СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА КРИСТАЛЛОВ ИСЛАНДСКОГО ШПАТА Российский патент 2009 года по МПК G01N21/33 G01N21/21 

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 D_max, см^-1 (λ_max, 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 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.

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.