مشخصات اپتیکی شیشه


دید کلی

هر جسم یا ماده‌ای که قادر به عبور دادن تابش اپتیکی از خود باشد وسیله اپتیکی است. مهمترین کاربرد شیشه در ساخت عدسی است که بیشتر در عینک مورد استفاده قرار می‌گیرد. عینک یک وسیله اپتیکی است که سبب ایجاد تصویر بر روی لایه دریافت کننده تصویر ، شبکیه می‌باشد. تابش الکترومغناطیسی که از اجزای جهان فیزیکی است طبیعت موجی دارد، در عوض نور یک پدیده فیزیولوژیک است که توسط گیرنده چشمی ، فقط یک قسمت کوچک از طیف تابش الکترومغناطیسی به نام طیف مرئی مشخص می‌کند. هنوز هم با گذشت قرنها از تجربه شیشه‌های معدنی بیشترین استفاده را در ساخت عدسیهای افتالمیک دارند شیشه‌های معدنی مخلوطی آمورف از ایندریدها - سیلیکاتها می‌باشند که از انجام فرآیندهای حرارتی بر روی مواد اولیه شنی بدست می‌آیند.

ضریب شکست n

ضریب شکست شیشه یک عدد حقیقی است، اگر سرعت انتشار تابش در هوای 20 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر یک 1013mbar برابر C باشد و V سرعت انتشار نور در شیشه ، ضریب شکست شیشه از رابطه زیر بدست می‌آید:


n = C/V

رابطه دوم یک رابطه مثلثاتی است که به قانون اسنل (Snell) شهرت دارد:


n = Sini/Sinr

Sini = سینوس زاویه برخورد و Sinr = سینوس زاویه شکست.


هر چه ضریب شکست یک وسیله اپتیکی نسبت به محیط پرتو تابیده بیشتر باشد پرتو انکساری نسبت به پرتو عمود بر سطح بیشتر منحرف شده و سرعت انتشار آن کمتر است.

پاشندگی

پدیده تغییر ضریب شکست در یک وسیله اپتیکی به صورت تابعی از طول موج پرتو تابیده شده را پاشندگی می‌نامند. یک پرتوی چند رنگ به تعداد پرتوهای تک رنگی که آنرا تشکیل می‌دهد منشأ پرتوهای انکساری است بیشترین انحراف مربوط به پرتوهایی می‌باشد که کمترین طول موج را دارند. میزان پاشندگی از طریق محاسبه رابطه nf - nc که در آن c وf نوارهای مشخصه فرانهوفر (Fraunhofer) برای کادمیوم می‌باشد بدست می‌آید. معمولا مقدار n مربوط به تابش زرد در منطقه D نوارهای فرانهوفر در ناحیه جذب سدیم (nD) می‌باشد. روش استاندارد تعیین ضریب شکست یک ماده بر همین اساس است به این گونه که نمونه‌هایی طبق یک پروتکل استاندارد تعیین شده تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند که در آن مقادیر معین برای وسیکوزیته پرتوهای تابیده با طول موج λ = 587.6nm در دمای 20 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده، این پارامتر از رابطه زیر محاسبه می‌شود:


V = nD - 1/nf - nc

nD - 1 را شکست می‌نامند. در اپتیک افتالمیک شیشه‌های معدنی با مقدار V بزرگتر از 50 را کراون و کمتر 50 را فلنیت می‌نامند. عکس V قدرت پاشندگی است.


  • همگن: در صورت همگن بودن خصوصیات اپتیکی در تمام نقاط یکسان است. از نظر علم اپتیک این بدین معنی است که ضریب شکست برای یک پرتو با طول موج معین در تمام نقاط یکسان باشد.

  • ایزوتروپی: در صورت ایزوتروپ بودن ضریب شکست با تغییر جهت پرتو تابیده شده تغییر نمی‌کند.

  • ضریب انتقال یا گذرایی : برای هر طول موج رابطه میان شار خروجی φa یک تابش و شار تابیده شده متناظر φi را نشان می‌دهد ({TEX()} {\tau} {TEX} = φai). میزان برای پرتوهای خطرناک مثل UV (فرابنفش) برای مقاصد ما از اهمیت خاصی برخوردار است. دو عبارت دیگر:

    • کدری (Opacity) که عکس گذرایی است. (1/)
    • چگالی که لگاریتم در پایه 10 کدری است. (log1/10)

  • ضریب جذب: برای هر طول موج رابطه میان شار جذب شده φa و تابیده شده متناظر φi را نشان می‌دهد.

شفافیت

اصولا شفافیت بالا همراه نبود ناخالصی (ناشی از اکسیدهای فلزی که در مرحله ذوب در شیشه رنگ ایجاد می‌کنند) ، ناخالصی ، عیوب از قبیل شیار ، ناخالصی ، تاری و جباب می‌باشد. هنگام صحبت از شفافیت باید میان شیشه‌های سفید و رنگی تفاوت قایل شویم. شیشه‌های سفید به دلیل اینکه ذاتا حالت جذب ندارند مناطقی را در طیف به صورت گزینش جذب نمی‌کنند ولی شیشه‌های رنگی به صورت ثابت و یا متغیر در طول موجهای خاص از طیف مرئی جذب گزینشی دارند که خاصیت رنگ را در آنها ایجاد می‌کند.

مزیت بازتابش یا بازتابندگی

ضریب بازتابش φ حاصل تقسیم شار پرتو بازتابیده شده φr به شار پرتو تابیده شده φi می‌باشد ρ = φri.
ضریب بازتابش به صورت درصد گزارش می‌شود، در صورتی که φi = 10. فرنل (Fresnel) بر اساس تئوری موجی رابطه کلی زیر را برای ضریب بازتابش ρ بدست آورده است:


ρ = {Sin²(i-r)/Sin²(i+r)} Sin²α+{tg²(i-r)/tg²(i+r)}Cos2α

شیشه کراون

به دلیل سختی ، همگنی و برش آسان مورد توجه است. در صنعت برای ساخت آینه ، شیشه پنجره ، لیوان کریستال مورد استفاده قرار می‌گیرد. شیشه کراون دو عیب اساسی دارد:


  • شکننده است، به قطعاتی بزرگ نوک تیز تبدیل می‌شود.
  • برای قدرتهای تصحیح بالا ، وزن و ضخامت آن بیش از اندازه است.

    افزایش شیشه سازهایی از جنس بور در مخلوط اولیه از قبیل ایندرید بور B2O3 و بوراکس a2B4O7 باعث سیال شدن جرم شیشه‌ای می‌شود، در نتیجه کراونی با دانسیته مناسب و پایین به نام بور و سیلیکات بدست می‌آید، افزودن اکسید باریم به عنوان پایدار کننده به میزان بالا به مخلوط کراون ضریب شکست را افزایش می‌دهد، بدون آنکه ضریب پاشندگی را بیش از حد بیافزاید. انواع دیگر کراون با باریم با ضریب شکست 1.6 دارای دانسیته‌ای معادل آنها کراون می‌باشند ولی میزان پاشندگی نور تا حدود 42 درصد کاهش می‌دهد.

شیشه فلینت

شامل مجموعه بزرگی از شیشه‌ها می‌باشد که مورد استفاده در صنایع تولید کریستال قرار می‌گیرد. به دلیل دارا بودن مقادیر متغیر اکسید سرب تا 70 درصد ضریب شکست این نوع شیشه می‌تواند به 1.8 برسد و مقاومت بسیار خوبی در برابر اشعه فرابنفش دارد.

عیوب

  • ضریب پاشندگی بالایی دارد در حالیکه میزان بالای جذب در ناحیه آبی طیف مرئی باعث رنگ مایه زرد - قهوه‌ای می‌شود که ممکن است از نظر ظاهری مطلوب نباشد (در عینک).

  • نرم هستند و سطوح آنها براحتی خط بر می‌دارد.
  • سنگین هستند.
  • بسادگی تراش نمی‌خورند.

شیشه‌های تیتانیوم

ضریب شکست بالا (nD = 1.7) ، ضریب پاشندگی قابل قبول دارند می‌توان آنها را به طریق شیمیایی باز پخت نمود و تراش با سنگ الماسه جهت بیزته کردن عدسیها ، عینا مشابه شیشه کراون می‌باشد. مقادیر ضریب بازتابش بالا ، قیمت عدسی تیتانیوم دو برابر شیشه کراون است.

شیشه‌های ساخته شده از خاکهای نادر

با بکار گیری این مواد مثل نیوبیوم ، لانتانیوم ، تانتالیوم امکان ساخت شیشه‌های با ضریب شکست بالا ولی با مقادیر قابل قبول ضریب پاشندگی و چگالی زا هم شده است. در این نوع شیشه‌ها افزایش ضریب شکست همراه با افزایش ضریب بازتابش می‌باشد، از اینرو عملیات ضد بازتابش نور در عمل اجباری است.

چشم انداز

خواص شیشه یا هر وسیله اپتیکی فقط خواص اپتیک نیستند، بلکه خواص فیزیکی و شیمیایی آنرا نیز در بر می‌گیرند مثل: مقاومت در برابر سایش و ضربه ، ضریب انبساط حرارتی خطی ، مقاومت در برابر عوامل شیمیایی.

مباحث مرتبط با عنوان



تعداد بازدید ها: 30764