Глава V. ДЕТАЛИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

25. Материалы, применяемые для изготовления оптических деталей

Оптической средой называется вещество, занимающее определенный объем и пропускающее оптическое излучение. К оптическим средам относятся: воздух и другие газы, стекла, кристаллы, жидкости и специальные среды. Оптические среды являются материалом, из которого изготовляют оптические детали — линзы, призмы, пластины, пленочные покрытия и т. п.

Для изготовления оптических деталей применяются оптическое бесцветное стекло, цветное оптическое стекло, кварцевое оптическое стекло, снталлы, кристаллы, пластические массы и другие материалы.

Основным материалом для изготовления оптических деталей служит оптическое бесцветное стекло, которое поставляется в виде блоков, прессовок, дисков, прием и других заготовок. В зависимости от химического состава стекло характеризуется определенной совокупностью оптических постоянных: показателей преломления для различных длин волн и производных от них величин (средних дисперсий, коэффициентов дисперсии и относительных частных дисперсий).

Большое разнообразие стекол с различными постоянными — необходимое условие создания высококачественных оптических приборов.

Показатель преломления для длины волны принят в качестве основного показателя преломления (см. ГОСТ 3514-76 и 13659—78, а также советско-немецкий каталог оптического бесцветного стекла). В каталоге значения показателей преломления для каждой марки стекла даны для 23 длин волн, соответствующих спектральным линиям химических элементов, и 12 длин волн излучения лазеров.

При необходимости значение показателя преломления для излучения с длиной волны можно вычислить по следующей формуле:

где длина волны, коэффициенты, приводимые в каталоге для каждой марки стекла.

Для диапазона длин волн вычисления по указанной формуле дают значения показателей преломления с погрешностью не более Программа для вычисления

показателя преломления на микрокалькуляторе приведена в приложении 2.

Разность показателей преломления для определенных длин волн называется средней дисперсией. Для характеристики ближней ультрафиолетовой и синей областей спектра служит средняя дисперсия видимую область спектра характеризуют средние дисперсии и инфракрасную Основной средней дисперсией является средняя дисперсия

Отношение вида называется коэффициентом дисперсии. Основным коэффициентом дисперсии (числом Аббе) является значение

Оптическое бесцветное стекло в зависимости от значений показателя преломления и коэффициента дисперсии делят на следующие типы: — легкий крон; фосфатный крон; тяжелый фосфатный крон; К — крон; баритовый крон; тяжелый крон; свбрхтяжелый крон; особый (с особым ходом дисперсии) крон; кронфлинт; баритовый флинт; тяжелый баритовый флинт; легкий флинт; флинт; тяжелый флинт; сверхтяжелый флинт; особый (с особым ходом дисперсии) флинт.

Распределение указанных типов стекла на координатном поле диаграммы «показатель преломления коэффициент дисперсии показано на рис. 42. Стекла типов и могут находиться на любом участке поля диаграммы, занимаемом соответственно кронами или флинтами. Как следует из рис. 42, кроновые стекла имеют большие коэффициенты дисперсии и относительно меньшие показатели преломления по сравнению с флинтами.

Относительной частной дисперсией называют отношение или где является частной дисперсией, например В советско-немецком каталоге значения относительных частных дисперсий для каждой марки стекла приведены - для 24 участков спектра. Кроме приведенных выше оптических постоянных при расчете и создании оптических систем возникает

Рис. 42. Диаграмма «показатель преломления коэффициент дисперсии

необходимость использования других характеристик оптического стекла. К таким характеристикам относится, например, температурный коэффициент, или изменение абсолютного показателя преломления стекла при повышении температуры на для длины волны

Показатели преломления стекол возрастают с повышением температуры окружающей среды.

Важной оптической характеристикой стекла является его спектральное пропускание (подробнее об этом см. в гл. VII).

При выборе марок оптического стекла для оптических приборов, действующих в конкретных условиях эксплуатации, необходимо учитывать устойчивость стекла к влажной атмосфере и слабокислым водным растворам, к воздействию ионизирующего излучения, а также его температурный коэффициент линейного расширения, теплопроводность, удельную теплоемкость, плотность, модуль упругости и модуль сдвига, электрические и магнитные свойства.

Оптическое стекло делят на категории и классы по следующим показателям качества: отклонению показателя преломления например стекло 1-й категории имеет предельное отклонение а стекло 5-й категории -4; отклонению средней дисперсии однородности показателя преломления и средней дисперсии для партии заготовок; двойному лучепреломлению; показателю ослабления (поглощения) — величине, обратной расстоянию, на котором поток излучения источника А (ГОСТ 7721-89) ослабляется в результате поглощения и рассеяния в стекле в 10 раз; бессвильности; пузырности; оптической однородности — постоянству показателя преломления по объему стекла.

Подробное описание всех характеристик оптического бесцветного стекла и их значения для конкретных марок даны в ГОСТ 3514-76, ГОСТ 13659-78 и советско-немецком каталоге оптического стекла.

Марки стекол, рекомендуемые для использования ГОСТ 3514-76, представлены в табл. 1.

Стекла серии 100 с нумерацией марок от 100 до 199 — мало-. темнеющие под воздействием ионизирующего излучения. В некоторых случаях при расчете оптических систем допускается использовать показатель преломления и среднюю дисперсию В ГОСТ 3514-76 представлены 95 марок оптического стекла, а в советско-немецком каталоге — 108 отечественных марок и 114 марок стекла, изготовлявшегося в ГДР.

Промышленность выпускает свыше 100 марок цветного стекла, окрашенного в массе, обеспечивающего выделение или поглощение части спектра — от ультрафиолетовой до инфракрасной. Цветное оптическое стекло применяется в качестве светофильтров в спектральных и фотометрических приборах, в фотоаппаратуре, для защиты от воздействий яркого света, теплоты и лазерного излучения.

Таблица 1 (см. скан) Предпочтительвые марки стекол

Светофильтры (см. п. 42) изготовляют диаметром до толщиной до Спектральные и физико-химические характеристики приведены в каталоге цветного стекла и в ГОСТ 9411-81Е.

Основной характеристикой цветных оптических стекол является зависимость коэффициента пропускания от длины волны

Для деталей, диффузно рассеивающих падающее на них излучение, используют молочные (светорассеивающие) стекла

Оптическое кварцевое стекло применяется для изготовления деталей, действующих в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, для деталей с малым температурным коэффициентом линейного расширения и высокой термостойкостью.

Оптическое кварцевое стекло выпускается следующих марок: стекло с высокой прозрачностью в диапазоне спектра стекло, характеризуемое заметным поглощением в интервале длии волн стекло, прозрачное в видимой части спектра; стекло, устойчивое к воздействию гамма-излучения; КИ - без заметной полосы поглощения до длины волны

Все перечисленные марки оптического кварцевого стекла имеют температурный коэффициент линейного расширения в диапазоне температур в диапазоне температур

Полнее характеристики рассмотренных марок кварцевого оптического стекла приведены в советско-немецком каталоге и в ГОСТ 15130-86.

Для изготовления оптических деталей применяют мелкокристаллический материал с малым температурным коэффициентом линейного расширения — ситалл. Размеры кристаллов не превышают для видимой части спектра.

В табл. 2 приведены характеристики оптических ситаллов.

Ситалл (астроситалл) используется для изготовления астрономических зеркал, лазерных гироскопов и т. п. Ситалл имеет отрицательный температурный коэффициент линейного расширения, термостоек, используется для изготовления смотровых люков, обтекателей и т. п.

Оптические кристаллические материалы на основе хлоридов, фторидов и оксида алюминия, такие, как хлористый натрий, фтористый литий, фтористый кальций, фтористый калий, фтористый магний, фтористый барий, лейкосапфир, обладают хорошей прозрачностью в ультрафиолетовой области спектра и особенно в инфракрасной части спектра. Например, фтористый кальций прозрачен в области

К оптическим материалам относятся синтетические полупроводниковые материалы германий и кремний, прозрачные в инфракрасной части спектра излучения. Например германий прозрачен в диапазоне длин волн (показатель преломления для составляет 2,41). Подробные характеристики оптических кристаллов см., например, в [16].

Для изготовления деталей, диффузно рассеивающих проходящий или отраженный поток излучения, применяют молочное (светорассеивающее) стекло. Значения коэффициентов пропускания, отражения и поглощения соответственно равны Толщина пластин 3...5 мм.

Таблица 2 (см. скан) Характеристики оптических ситаллов марок

Таблица 3 (см. скан) Показатели преломления жидкостей при

Для оптических деталей, действующих при высоких температурах (свыше 2000 К) в интервале длин волн перспективным является кристаллический материал на основе стабилизированных оксидов циркония и гафния — фианит

Для изготовления неответственных оптических деталей линз, видоискателей, линз Френеля и т. п.) используются следующие полимеры (органические стекла): полиметилметакрилат, полиэтилен, фторопласты, полистирол и т. п. Достоинствами полимеров являются невысокая стоимость материала и Изготовления при массовом производстве (прессование и литье), низкая плотность и малая хрупкость. Однако они имеют высокий температурный коэффициент линейного расширения невысокую оптическую однородность, низкую твердость, склонность к естественному старению и способность накапливать статическое электричество.

Показатель преломления полимеров составляет а коэффициент дисперсии —

Жидкости (вода, бензол, керосин) применяют как оптические среды с особыми оптическими постоянными. Монобромнафталин, кедровое масло и другие жидкости используют в качестве предметной среды (иммерсии) в микроскопах, в рефрактометрах и т. п.

Показатели преломления некоторых жидкостей приведены в табл. 3.