OPTYKA INSTRUMENTALNA

Transkrypt

1 OPTYKA INSTRUMENTALNA 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 Woźniak Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska Pokój 18/11 bud. A-1

2 Wprowadzenie W poprzednim odcinku: - Mikroskopy; - Goniometr; - Przyrządy pomocnicze.

3 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 )

4 Historia LEGENDA o powstaniu szkła (Pliniusz Starszy, 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

5 Historia 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.

6 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

7 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)

8 Szkło - budowa Czynniki, które decydują o właściwościach szkła: - skład szkła; - struktura; - powierzchnia; - cienkie warstwy nałożone na powierzchnię szkła. Skład chemiczny szkła Głównym składnikiem wytwarzanego obecnie szkła jest SiO 2, pozyskiwany z piasku kwarcowego.

9 Szkło - budowa Nie tylko SiO 2 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 (Bi 2 O 3, CuO). Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na 2 CO 3 ) i węglan wapnia (CaCO 3 ), topniki: tlenek boru (B 2 O 3 ) 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.

10 Szkło - budowa

11 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 Al 2 O 3 z 3,4 do 2,2%, Na 2 O 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).

12 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.

13 Szkło - budowa Model struktury szkła krzemianowego: 1) Elementem podstawowym szkła kwarcowego jest czworościan SiO ) Liczba koordynacyjna krzemu jest równa 4; 3) Czworościany koordynacyjne SiO -4 4 połączone są ze sobą narożami; 4) Wielościany te tworzą trójwymiarową strukturę ciągłą.

14 Szkło - budowa Porównanie budowy szkła krzemianowego z budową krystalicznego kwarcu kwarc krystaliczny szkło krzemianowe Te same jednostki strukturalne! uporządkowanie dalekozasięgowe uporządkowanie krótkozasięgowe

15 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

16 Własności fizyczne szkła Temperatura zeszklenia, zwana również "temperaturą witryfikacji, T g - 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.

17 Własności fizyczne szkła Lepkość szkła

18 Własności fizyczne 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.

19 Własności fizyczne szkła Kolor szkła zależy od wielkości klastrów metalicznych domieszek. Źródłem koloru są tzw. plazmony powierzchniowe kolektywne oscylacje gazu elektronów swobodnych.

20 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 gęstość kg/m³ - wytrzymałość na zginanie MPa - wytrzymałość na ściskanie MPa - moduł Younga 70 GPa

21 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.

22 Wytwarzanie szkła Fakty: Wczesne technologie produkcji naczyń szklanych:

23 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.

24 Wytwarzanie szkła Wydmuchiwanie szkła w wersji automatycznej

25 Wytwarzanie szkła Prasowanie

26 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.

27 Wytwarzanie szkła Wytwarzanie szyb

28 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 (Bell Laboratories) spowodowały, że szkło stało się razy bardziej przezroczyste niż w Dzięki temu, np. włókno może mieć średnicę tylko 0.01 mm.

29 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.

30 Inne parametry szkła Wzmacnianie 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 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.

31 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: 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,

32 Jednorodność szkła 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.

33 Jednorodność szkła Metoda Teplera Metoda Foucaulta

34 Jednorodność szkła Jakość szkła określa się współczynnikiem odpowiadającym stosunkowi granicznego kąta rozdzielczego φ, uzyskanego dla danego szkła, do teoretycznego kąta rozdzielczego φ 0, obliczonego na podstawie wymiarów liniowych szkła D: - dla otworu kołowego: 0 120" D - dla otworu prostokątnego: 0 115" D

35 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.

36 Smużystość szkła 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.

37 Smużystość szkła Widoczność smug na ekranie zależy od wielkości średnicy otworka przesłony M i od odległości l 2. 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 l 2 = 500±50 mm. Przy tych warunkach smugi na ekranie nie powinny być widoczne. Do drugiej kategorii: M=4 mm a (tak samo) l 2 = 500±50.

38 Smużystość szkła 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= od współczynnika załamania badanej bryłki.

39 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.

40 Pęcherzowatość szkła Urządzenie stosowane do klasyfikacji pęcherzowatości:

41 Pęcherzowatość szkła

42 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.

43 Dwójłomność szkła TO wynika z konkretnej metody pomiaru TO jest normą dwójłomności

44 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.

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

46 Absorbcja szkła Podział szkła na kategorie ze względu na współczynnik absorpcji: Właściwy obraz absorpcji światła dają pomiary spektrofotometryczne dla różnych długości fali.

47 Współczynnik odbicia szkła Przy przejściu światła z jednego ośrodka do drugiego następuje na powierzchni rozdzielającej oba ośrodki zjawisko częściowego odbicia. Przypomnienie: wzory Fresnela n n Współczynnik odbicia szkła określa procentową ilość światła odbitego przy przejściu promieni z powietrza do szkła. R 2 2 n n 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.