Взаимодействие света со стеклом

Поглощение, отражение, пропускание, рассеяние, преломление являются результатом взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Виды электромагнитного излучения классифицируют по энергии кванта излучения E:

,

где h – постоянная Планка;

ν – частота колебаний электромагнитного излучения;

с – скорость света в вакууме;

λ – длина волны электромагнитного излучения.

Для характеристики излучения оптического диапазона наиболее часто используют длину волны λ.

λ = 180 ÷ 400 нм – ультрафиолетовая область;

λ = 400 ÷ 740 нм – видимая область;

λ = 740 ÷ 50000 нм – инфракрасная область.

Приведённая область видимого излучения характеризует зрение человека, для животных границы диапазона зрения могут несколько сдвигаться.

Падение монохроматического света с исходной интенсивностью I_o на образец стекла вызывает следующие явления (рис. 4.13):

1) отражение света от двух поверхностей раздела фаз стекло–воздух I₁;

2) рассеяние и поглощение света в образце I₂;

3) пропускание света I₃;

4) преломление света (изменение направления его распространения) на границе раздела фаз стекло–воздух.

Рис. 4.13. Схема прохождения светового луча

через стеклянную пластинку

;

.

– доля отраженного света;

– доля поглощенного и рассеянного света;

– доля света, пропущенного через образец.

А – коэффициент рассеяния, Т – светопропускание.

Для листового стекла толщиной 1 см пропускание Т составляет 88-90%, поглощение колеблется от 0,5 до 3,0 % в зависимости от содержания примесей красящих компонентов, отражение равно 8-9%. Особенно высокой прозрачностью должны обладать стёкла оптического качества. Потери света в оптическом стекле должны быть минимальными, в пределе приближаясь к нулю.

В оптических приборах, где количество отражающих поверхностей достигает десятка и более, потеря света из-за отражения может достигать нескольких десятков процентов. Например, в призменном бинокле потери света в результате отражения более 25%. Коэффициент отражения можно снизить нанесением плёнки с показателем преломления меньшим, чем у стекла. Такие плёнки называются просветляющими и широко используются при изготовлении оптических приборов.

Условия полного уничтожения отражения от поверхности стекла:

1) ;

2) l = l/4.

Здесь n_пл – показатель преломления плёнки;

n_ст – показатель преломления стекла;

l – оптимальная толщина плёнки;

l – длина волны, отражение которой нужно понизить.

Методы нанесения просветляющих плёнок:

1. Из растворов гидролизующихся соединений кремния, титана, тория и др.

2. Испарением в вакууме фторидов и оксидов различных металлов.

3. Обработкой поверхности стекла растворами кислот.

Интенсивность света, прошедшего через образец, определяется законом Бугера-Ламберта-Бера:

J₃ = J_o∙e^-k∙C∙l ; T = e^-k∙C∙l .

Здесь k – коэффициент поглощения;

С – концентрация красящих центров;

l – толщина образца.

Для характеристики прозрачности среды наряду с пропусканием Т пользуются оптической плотностью D:

D_e = ln(J₀/J₃) = ln(1/T) = - ln T = k_e∙C∙l ;

D₁₀ = lg(J₀/J₃) = lg (1/T) = - lg T = k₁₀∙C∙l = 0,43∙ k_e∙C∙l .

Оптическая плотность D – это мера способности вещества поглощать излучение оптического диапазона. Коэффициент поглощения вычисляют по оптической плотности. Коэффициент поглощения k_e или k₁₀ есть величина, обратная расстоянию l, на котором поток монохроматического излучения ослабляется в заданной среде в e (или в 10) раз.

J₃ = J₀ ∙exp (-k∙C∙l); J₃ = J₀/e , если k = 1/l (при C = 1).

Спектры пропускания (поглощения) стёкол обычно задают графически в координатах «T - l», «D - l» или в виде таблиц. Спектральные кривые характеризуют изменение прозрачности или поглощения материала в зависимости от длины волны электромагнитного излучения.