8. Współczynnik załamania #3 Szkło POMIARY OPTYCZNE 1 8. Współczynnik załamania #3 Szkło Damian Siedlecki

Inne metody Metoda de Chaulnesa Pomiar współczynnika załamania opiera się na pomiarze wielkości poosiowego przesunięcia obrazu, utworzonego przez płytkę płasko-równoległą. Inne metody

Metoda de Chaulnesa Inne metody 3

Inne metody Metody immersyjne: metody mikroskopowe, w których wartość współczynnika załamania jest szacowana poprzez dopasowanie wartości współczynnika załamania cieczy immersyjnej do badanego materiału. v1 – objętość cieczy im. o wsp. zał. n1 v2 – objętość cieczy im. o wsp. zał. n2 Inne metody 4

Inne metody TYLKO dla JEDNEJ długości fali Metody immersyjne: problem: ciecz immersyjna może mieć taki sam współczynnik załamania jak badane ciało… TYLKO dla JEDNEJ długości fali Inne metody 5

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. 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”) SZKŁO 6

tektyt fulguryt www.capturedlightning.org SZKŁO 7

SZKŁO - legenda Pliniusz Starszy, 23-79 r. n.e.: W części Syrii (wtedy: Fenicja), blisko Judei, u podnóża góry Karmel 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… SZKŁO - legenda 8

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. SZKŁO - historia 9

~ 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 SZKŁO - historia 10

SZKŁO - 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 (szkło ciągnione) 1967 – metoda odlewania szyb na stopionej cynie 1970 – produkcja włókien optycznych (światłowodów) 1983 – technologie sol-gel (soczewki gradientowe) SZKŁO - historia 11

SZKŁO - budowa Czynniki, które decydują o właściwościach szkła: - skład szkła; - struktura; - powierzchnia; - cienkie warstwy nałożona na powierzchnię szkła Skład chemiczny szkła Głównym składnikiem wytwarzanego obecnie szkła jest krzemionka (SiO2), pozyskiwane z piasku kwarcowego. Krzemionka tworzy rozbudowane struktury przestrzenne, w których prawie każdy atom krzemu łączy się z czterema atomami tlenu, a prawie każdy atom tlenu łączy się z dwoma atomami krzemu. SZKŁO - budowa 12

Nie tylko SiO2 tworzy szkło Nie tylko SiO2 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 (Bi2O3, CuO) Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na2CO3) i węglan wapnia (CaCO3), topniki: tlenek boru (B2O3) 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. SZKŁO - budowa 13

SZKŁO - budowa 14

SZKŁO - budowa Znaczenie składu szkła. Dzięki różnym domieszkom szkło potrafi mieć całkowicie różne własności fizykochemiczne. 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 Al2O3 z 3.4 do 2.2%, Na2O z 15.75 do 15.5% i zwiększenie MgO z 3.0 do 3.4% powoduje, ze takie szkło jest biorozpuszczalne (czas degradacji kilka tygodni, nawet kilka dni). SZKŁO - budowa 15

SZKŁO - budowa Model struktury szkła tlenkowego (Zachariesen, 1932) 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, a nie krawędziami ani ścianami; 4) Wielościany te tworzą trójwymiarową strukturę ciągłą. W.H. Zachariesen (1932). „The Atomic Arrangement in Glass”. J. Amer. Chem. Soc. 54: 3841 SZKŁO - budowa 16

SZKŁO - budowa Model struktury szkła krzemianowego 1) Elementem podstawowym szkła kwarcowego jest czworościan SiO4-4 2) Liczba koordynacyjna krzemu jest równa 4; 3) Czworościany koordynacyjne SiO4-4 połączone są ze sobą narożami; 4) Wielościany te tworzą trójwymiarową strukturę ciągłą. SZKŁO - budowa 17

Porównanie budowy szkła krzemianowego z budową krystalicznego kwarcu szkło krzemianowe kwarc krystaliczny Te same jednostki strukturalne! uporządkowanie dalekozasięgowe uporządkowanie krótkozasięgowe SZKŁO - budowa 18

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 SZKŁO - budowa 19

SZKŁO – właściwości fizyczne Temperatura zeszklenia, zwana również „temperaturą witryfikacji”, Tg - 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. SZKŁO – właściwości fizyczne 20

SZKŁO – właściwości fizyczne Lepkość szkła SZKŁO – właściwości fizyczne 21

SZKŁO – właściwości fizyczne 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. SZKŁO – właściwości fizyczne 22

SZKŁO – właściwości fizyczne Kolor szkła zależy od wielkości klastrów metalicznych domieszek. Źródłem koloru są tzw. plazmony powierzchniowe – kolektywne oscylacje gazu elektronów swobodnych. SZKŁO – właściwości fizyczne 23

SZKŁO – właściwości mechaniczne Szkło ma bardzo duży moduł Younga. 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 5–7 - gęstość 2400–2600 kg/m³ - wytrzymałość na zginanie 30–50 MPa - wytrzymałość na ściskanie 800–1000 MPa - moduł Younga 70 GPa SZKŁO – właściwości mechaniczne 24

SZKŁO – właściwości mechaniczne 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. SZKŁO – właściwości mechaniczne 25

SZKŁO – wytwarzanie Fakty: Wczesne technologie produkcji naczyń szklanych: SZKŁO – wytwarzanie 26

SZKŁO – wytwarzanie 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. SZKŁO – wytwarzanie 27

Wydmuchiwanie szkła w wersji automatycznej SZKŁO – wytwarzanie 28

Prasowanie SZKŁO – wytwarzanie 29

SZKŁO – wytwarzanie 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. SZKŁO – wytwarzanie 30

Wytwarzanie szyb SZKŁO – wytwarzanie 31

SZKŁO – przezroczystość Już w starożytności Egipcjanie i Fenicjanie rozpoczęli poszukiwanie sposobów na poprawienie polepszenia przezroczystości szkła... Przed 1966 osiągnięto pewne plateau w rozwoju przezroczystości; SZKŁO – przezroczystość 32

SZKŁO – przezroczystość Dopiero prace prowadzone w latach 1970-1980 (Bell Laboratories) spowodowały, że szkło stało się 10 000 razy bardziej przezroczyste niż w 1966. Dzięki temu, np. włókno może mieć średnicę tylko 0.01 mm. SZKŁO – przezroczystość 33

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) Dodanie 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. SZKŁO – inne parametry 34

Hartowanie 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 się ochładzają do temperatury pokojowej, powierzchnia już jest zimna i sztywna. Rozmiary nie mogą się dopasować: wnętrze jest rozciągane przez powierzchnię, a powierzchnia ściskana przez wnętrze. SZKŁO – inne parametry 35

Szkło używane do produkcji elementów optycznych powinno być optycznie jednorodne – nazywamy tak stałość współczynnika załamania we wszystkich jego punktach. Różnica dróg optycznych, spowodowana niejednorodnością szkła: powinna spełniać tzw. warunek Rayleigha: co daje ostatecznie warunek na niejednorodność n: Przykład: dla soczewki o grubości l=10 mm dla światła o długości fali λ=555 nm możemy dopuścić niejednorodność Δn=1,4·10-3. SZKŁO – jednorodność 36

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 możliwa teoretyczną zdolnością rozdzielczą przyrządu kontrolnego.  Do pomiaru niejednorodności szkła wykorzystuje się ogólnie układy kolimatorów z odpowiednimi testami zdolności rozdzielczej oraz lunety. SZKŁO – jednorodność 37

Metoda Teplera Metoda Foucaulta SZKŁO – jednorodność 38

Jakość szkła określa się współczynnikiem odpowiadającym stosunkowi granicznego kąta rozdzielczego φ, uzyskanego dla danego szkła, do teoretycznego kąta rozdzielczego φ0, obliczonego na podstawie wymiarów liniowych szkła D: - dla otworu kołowego: - dla otworu prostokątnego: SZKŁO – jednorodność 39

Smugami nazywamy intensywne, miejscowe niejednorodności szkła, ostro wyróżniające się współczynnikiem załamania od otaczającej je masy. 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 w płaszczyźnie obrazu. SZKŁO – smużystość 40

Warunki techniczne na szkło optyczne przewidują trzy klasy smużystości w zależności od ilości kierunków przeglądania badanego bloku szkła oraz siedem kategorii, różniących się warunkami badania. Podstawą tej klasyfikacji jest metoda badania smużystości polegająca na projekcji smug na ekran. SZKŁO – smużystość 41

Widoczność smug na ekranie zależy od wielkości średnicy otworu przesłony M i od odległości l2. Im mniejszy jest otwór średnicy przesłony i im mniejsza ta odległość, tym lepiej widoczne są drobniejsze smugi. Przykłady Do pierwszej kategorii smużystości szkła średnica M=2 mm a l2= 500±50 mm. Przy tych warunkach smugi na ekranie nie powinny być widoczne. Do drugiej kategorii: M=4 mm a (tak samo) l2= 500±50. SZKŁO – smużystość 42

W przypadku badania brył szkła o kształtach nieregularnych należy zanurzyć je w specjalnych naczyniach, wypełnionych cieczą immersyjną, której współczynnik załamania nie powinien różnić się więcej niż n=1·10-3 od współczynnika załamania badanej bryłki. SZKŁO – smużystość 43

SZKŁO – smużystość 44

SZKŁO – pęcherzowatość 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. SZKŁO – pęcherzowatość 45

SZKŁO – pęcherzowatość 46

SZKŁO – pęcherzowatość 47

Szkło stosowane w optyce powinno być materiałem izotropowym 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. SZKŁO – dwójłomność 48

SZKŁO – dwójłomność TO wynika z konkretnej metody pomiaru TO jest normą dwójłomności SZKŁO – dwójłomność 49

Na przepuszczalność gotowego przyrządu optycznego wpływa w dużym stopniu ilości światła pochłoniętego w materiale (szkle). Ilość pochłanianego światła p[rzez 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. r0 – współczynnik odbicia na granicy szkło-powietrze l – grubość próbki t – współczynnik absorpcji szkła SZKŁO – absorpcja 50

Pomiarów absorpcji dokonuje się zarówno w świetle skolimowanym (o znanej zbiezności), jak i wiązce równoległej. SZKŁO – absorpcja 51

Podział szkła na kategorie ze względu na współczynnik absorpcji: Właściwy obraz absorpcji światła dają pomiary spektrofotometryczne dla różnych długości fali. SZKŁO – absorpcja 52

Przy przejściu światła z jednego ośrodka do drugiego następuje na powierzchni rozdzielającej oba ośrodki zjawisko częściowego odbicia. Przypomnienie: wzór Fresnela Współczynnik odbicia szkła określa procentową ilość światła odbitego przy przejściu promieni z powietrza do szkła. 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. SZKŁO – wsp. odbicia 53