Поляриметрия —методы физических исследований, основанына измерении степени поляризации светаи угла поворота плоскости поляризациисвета при прохождении его через оптическиактивные вещества. Угол поворота врастворах зависит от их концентрации;поэтому поляриметрия широко применяетсядля измерения концентрации оптическиактивных веществ.

68 вопрос

Устройствополяриметров.

Поляриметр (полярископ, —только для наблюдения) — прибор,предназначенный для измерениястепени поляризациичастичнополяризованного света илиоптическойактивностипрозрачных и однородныхсред, растворов (сахарометрия)и жидкостей.

Устройство

Посколькусуществует масса различных областейприменения, то конструкции поляриметровмогут отличаться, но ключевые элементыодинаковы.

Источниксвета — чаще это натриеваялампаилилампанакаливанияс тепловым экраномдля защиты образца отИКизлучения(для твердых деталейважно избегать термических деформаций,для жидкостей — градиента плотности)и матовым стеклом, дающим равномернуюзасветку наблюдаемой области. Светофильтр—элемент, выделяющий определенную областьв спектре, так как наблюдать приходитсямонохроматический свет

Таким элементомможет быть пластина из фильтрующеговещества или призма

Светофильтр—элемент, выделяющий определенную областьв спектре, так как наблюдать приходитсямонохроматический свет. Таким элементомможет быть пластина из фильтрующеговещества или призма.

Двух поляризатороврасположенныхпо обе стороны от анализируемого образца.Часто один из них этополяроид,а второй либо поляроид, либопризмаНиколя.

Измерительноеустройство — лимбилиэлектронныйдатчик.

69 вопрос

Чтотакое поляризованный свет.

Поляризованныйсвет- такой свет, который осуществляетколебания в одной, строго Определеннойплоскости. Его можно получить Пропустивлуч света через призму поляризатора,который представляет собой соответствующимобразом подготовленный Кристаллисландского шпата.

70 вопрос

Откаких факторов зависит угол вращенияплоскости поляризации.

Вращениеплоскости поляризации можно наблюдатьна следующем опыте: Если между скрещеннымиполяризаторомианализатором,дающимитемное поле зрения, поместить оптическиактивное вещество (например, кювету сраствором сахара), то поле зренияанализатора просветляется.

При поворотеанализатора на некоторый угол можновновь получить темное поле зрения.Угол иесть угол, на который оптически активноевещество поворачивает плоскостьполяризации света, прошедшего черезполяризатор.

Так как поворотом анализатораможно получить темное поле зрения, тосвет, прошедший через оптически активноевещество, является плоскополяризованным.

Абсолютный показатель — преломление — среда

Абсолютный показатель преломления среды, как отмечалось в § 16.5, определяется относительно вакуума.

Абсолютным показателем преломления среды называется показатель преломления этой среды относительно вакуума. Он показывает, во сколько раз скорость света в среде меньше скорости света в вакууме: п с / и, где с — скорость света в вакууме; v — скорость света в данной среде.

В определении абсолютного показателя преломления среды первой средой является вакуум.

Что называют абсолютным показателем преломления среды. Какая формула устанавливает это понятие.

Что называется абсолютным показателем преломления среды.

В чем заключается физический смысл абсолютного показателя преломления среды.

Показатель преломления относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления среды. Величина п зависит от длины волны.

При постоянных значениях длины волны, абсолютного показателя преломления среды пс и концентрации частиц величина коэффициента рассеяния среды является функцией диаметра частиц и показателя преломления вещества частиц относительно среды п, равного отношению абсолютных показателей преломления вещества частиц и среды. При постоянном показателе п величина коэффициента рассеяния проходит через максимум при определенном значении фазового сдвига р, соответствующем оптимальному размеру частиц.

Ход монохроматических лучей в призме.| Основные элементы тонкой линзы.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления среды. Числовое значение п зависит от длины волны.

К закону преломления.

Показатель преломления п среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления среды.

Показатель преломления данной среды по отношению к воздуху называется абсолютным показателем преломления среды или просто показателем преломления.

Числовой апертурой объектива называется величина nsin, где п — абсолютный показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, а 2гр — апертурный угол, то есть угол, под которым диаметр входного зрачка виден из точки пересечения главной оптической оси прибора с плоскостью предмета.

Полученный результат показывает, что двояковыпуклая линза является собирающей, если абсолютный показатель преломления среды, окружающей линзу, меньше абсолютного показателя преломления вещества линзы, или рассеивающей, если абсолютный показатель преломления среды больше абсолютного показателя преломления вещества линзы.

Оптические стёкла из неорганических материалов[править]

Кварцевое стеклоправить

Основная статья: Кварцевое стекло
Основная статья: Линзы из кварца

Плоско-выпуклая линза

Линзы, получаемые из оптического кварцевого стекла, обладают рядом дополнительных оптических свойств, необходимых для специальных, прецизионных оптических систем, по сравнению с основной группой линз из природного кварца, применяемых в области видимого участка электромагнитного спектра и отличаются:

  • Наименьшим среди стёкол на основе SiO2 показателем преломления (nD = 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 106 Гц — 0,0025—0,0006.

Стёкла из кремнияправить

Основная статья: Линза из кремния

Основная статья: Оптические элементы из кремния

Линза из кремния для преломления Х-лучей

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 nD = 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 nD=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 германияправить

Основная статья: Германий

Германий в виде диоксида GeO2 находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.

Свойства оптического стекла из GeO2править

  • 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 оптическом микроскопе.

Составы на основе диоксида кремния и диоксида германия («кварц-германий») используется как оптический материал для оптоволокон и 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 получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector