книги / Оптическое материаловедение
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.С. Постников
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2022
УДК 681.7.03:666.11+666.11.017](076.5) П63
|
Рецензенты: |
|
канд. техн. наук, доцент С.А. Белова |
|
(Пермский национальный исследовательский |
|
политехнический университет); |
|
младший научный сотрудник К.П. Латкин |
|
(Лаборатория фотоники ПФИЦ УрО РАН) |
|
Постников, В.С. |
П63 |
Оптическое материаловедение : лабораторный практи- |
кум / В.С. Постников. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. по- |
литехн. ун-та, 2022. – 103 с. ISBN 978-5-398-02739-6
Приведены описания лабораторных работ, проводимых в рамках бакалаврского курса в качестве приложения к теоретической дисциплине «Оптическое материаловедение». Практикум ориентирован на изучение студентами основных методов исследования оптических и физико-механических свойств оптических материалов. Приведены выдержки из ГОСТ 9411–91, содержащие различные характеристики стекол.
Предназначено для обучения студентов по направлению 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика» при изучении дисциплины «Оптическое материаловедение», а также может быть полезно для магистрантов и аспирантов при выполнении научноисследовательских работ.
УДК 681.7.03:666.11+666.11.017](076.5)
ISBN 978-5-398-02739-6 |
© ПНИПУ, 2022 |
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лабораторная работа № 1. ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ |
|
ПРЕЛОМЛЕНИЯ НА РЕФРАКТОМЕТРЕ ИРФ-23...................... |
4 |
Лабораторная работа № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ |
|
ДИСПЕРСИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК |
|
СТЕКОЛ НА РЕФРАКТОМЕТРЕ ПУЛЬФРИХА....................... |
13 |
Лабораторная работа № 3. ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ |
|
ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ................... |
20 |
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ |
|
ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ |
|
ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ.............................. |
29 |
Лабораторная работа № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ |
|
НА ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ............. |
35 |
Лабораторная работа № 6. ИЗМЕРЕНИЕ |
|
ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ |
|
И ДИСПЕРСИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕКОЛ |
|
НА РЕФРАКТОМЕТРЕ АББЕ ...................................................... |
43 |
Лабораторная работа № 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ |
|
ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЗРАЧНОСТИ |
|
ЦВЕТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СТЕКОЛ ......................................... |
50 |
Лабораторная работа № 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ |
|
И ХРУПКОСТИ СТЕКЛА ............................................................. |
62 |
Комплексная лабораторная работа. ЭКСПЕРТИЗА |
|
ЦВЕТНЫХ СТЕКОЛ...................................................................... |
76 |
Приложение .................................................................................... |
85 |
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ НА РЕФРАКТОМЕТРЕ ИРФ-23
|
Ознакомиться с принципом действия и устрой- |
Цели работы |
ством прибора ИРФ-23, определить показатель |
|
преломления стекла. |
Приборы и |
Рефрактометр ИРФ-23, ртутная лампа, иссле- |
принадлежно- |
дуемые образцы. |
сти |
|
|
|
Краткие теоретические сведения
Если луч света, падая от источника S, пересекает границу раздела двух прозрачных однородных сред с показателями преломления n1 и n2 (рис. 1.1), то направление луча изменяется в соответствии с законом преломления света:
Рис. 1.1. Ход лучей при пересечении границы раздела оптических сред
4
sin n |
|
n2 |
, |
(1.1) |
|
|
|||||
sin |
21 |
|
n1 |
|
|
|
|
|
|
||
где α – угол падения, β – угол преломления, n21 – относитель-
ный показатель преломления второй среды по отношению к первой, который представляет собой отношение абсолютных показателей преломления сред по обе стороны границы раздела.
При прохождении света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду (n1 > n2) наблюдается явление полного внутреннего отражения. Предельный угол падения αпр, при котором наступает полное внутреннее отражение, определяется из условия
90 sin пр n21. |
(1.2) |
Описание установки и метода измерений
Принцип действия рефрактометра ИРФ-23
Действие рефрактометра Пульфриха основано на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления. В этом случае измеряется наименьший (предельный) угол ελ выхода луча из системы, состоящей из испытуемого вещества и измерительной призмы, и показатель преломления можно рассчитать по формуле
n |
n2 |
sin2 |
|
, |
(1.3) |
|
0 |
|
|
|
где n0 – показатель преломления материала измерительной призмы, nλ – показатель преломления испытуемого образца.
Оптическая схема рефрактометра Пульфриха
Рефрактометр ИРФ-23 предназначен для непосредственного измерения показателя преломления и средней дисперсии твердых и жидких тел. Упрощенная оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 1.2. Прибор включает в себя источ-
5
ник света 1 (ртутную или кадмиевую лампу), конденсорную систему 2, измерительную призму 3, зрительную трубу 4 и углоизмерительную систему 5. Испытуемый образец 6 накладывается на измерительную призму 3. Между образцом и призмой помещают иммерсионную жидкость с показателем преломления nж.
Рис. 1.2. Принципиальная оптическая схема рефрактометра Пульфриха
Для измерения угла ελ зрительная труба может вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Вначале в положении I она наводится на верхнюю границу раздела светлого и темного полей (на рис. 1.3 показан вид поля изображения трубы в этом положении). Светлое поле всегда окрашено соответственно измеряемой спектральной линии. Затем в положении II (рис. 1.4) труба наводится на автоколлимационное изображение штрихов сетки и устанавливается нормально к выходной поверхности измерительной призмы. Разность показаний прибора при положениях I и II трубы соответствует углу ελ.
6
Рис. 1.3. Положение I |
Рис. 1.4. Положение II |
Устройство рефрактометра ИРФ-23
Внешний вид прибора представлен на рис. 1.5. Рефрактометр ИРФ-23 состоит из штатива 1, несущего на себе градусный лимб 2, автоколлимационную трубу 3, отсчетный микроскоп 4, лампу подсветки 5 и измерительную призму 6.
Рис. 1.5. Внешний вид рефрактометра ИРФ-23
Зрительная труба жестко связана с лимбом, диафрагма 7 объектива зрительной трубы служит для уменьшения рассеян-
7
ного света. Грубое вращение трубы производится вручную, а точное – микрометрическим винтом 8 после закрепления винтом 9. Штатив 1 является также базой крепления конденсора 10 ртутной или кадмиевой лампы 11. Положение конденсора регулируется. Лампа 11 питается от блока 12, в котором содержится дроссель. Для контроля температуры в держатель 13 может быть вставлен термометр.
Технические характеристики прибора приведены в табл. 1.1.
|
Таблица 1.1 |
|
Технические характеристики рефрактометра ИРФ-23 |
||
|
|
|
Характеристики |
Значение |
|
Цена деления: |
|
|
кругового лимба |
1° |
|
неподвижной шкалы микрометра |
0,1° |
|
круговой шкалы микрометра |
0,01° и 0,001° |
|
десятитысячная доля деления круговой |
Оценивается на глаз |
|
шкалы |
|
|
Длина световой волны ртутной лампы, мкм: |
|
|
желтый цвет |
λD = 0,5793 |
|
зеленый цвет |
λe = 0,5461 |
|
сине-фиолетовый цвет |
λg = 0,4358 |
|
Показатель преломления измерительной |
n0 = 1,616925 |
|
призмы при t = 20 °C |
||
|
||
Температурный коэффициент показателя |
n0 5,2·10 61/ С |
|
преломления измерительной призмы |
||
t |
||
|
||
Погрешность показателя преломления |
∆n0 = 2·10–5 |
|
измерительной призмы |
|
|
Предел допустимой основной погрешности |
nλ = 1·10–4 |
|
показателя преломления образца * |
|
|
*Величина nλ получена при условии, что углы выхода лучей из призмы определяются как среднее из пяти наблюдений и температурная погрешность измерительной призмы исключается введением поправки.
Погрешность измерения угла выхода луча ελ обусловлена: а) ограниченной чувствительностью наводок зрительной
трубы,
8
б) погрешностью отсчитывания, в) эксцентриситетом лимба вследствие одностороннего
отсчета, г) непараллельностью слоя иммерсии,
д) неплоскостностью поверхности образца, соприкасающейся с измерительной призмой,
е) неперпендикулярностью рабочих граней образца стекла, ж) отклонением преломляющего угла измерительной
призмы от 90°.
Выполнение измерений
Перед началом работы присоедините блок питания 12 с дросселем к сети с напряжением 220 В, включите ртутную лампу 11, а также лампу подсветки 5 (см. рис. 1.5).
Установите на измерительную призму испытуемый образец полированными сторонами к призме и источнику света, предварительно промыв эти поверхности эфиром или спиртом и капнув на призму иммерсионную жидкость (например, альфамонобромонафталин (nж = 1,66)). При умеренном нажиме на образец жидкость должна распределиться по всей поверхности равномерно и не выступать по краям (проследите, чтобы в слое жидкости не осталось пузырьков воздуха).
Отрегулируйте освещение, перемещая источник света и конденсор так, чтобы тело свечения лампы изображалось резко на поверхности образца и делилось пополам основанием образца (для контроля используйте бумажный экран). С помощью диафрагмы конденсора и эллиптической диафрагмы зрительной трубы добейтесь наиболее контрастного изображения, кронштейн конденсора 10 (см. рис. 1.5) необходимо повернуть до упора. Освещение лампой считается правильным, если получена максимальная резкость и яркость спектральных линий. Установка верхней границы светящейся линии будет правильной, если при смещении источника света в любом направле-
9
нии изменяется только положение нижней границы изображения (см. рис. 1.3).
При установке зрительной трубы в положения I и II (см. рис. 1.2) показания лимба снимаются с помощью отсчетного микроскопа со спиральным окуляр-микрометром. В его поле зрения (рис. 1.6) одновременно видны два-три градусных штриха лимба (на рис. 1.6 они имеют оцифровку 13, 14, 15), неподвижная шкала для отсчета десятых долей градуса с оцифровкой от 0 до 10 (ориентирована вертикально), круговая шкала для отсчета сотых и тысячных долей градуса и десять витков биспирали, которые смещаются вместе с вращением круговой шкалы от маховичка (на рис. 1.5 не показан). Нулевой штрих шкалы десятых долей расположен между 13-м и 14-м делениями градусной шкалы, поэтому отсчет будет равен 14 градусам и отрезку от штриха 14 до нулевого штриха вертикальной шкалы. Этот отрезок содержит десятые, сотые, тысячные и десятитысячные доли градуса. Для получения отсчета в долях градуса вращают маховичок, подводя виток биспирали так, чтобы градусный штрих 14 оказался точно посередине между линиями
биспирали. Затем, используя этот штрих как индекс, берут отсчет по вертикальной шкале десятых градуса. Сотые, тысячные и десятитысячные доли снимают с круговой шкалы по индексу, расположенному над вертикальной шкалой. Если штрих градусной шкалы занимает положение, указанное на рис. 1.6, то окончательный
Рис. 1.6. Поле зрения спирального |
отсчет по шкале будет равен |
|
окуляр-микрометра |
||
14,3533°. |
||
|
10