Оптичне скло

З XIX століття (з часів Шотта і Аббе) і до недавнього часу для характеристики оптичних стекол використовувався показник заломлення ${\displaystyle n_{D}}$, який визначається для жовтої спектральної D -лінії натрію (λ = 589,3 нм).

Однак це не одинична лінія, а пара: так званий «натрієвий дублет», що не могло не позначитися на точності вимірювань. Тому зараз за головний показник заломлення (${\displaystyle n_{\lambda }}$) приймають його значення або для жовтої d-лінії гелію з λ = 587,56 нм, або для жовто-зеленої e-лінії ртуті з λ = 546,07 нм перший (${\displaystyle n_{d}}$) використовується такими виробниками як Schott, Hoya, Ohara тощо, другий (${\displaystyle n_{e}}$), зокрема, прийнятий у документації російських виробників.

Нині досягнуті межі значень ${\displaystyle n_{d}}$ промислових оптичних стекол становлять приблизно 1,43 — 2,17.

Допустиме відхилення залежить від категорії оптичного скла і нормується величиною ±(3-20)×10⁻⁴.

Середня дисперсія — визначається як різниця показників заломлення ${\displaystyle n_{F}}$ для синьої лінії спектра λ=488,1 нм і ${\displaystyle n_{C}}$ для червоної лінії спектра з λ=656,3 нм; величина середньої дисперсії подається як (${\displaystyle n_{F}-n_{C}}$)×10⁵ і лежить у діапазоні 639 — 3178, з допустимим відхиленням ±(3-20)×10⁻⁵.

Коефіцієнт дисперсії (число Аббе, ${\displaystyle \nu _{\lambda }}$) — задається відношенням різниці показника заломлення ${\displaystyle n_{\lambda }}$ без одиниці до середньої дисперсії. Раніше визначалося виразом, що включає показник заломлення ${\displaystyle n_{D}}$ для жовтої спектральної лінії натрію.

${\displaystyle \nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}}}$

В даний час основними варіантами коефіцієнта дисперсії є, або

${\displaystyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}}$

або

${\displaystyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F'}-n_{C'}}}}$

де середня дисперсія визначається, як різниця показників заломлення для блакитної (F) і червоної (C) ліній кадмію.

В даний час значення ${\displaystyle \nu _{d}}$ для промислових оптичних стекол знаходяться в межах від 17 до 95.

Часткові дисперсії — це різниці ${\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}$ двох значень показника заломлення для деяких довільно обраних довжин хвиль ${\displaystyle \lambda _{4}}$ і ${\displaystyle \lambda _{5}}$, що не збігаються з довжинами хвиль ${\displaystyle \lambda _{2}}$ і ${\displaystyle \lambda _{3}}$, вибраними для розрахунку середньої дисперсії (і як правило, з вужчим спектральним інтервалом).

Відносні часткові дисперсії ${\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}}$ — це відношення часткових дисперсій до середньої дисперсії.

${\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}={\frac {n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}{n_{\lambda _{2}}-n_{\lambda _{3}}}}}$

Хоча, для більшості оптичних стекол залежність відносних часткових дисперсій від коефіцієнта середньої дисперсії (числа Аббе) близька до лінійної, однак, залежність показника заломлення оптичного матеріалу від довжини хвилі світла являє собою складну криву. Форма цієї кривої визначається параметрами конкретного матеріалу і буде різною для різних типів оптичних стекол. Таким чином, часткові дисперсії та відносні часткові дисперсії служать для деталізації залежності змін показника заломлення скла від змін довжини хвилі.

Така деталізація необхідна під час розрахунку високоякісних ахроматичних і апохроматичних компонентів, оскільки облік ходу відносних дисперсій, на етапі вибору стекол, дозволяє надалі значно зменшити вторинний спектр. Оскільки, в загальному випадку, величина вторинного спектра пропорційна відношенню різниці часткових дисперсій вибраної пари стекол до різниці показників середніх дисперсій цих стекол.

${\displaystyle \Delta s=f'{\frac {P_{1}-P_{2}}{\nu _{1}-\nu _{2}}}}$

де: ${\displaystyle P_{1}}$ і ${\displaystyle P_{2}}$ — відносні часткові дисперсії; ${\displaystyle \nu _{1}}$ і ${\displaystyle \nu _{2}}$ — коефіцієнти середньої дисперсії; ${\displaystyle f'}$ -фокусна відстань об'єктива.

Для практики найважливіші часткова дисперсія для синьої ділянки спектра ${\displaystyle n_{g}-n_{F}}$ або ${\displaystyle n_{g}-n_{F'}}$ (де ${\displaystyle n_{g}}$ — показник заломлення для фіолетової g -лінії ртуті) і відповідна їй відносна часткова дисперсія ${\displaystyle P_{gF}}$ (або ${\displaystyle P_{gF'}}$), оскільки в межах саме цієї ділянки показник заломлення матеріалів змінюється з довжиною хвилі найзначніше.

Інтенсивність оптичного випромінювання, що проходить через скло, зменшується внаслідок поглинання і розсіяння випромінювання склом. Ступінь зменшення інтенсивності випромінювання, обумовленого сумарною дією обох механізмів, характеризують показником ослаблення скла.

Розрізняють і використовують показник ослаблення монохроматичного випромінення і показник ослаблення для білого світла стандартного джерела А[1] ${\displaystyle \mu _{A}}$.

За величиною показника ослаблення для білого світла випромінення джерела А встановлено вісім категорій якості, що визначаються граничними значеннями ${\displaystyle \mu _{A}}$[2].

До першої, вищої категорії, відносяться стекла в яких ${\displaystyle \mu _{A}}$ лежить у межах від 0,0002 до 0,0004 см^−1. У таких стекол коефіцієнт внутрішнього пропускання шару завтовшки 10 см становить від 0,991 до 0,995[2].

Скло, що відносяться до восьмої, нижчої категорії, мають ${\displaystyle \mu _{A}}$ в межах від 0,0066 до 0,013 см^−1. Цьому діапазону значень показника ослаблення відповідає діапазон значень коефіцієнта внутрішнього пропускання шару скла товщиною 10 см від 0,741 до 0,859[2].

Крім того, існують так звані «особливі» стекла, або стекла з «особливим ходом часткових дисперсій». Більшість з них відносяться до двох типів, об'єднаних збірними термінами «ланг-крони» (крони зі збільшеними відносними частковими дисперсіями) і «курц-флінти» (флінти зі зменшеними частковими дисперсіями). Ці найменування, що походять від німецьких слів lang (довгий) і kurz (короткий), досить умовні, і для більшості «особливих» стекол не пов'язані безпосередньо з особливостями хімічного складу і/або структури.

В сучасних каталогах оптичних стекол для відображення «особливих» характеристик використовуються графіки (діаграми) залежності відносних часткових дисперсій від коефіцієнта середньої дисперсії (наприклад, ${\displaystyle P_{gF}}$ від ${\displaystyle \nu _{d}}$ в каталозі Schott). На цих графіках оптичні стекла розташовуються уздовж так званої «нормальної прямої», безпосередньо на якій знаходяться стекла з лінійною залежністю ${\displaystyle P_{gF}}$ від ${\displaystyle \nu _{d}}$.

При цьому, стекла з незначним відхиленням ходу часткових дисперсій (${\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3}$) і розташовані поблизу нормальної прямої прийнято називати «нормальними», а розташовані на більшій відстані (мають більше відхилення ходу часткових дисперсій) — «особливими» (англ. abnormal).

Діаграма «відносна часткова дисперсія — коефіцієнт дисперсії» так само була запропонована Ернстом Аббе, однак, щоб уникнути плутанини, її не прийнято називати ім'ям автора.

Серед стекол, що належать до першого з типів (ланг-крони), слід відзначити так звані низькодисперсійні стекла, різні за складом, але з високими значеннями коефіцієнта середньої дисперсії та відносної часткової дисперсії (тобто, значним відхиленням ходу часткових дисперсій від «нормального»).

Група «курц-флінтів» так само об'єднує різні за складом стекла. Зокрема, під це визначення підпадають практично всі шоттівські стекла типів LaK, LaF, LaSF, а також російські СТК і ТБФ з високим вмістом окису лантану. Причому відхилення особливих флінтів від «нормальної прямої», як правило, невеликі.

«Особливі» флінти з підвищеними значеннями відносної часткової дисперсії (ланг-флінти) — це, як правило, або важкі та надважкі флінти з максимальним вмістом окису свинцю, або титанові флінти з високим вмістом окису титану.

Після полірування проводиться контроль якості поверхні скла і потім, для поліпшення характеристик виробу, може бути виконано просвітлення оптики шляхом нанесення тонких прозорих плівок, як правило, діелектричних. Ці плівки покращують оптичні характеристики та можуть покращувати механічні, наприклад, захищати скло від помутніння при тривалому знаходженні у вологій атмосфері.