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合于非常短火石玻璃的阐发PDF

  

合于非常短火石玻璃的阐发PDF

  关于特殊短火石玻璃的论述 光电 1401 张晋松 3140105566 1.概述 应用特殊短火石玻璃的目的为消除二级光谱。二级光谱是在某孔径带消除了两种色光的 色差后,这两种色光的像点与另一色光的像点之间的距离。 根据像差理论(具体推导会在第 2 部分给出),仅消除两个波长的色差时,要使用阿贝 数 v 相差较大的两片透镜,而如果再考虑第三波长,即需要消除二级光谱进一步提升像质的 时候,则需要用到相对部分色散 P 相差较小的两片透镜。 这其中的矛盾点在于,玻璃 P-v 关系近乎于一条直线 玻璃决定的“标 准线”(Normal lines),大部分玻璃的 P-v 值都在这条直线上,因此很难找到同时符合以上 两个下划线标注的条件的组合。而距离这条直线较远的玻璃,则被称为特殊色散玻璃,因此 特殊色散玻璃对于二级光谱的校正有很大意义。 特殊色散玻璃分为两种,第一类 v 值较小,短波部分 P 值也偏小,第二类 v 值较大, 短波部分 P 值也偏大。特殊短火石(Special Short Flint)属于第一类特殊色散玻璃,其基 本组成为 B O -PbO-Al O 。对特殊短火石玻璃的研究可追溯到 1946 年,苏联科学家通过对 2 3 2 3 铅硼酸盐玻璃中各成分比重对于玻璃光学性质的影响的研究,发现了该玻璃在短波部分有着 特殊的色散性质。[1] 虽然特殊短火石拥有优异的特殊色散性质,然而这种玻璃也存在着严重的问题。其问题 在于其成分中正三价的硼作为网络生成体,相比于硅氧四面体,各方面的稳定性都较差。因 此对于特殊短火石玻璃的生产与应用都是非常大的阻碍。 最后值得一提的是,该玻璃在 Schott 体系中所用的牌号有些混乱,有些地方使用 KzSF, 而 Schott 官方的光学玻璃手册使用 KZFS;在中国所用的牌号为 TF。 2.具体推导 基本定义 回顾 : 阿贝数:v= 相对部分色散:P = 推导 : 首先从应用光学消除色差的原理出发。利用双胶合透镜消 C、F 光色差时有: ∅ ∅ + =0 ∅ +∅ =∅ 式中∅ 、∅ 分别为两个透镜的光焦度, 、 分别为两个透镜的阿贝数,∅ 为光学系 统设计要求的总光焦度。 令ε= ,由上式推出: ∅ ∅ = 1−1 ∅ ∅ = 1− 可见,ε越接近 1(即两透镜阿贝数越接近), ∅ 、 ∅ 就越接近,由于符号相反,因 此就会导致两透镜光焦度之和越接近 0,从而无法达到设计的总光焦度。因此若利用双胶合 透镜消色差,必须要求 、 相差较大。 接下来考虑二级光谱(g 光,短波区)的消除。令v = ,由消除色差的原理 同理可得: ∅ ∅ + =0 与下式联立: ∅ ∅ + =0 得: = 由v 的定义,可以得出: = 则有: = 因此从理论上来说,两透镜的相对部分色散相等是消除二级光谱的条件。而这就与之前 的结论产生了矛盾,由于大部分玻璃都位于 P-v“标准线”(如对于 g、F 光,标准线),因此很难同时做到阿贝数相差较大与相对部分色散相差较小。 而类似特殊短火石的具体特殊色散性质的玻璃,在这里就能充分体现出其重要的应用价值。 3.特殊色散性质的本质原因 色散理论认为,造成特殊色散性质的原因主要是红外区与紫外区的本征吸收导致了可见 光区短波/长波 n-λ曲线斜率的变化,从而影响到相对部分色散。 特殊短火石玻璃的玻璃网络生成体 B O 由于网络中间体 Al O 与网络修饰体 PbO 的 2 3 2 3 存在,大部分处于硼氧三角体[BO ]配位(具体原因为,PbO 在一定条件下为网络提供游离 3 氧,而 Al O 中的铝离子相比硼离子更容易与氧进行四面体配位,因此[BO ]大量存在)。而 2 3 3 [BO ]的红外本征吸收带与 Si 等其他网络生成体相比更靠近红外短波区,而吸收带越靠近红 3 外短波区,对于可见光区的 n-λ曲线的影响就越大,使得短波区的曲线更加平滑,即相对部 分色散小于“标准线] 上图中,左边的曲线]含量较大的状况,相比于右边的曲线,由于向 左移动了一段,可以发现在短波区,对于同一段波长带(λ1−λ2),左边的曲线斜率明显 较低,这就导致了相对部分色散的降低。 4.硼硅 比与硼反常现象 由于硼酸盐玻璃基本结构的化学稳定性较差,因此在实际应用时会考虑向其中加入 SiO2 , 虽然加入后使得玻璃内部结构更加紧密,化学稳定性得以提高,但同时由于引入了氧化物, 提供了游离氧,使得部分[BO ]转化为[BO ],继而导致玻璃的特殊色散性质越来越不明显。 3 4 因此需要权衡合适的硼硅比,使得玻璃既拥有较高的稳定性,又保持良好的特殊色散性质。 如果从硼的角度考虑,在某些氧化物体系中慢慢提高 B O 的含量,会发现随着硼含量 2 3 的变化,体系性质的改变是存在极值的。这是由于 B O 含量较小时,因为体系中存在游离 2 3 氧,硼主要以较稳定的硼氧四面体[BO ]的形式存在,因此此时 B O 含量的提高对于体系的 4 2 3 稳定性是起积极作用的;而当硼含量较高以至于成为体系的主要成分时,结构上不稳定的 [BO ]会逐渐取代[BO ],而使得体系稳定性降低,导致体系的性质,如折射率、硬度、化学 3 4 稳定性等,随着硼含量的改变出现极值。这一现象被称为硼反常现象。 5.相关参考资料 下面给出 Schott 公司《2016 年光学玻璃特性参数手册》中有关 KZFS 牌号玻璃的资料, 以供参考。 主要参考文献 [1]赵东来, 李东宁, 杜占平. 特短火石玻璃的研究[J]. 光学精密工程, 1980(1):37-43. [2]王衍行, 祖成奎, 许晓典,等. 光学玻璃的特殊色散机理[J]. 中国光学, 2016, 9(1):122- 129.

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本站文章于2019-11-18 02:41,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:合于非常短火石玻璃的阐发PDF

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