Из всего многообразия оптических измерений, используемых для определения различных физических параметров твердых тел, выделим измерения, связанные с показателем преломления, коэффициентами отражения, поглощения и пропускания электромагнитных излучений оптического диапазона. Информация об этих величинах представляет особую ценность, так как достижение заданных параметров прозрачности или поглощения изготавливаемого стекла или керамического материала является в ряде случаев конечной целью технологического процесса. С другой стороны, по этим параметрам можно контролировать такие важнейшие свойства, как наличие в изделиях остаточных механических напряжений, декоративные и диэлектрические свойства материалов, долговременную надежность работы оптических элементов таких устройств, как лазеры, волоконная оптика, защитные и пропускные окна космических аппаратов и самолетов, различных реакторов и т.п.
Выше было показано, что все диэлектрические материалы прозрачны в том или ином диапазоне частот электромагнитного излучения. Тонкие пленки всех без исключения материалов являются частично или полностью прозрачными в очень широком интервале длин волн. Это позволяет исследовать оптические свойства материалов в виде или непосредственно готовых изделий (листового стекла, стеклянной посуды и других изделий), или специально подготавливаемых макрообразцов, как правило, с плоскими полированными гранями, или тонкопленочных образцов, осаждаемых на подложки, прозрачные для излучения в интервале длин волн, интересующем экспериментатора. Однако измерения в тонких пленках всегда предполагают знание с достаточно высокой точностью их толщины, что зачастую представляет самостоятельную и достаточно сложную задачу, решаемую обычно тоже оптическими методами.
Например, свойства многих сотен типов и марок бесцветного оптического стекла нормируют по следующим параметрам:
1) показатель преломления в видимом диапазоне ne (длина волны, обозначенная е, соответствует зеленой линии 546,07 нм в спектре ртути);
2) средняя дисперсия (nF - nC), соответствующая длинам волн излучения кадмия F - 480,0 нм и С - 643,8 нм;
3) однородность партии заготовок по показателю преломления;
4) однородность партии заготовок по средней дисперсии;
5) оптическая однородность;
6) двойное лучепреломление;
7) радиационно-оптическая устойчивость (для специальных сортов стекол серии 100);
8) показатель ослабления e - величина, обратная толщине материала, при прохождении которой поток излучения ослабляется в 10 раз в результате поглощения и рассеяния;
9) бессвильность;
10) пузырность.
В частности, регламентировано, что для стекол, применяемых в обычных оптических системах, отклонение величины показателя преломления в различных точках изделия не должно превышать 1×10-4, для фотообъективов высокого качества - 1×10-5, для материалов, используемых для производства световодов, активных элементов оптических квантовых генераторов, астрозеркал - до 1×10-6. Соответствующую точность должны гарантировать и применяемые методы измерения, если не самой величины показателя преломления, то его вариативности, неоднородности.
3.12.1. Измерение показателя преломления
Количественные данные о величине показателя преломления и оптической дисперсии представляют значительный интерес, особенно при изучении анизотропных кристаллов. Величина показателя преломления может быть определена как на специально подготовленных макроскопических образцах-призмах (или блоках), так и при исследовании веществ, нанесенных в виде достаточно тонкой пленки на подложки, выбранные и подготовленные соответствующим образом, пропускающие или отражающие электромагнитные волны в изучаемом интервале их длин.
Если речь идет об оптическом стекле, то под относительным показателем преломления n12 понимают отношение скорости света в среде V1 (чаще всего - воздухе), к скорости света в стекле V2, которое, в соответствии с законом Снеллиуса-Декарта, равно отношению синуса угла g1 падения луча к синусу угла преломления g2:
(3.12.1)
В
свою очередь, скорость света в среде связана со скоростью распространения в
вакууме (c = 3×108м/с)
соотношением 
, где n - абсолютный показатель
преломления. Между относительным и абсолютным показателями преломления двух
сред существует очевидное соотношение
(3.12.2)
которое, после подстановки в (3.12.1), дает закон обратимости луча при переходе из одной среды в другую (рис.3.12.1)
n1sing1 = n2sing2 = n3sing3 = … (3.12.3)
При измерении показателя преломления и дисперсии стекла в воздушной среде выдерживают постоянство температуры и барометрического давления. В лабораторной практике нашли применение несколько методов:
а) метод наименьшего отклонения и метод автоколлимации в призмах, причем гониометры-спектрометры позволяют определять n с погрешностью ±1,5×10-3 %;
б) метод определения предельного угла выхода лучей из призмы на рефрактометрах, позволяющий найти с погрешностью ±1×10-2 % показатель преломления и с отклонением ± 2×10-5 - дисперсию; иногда измеряется предельный угол полного внутреннего отражения;
в) интерференционный метод, позволяющий как измерять показатель преломления макроскопических образцов путем сравнения стекол различных марок с точностью ±1×10-5, так и находить одновременно толщину пленок с точностью до ~l/8 и показатель их преломления, при исследовании тонких пленок используются эллипсометрические методы;
г) иммерсионный метод Обреимова, позволяющий определить показатель преломления с точностью около ±1×10-4.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
