Способ определения качества кристаллов исландского шпата
Владельцы патента RU 2374629:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)" (RU)
Способ определения качества кристаллов исландского шпата для изготовления поляризаторов включает измерение спектра оптической плотности кристалла в диапазоне длин волн от 220 до 400 нм в плоскополяризованном свете. Электрический вектор плоскополяризованного света параллелен оптической оси кристалла. Хотя бы две противоположные грани кристалла, параллельные его оптической оси, отполированы, а оптическая ось кристалла перпендикулярна падающему излучению. Определяют положения максимумов полос поглощения и соответствующие им значения оптической плотности, и определяют категорию качества кристаллосырья следующим образом: 1 категория - не выше 0,31 см-1, 2 категория - не выше 0,35 см-1, 3 категория - не выше 0,45 см-1. Технический результат - более точный контроль светопоглощения кристаллосырья для изготовления поляризаторов. 1 табл., 5 ил.
Изобретение относится к способам оценки качества оптически прозрачного исландского шпата, как природного, так и синтетического, предназначенного для изготовления деталей оптических устройств.
В современном оптическом приборостроении предпочтительное применение находят кристаллы исландского шпата, обладающие максимальной прозрачностью в широком спектральном диапазоне. Несобственное оптическое поглощение кристаллов увеличивает потери при прохождении светового луча, а в ряде случаев делает невозможным использовать исландский шпат в качестве оптического материала. Изобретение может быть использовано при отборе материала для изготовления оптических деталей приборов поляризационной оптики, спектроскопии и лазерной техники.
Поляризаторы света для ультрафиолетового диапазона (220-400 нм) являются наиболее ценными, а стоимость оптического материала для их изготовления - самая высокая. Это обусловлено тем, что большинство кристаллов исландского шпата имеет значительное несобственное поглощение в этой области (Скропышев А.В., Кукуй А.Л. Исландский шпат. Л., «Недра», 1973). Величина, характеризующая несобственное оптическое поглощение - оптическая плотность является важнейшим показателем качества кристаллов.
Известен метод определения показателя поглощения оптического материала («Материалы оптические. Метод определения показателя поглощения в области спектра от 220 до 1100 нм». ОСТ 3-1179-72. СССР Отраслевой стандарт. 1972), включающий определение оптической плотности образца по отношению монохроматического светового потока, прошедшего через образец, к монохроматическому потоку, прошедшему через воздух. Измерение оптической плотности производится при помощи спектрофотометров, затем на основании проведенных измерений вычисляют показатель поглощения. Метод предусматривает измерение оптической плотности при фиксированных длинах волн в неполяризованном (естественном) свете. Такой же метод определения качества кристаллосырья описан и в справочнике (Справочник технолога-оптика. СПб., «Политехника», 2004).
Недостатком описанных методов является измерение в неполяризованном свете при фиксированных длинах волн.
Известен способ определения качества кристаллов, принятый за прототип («Исландский шпат - оптический материал в виде полуфабрикатов оптических элементов». Технические условия ТУ 41-07-070-91), который позволяет контролировать качество исландского шпата как оптического материала в виде полуфабрикатов оптических элементов. В соответствии с этими техническими условиями оптически годный материал подразделяется на три марки, характеризуемые спектральным светопоглощением. Материал каждой марки применим в определенной спектральной области. Марка ИШ-У -исландский шпат, пригодный по всему спектру длин волн от 220 до 1900 нм с контролируемым светопоглощением на 220 и 310 нм. Марка ИШ-В - исландский шпат, пригодный для работы в диапазоне длин волн от 400 до 1900 нм с контролируемым светопоглощением на 400 нм. Марка ИШ-И - исландский шпат, пригодный для работы в красном и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн с контролируемым светопоглощением при 700 нм.
Недостатком прототипа является то, что измерения производят в неполяризованном (естественном) свете при фиксированных длинах волн. При таком способе определения качества кристаллосырья оказываются отбракованными многие годные к использованию кристаллы, а категория качества может быть определена неверно.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков. Более тщательный контроль светопоглощения позволит более корректно производить отбор кристаллосырья для изготовления поляризаторов, что приведет к экономии ценного оптического материала.
Технический результат достигается тем, что в способе определения качества кристаллов исландского шпата для изготовления поляризаторов, включающем определение категории качества кристаллосырья, согласно изобретению измерение спектра оптической плотности производят в поляризованном свете при ориентации электрического вектора поляризованного света параллельно оптической оси кристалла исландского шпата во всем рабочем ультрафиолетовом диапазоне кристалла исландского шпата. При этом измеряют спектр оптической плотности кристалла в диапазоне длин волн от 220 до 400 нм в плоскополяризованном свете, причем электрический вектор плоскополяризованного света параллелен оптической оси кристалла, хотя бы две противоположные грани кристалла, параллельные его оптической оси, отполированы, а оптическая ось кристалла перпендикулярна падающему излучению, определяют положения максимумов полос поглощения и соответствующие им значения оптической плотности, и определяют категорию качества кристаллосырья следующим образом:
1 категория - не выше 0,31 см-1,
2 категория - не выше 0,35 см-1,
3 категория - не выше 0,45 см-1.
Наиболее важным является применение исландского шпата для изготовления поляризаторов света широкого спектрального диапазона благодаря его высокому двулучепреломлению и прозрачности. Поляризатор (призма) Глана-Фуко в модификации Тейлора (Шерклифф У. Поляризованный свет. М., «Мир», 1965) наиболее часто используется для получения поляризованного света. Такой поляризатор предназначен, главным образом, для ультрафиолетового света, но используется также для поляризации видимого и инфракрасного света.
На фиг.1 показан общий вид поляризатора Глана-Фуко, а на фиг.2 - его вид сверху. Он состоит из двух клиньев из исландского шпата, оптические оси которых параллельны. Из естественного неполяризованного света (1) поляризатор выделяет плоско поляризованный луч (2), у которого электрический вектор Е параллелен кристаллографической оси L3 обоих клиньев (необыкновенный луч). Именно этот луч и используется в приборе. Луч с вектором Е, перпендикулярным этой оси (обыкновенный), отклоняется, он не является рабочим (3). На фиг.3 и 4 изображен поляризатор Глана-Фуко в модификации Тейлора, который отличается от предыдущего ориентацией кристаллографической оси клиньев. В нем тоже выделяется необыкновенный плоскополяризованный луч 2, а обыкновенный луч 3 отклоняется.
Изучение светопоглощения исландского шпата в ультрафиолетовом диапазоне показало, что полосы поглощения могут не совпадать с длинами волн 220 и 310 нм. В зависимости от условий минералообразования возможно присутствие полос поглощения 230, 250, 260, 280, 300, 330 и 350 нм (Кукуй А.Л., Матвеева О.П. «Оптические свойства и химический состав исландского шпата месторождений различных типов». Записки ВМО, №5, 2003 г., с.78-86). Поэтому контроль светопоглощения следует производить не только на 220 и 310 нм, а измерять спектр оптической плотности во всем рабочем ультрафиолетовом спектральном диапазоне поляризатора и определять положения максимумов полос поглощения и соответствующие значения оптической плотности.
В рассматриваемом ультрафиолетовом диапазоне 220-400 нм для исландского шпата характерен значительный дихроизм несобственного поглощения. На фиг.5 приведен спектр оптической плотности исландского шпата, измеренный в неполяризованном свете (кривая 4) и в поляризованном при различных ориентациях оптической оси кристалла (кривые 5 и 6). Оптическая плотность при ориентации электрического вектора света Е перпендикулярно кристаллографической оси L3 (оптической оси) кристалла исландского шпата (кривая 6) в большинстве случаев превышает таковую при параллельной ориентации (кривая 5).
В частности, при 310 нм отношение этих оптических плотностей может достигать 10 и более раз.
Следовательно, контроль несобственного поглощения в поляризованном свете при Е||L3 (т.е. необыкновенного луча, а именно он является рабочим для упомянутых поляризаторов) позволит более корректно производить отбор кристаллосырья для изготовления поляризаторов, точнее определять категорию кристаллосырья и расширить круг годных к использованию кристаллов.
ПРИМЕР. Проведен контроль оптического поглощения десяти заготовок, предназначенных для изготовления поляризаторов света ультрафиолетового диапазона. Заготовки из монокристаллов исландского шпата представляли собой кубы, вырезанные параллельно кристаллографической оси L3, причем хотя бы две противоположные грани, параллельные оси L3, были отполированы.
Контроль несобственного поглощения кристаллов исландского шпата по предлагаемому способу производится следующим образом: заготовка из исландского шпата устанавливается в спектрофотометре так, чтобы кристаллографическая ось L3 была перпендикулярна падающему лучу. Перед заготовкой помещают поляризатор света, например призму Глана, так, чтобы электрический вектор Е плоско поляризованного света был параллелен кристаллографической оси L3, затем производят измерение спектра оптической плотности не на отдельных фиксированных длинах волн, а во всем рабочем ультрафиолетовом диапазоне спектра. При измерении в двулучевом режиме поляризатор света устанавливают также и в луче сравнения в таком же положении.
Затем измерены оптические плотности заготовок в соответствии с прототипом («Исландский шпат - оптический материал в виде полуфабрикатов оптических элементов». Технические условия ТУ 41-07-070-91). Технические условия подразделяют исландский шпат, годный для изготовления поляризаторов ультрафиолетового диапазона (ИШ-У), на три категории в зависимости от величины светопоглощения. Оптическая плотность ИШ-У наилучшей по качеству 1-й категории, измеренная на длинах волн 220 и 310 нм, не должна превышать 0,31 см-1; для ИШ-У 2-й категории - 0,35 см-1; для ИШ-У 3-й категории - 0,45 см-1. Проведено сравнение оценки качества заготовок в соответствии с прототипом и по предлагаемому способу. Результаты измерений десяти образцов приведены в таблице. Видно, что оценка качества кристаллосырья по предлагаемому способу позволяет использовать для изготовления поляризаторов ультрафиолетового диапазона ранее отбракованный материал, а также отнести изученные кристаллы к более высокой категории качества.
| ТАБЛИЦА | |||||||
| Определение категории исландского шпата ИШ-У по ТУ («Исландский шпат - оптический материал в виде полуфабрикатов оптических элементов». Технические условия ТУ 41-07-070-91) и по предлагаемому способу. | |||||||
| № обр | D, см-1 по ТУ | категория по [5] | по предлагаемому способу | ||||
| 220 нм | 310 нм | D, см-1 | Dmax, см-1 (λmax, нм) | категория | |||
| 220 нм | 310 нм | ||||||
| 1 | 0,67 | 0,35 | не годен | 0,34 | 0,22 | 0,26(300) | 2 |
| 2 | 0,33 | 0,24 | 2 | 0,18 | 0,13 | 0,18(260) | 1 |
| 3 | 0,47 | 0,18 | не годен | 0,21 | 0,05 | 0,23(260) | 1 |
| 4 | 0,44 | 0,24 | 3 | 0,20 | 0,11 | 0,17(260) | 1 |
| 5 | 0,39 | 0,18 | 3 | 0,20 | 0,06 | 0,12(260) | 1 |
| 6 | 0,39 | 0,10 | 3 | 0,14 | 0,03 | 0,11(250) | 1 |
| 7 | 0,42 | 0,12 | 3 | 0,22 | 0,02 | 0,22(260) | 1 |
| 8 | 0,52 | 0,18 | не годен | 0,36 | 0,08 | 0,12(280) | 2 |
| 9 | 0,53 | 0,22 | не годен | 0,18 | 0,06 | 0,20(265) | 1 |
| 10 | 0,63 | 0,43 | не годен | 0,39 | 0,22 | 0,38(250) | 3 |
Способ определения качества кристаллов исландского шпата для изготовления поляризаторов, включающий определение категории качества кристаллосырья, отличающийся тем, что измерение спектра оптической плотности кристалла производят в диапазоне длин волн от 220 до 400 нм в плоскополяризованном свете, причем электрический вектор плоскополяризованного света параллелен оптической оси кристалла, хотя бы две противоположные грани кристалла, параллельные его оптической оси, отполированы, а оптическая ось кристалла перпендикулярна падающему излучению, определяют положения максимумов полос поглощения и соответствующие им значения оптической плотности и определяют категорию качества кристаллосырья следующим образом:
1 категория не выше 0,31 см-1,
2 категория не выше 0,35 см-1,
3 категория не выше 0,45 см-1.
