Оптическое стекло

С XIX века (со времён Шотта и Аббе) и до недавнего времени для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления ${\displaystyle n_{D}}$, определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ=589,3 нм).

Однако это не одиночная линия, а пара: так называемый «натриевый дублет», что не могло не сказаться на точности измерений. Поэтому сейчас в качестве главного показателя преломления (${\displaystyle n_{\lambda }}$) принимают его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ=587,56 нм, либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ=546,07 нм. Первый (${\displaystyle n_{d}}$) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (${\displaystyle n_{e}}$), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений ${\displaystyle n_{d}}$ промышленных оптических стёкол составляют примерно 1,43 — 2,17.

Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной ±(3-20)⋅10⁻⁴.

Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления n_F для синей линии спектра λ=488,1 нм и n_C для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (n_F-n_C)⋅10⁵ и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)⋅10⁻⁵.

Коэффициент дисперсии (число Аббе, ${\displaystyle \nu _{\lambda }}$) — задаётся отношением разности показателя преломления ${\displaystyle n_{\lambda }}$ без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления ${\displaystyle n_{D}}$ для жёлтой спектральной линии натрия.

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

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

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

либо

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

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F' ) и красной (C' ) линий кадмия.

В настоящее время значения ${\displaystyle \nu _{d}}$ для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии — это разности ${\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}$ двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн ${\displaystyle \lambda _{4}}$ и ${\displaystyle \lambda _{5}}$, не совпадающих с длинами волн ${\displaystyle \lambda _{2}}$ и ${\displaystyle \lambda _{3}}$, выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии ${\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}}$ — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

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

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (числа Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала от длины волны света представляет собой сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

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

где: ${\displaystyle P_{1}}$ и ${\displaystyle P_{2}}$ — относительные частные дисперсии; ${\displaystyle \nu _{1}}$ и ${\displaystyle \nu _{2}}$ — коэффициенты средней дисперсии; ${\displaystyle f'}$ -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра ${\displaystyle n_{g}-n_{F}}$ или ${\displaystyle n_{g}-n_{F'}}$ (где ${\displaystyle n_{g}}$ — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия ${\displaystyle P_{gF}}$ (или ${\displaystyle P_{gF'}}$), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Интенсивность оптического излучения, проходящего через стекло, уменьшается вследствие поглощения и рассеяния излучения стеклом. Степень уменьшения интенсивности излучения, обусловленного суммарным действием обоих механизмов, характеризуют показателем ослабления стекла.

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А[1] ${\displaystyle \mu _{A}}$.

По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями ${\displaystyle \mu _{A}}$[2].

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых ${\displaystyle \mu _{A}}$ лежит в пределах от 0,0002 до 0,0004 см⁻¹. У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной 10 см составляет величины от 0,991 до 0,995[2].

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют ${\displaystyle \mu _{A}}$, располагающийся в пределах от 0,0066 до 0,013 см⁻¹. Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859[2].

Отклонения относительных частных дисперсий некоторых оптических стёкол и кристаллов (CaF₂ и BaF₂) от «нормальной прямой»

Кроме того, существуют так называемые «особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол для отображения «особых» характеристик используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, ${\displaystyle P_{gF}}$ от ${\displaystyle \nu _{d}}$ в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью ${\displaystyle P_{gF}}$ от ${\displaystyle \nu _{d}}$.

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий (${\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3}$) и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на бо́льшем удалении (имеющие бо́льшее отклонение хода частных дисперсий) — «особыми» («abnormal»).

Диаграмма «относительная частная дисперсия — коэффициент дисперсии» так же была предложена Эрнстом Аббе, однако, во избежание путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол, относящихся к первому из типов (ланг-кроны), следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически все Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а также российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

«Особые» флинты с повышенными значениями относительной частной дисперсии (ланг-флинты) — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путём нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.