Измерения рефрактометрических характеристик оптических материалов в спектральной области 248–5000 нм
УДК 681.785: 535.32
ИЗМЕРЕНИЯ РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ 248–5000 нм
© 2012 г. Л. Н. Миронова; С. А. Градусова НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург E-mail: sgradusova@mail.ru
Получены численные значения показателей преломления фтористого кальция, кварцевого стекла КУ-1, германия, кремния и керамики ПО-4, используемых при создании фотолитографических и аэрокосмических оптических систем высокого разрешения для области спектра 248–5000 нм. Приведены результаты измерений показателя преломления нового оптического материала (силиконовый компаунд ELASTOSIL RT-604A) в спектральной области 296–1800 нм. Выполнен анализ методик измерения характеристик оптических материалов в области 248–12 000 нм.
Ключевые слова: оптические материалы, показатель преломления, ультрафиолетовая область, инфракрасный диапазон.
Коды OCIS: 120.0120, 160.0160
Поступила в редакцию 24.05.2011
Введение
Современное развитие оптического приборостроения связано с разработкой сложных оптико-электронных систем, используемых не только в видимой области спектра, но и за ее пределами. К числу перспективных направлений относят исследования, способствующие продвижению в глубокую ультрафиолетовую (УФ) область и в инфракрасный (ИК) диапазон. Разработка и совершенствование высокоточных оптических систем, работающих за пределами видимой области спектра, предъявляют высокие требования, как к качеству оптических материалов так и к точности определения их рефрактометрических характеристик. Задача точного измерения показателей преломления (ПП) и дисперсий оптических материалов является актуальной для оптического приборостроения и прежде всего при разработке объективов. Так, для обеспечения хроматической коррекции в апохроматах погрешность измерения дисперсии не должна превышать 110–6 [1]. Наиболее востребованными материалами для оптических систем, работающих в разных областях спектра, являются кристаллические материалы. Для УФ области спектра это фтористый кальций и кварцевое стекло. В ИК области спектра широкое применение нашли кристаллы германия, кремния и опти-
ческая керамика, которые, благодаря высокому значению ПП, являются важными материалами для систем, работающих в области 2400– 12 000 нм.
Анализ методики измерений показателей преломления в области спектра 248–12 000 нм
В данной работе измерения рефрактометрических констант проводили методом призмы (автоколлимационный метод) [2]. Используемые средства измерений приведены в табл. 1. При вычислении ПП использовали измеренные значения преломляющего угла призмы и углов падения, при которых осуществлялся автоколлимационный ход лучей на соответствующих длинах волн. Измерения ПП во всей области пропускания исследуемого материала проводили на одном образце, представляющем собой прямоугольную трехгранную призму с двумя рабочими гранями, образующими преломляющий угол. На одну из рабочих граней было нанесено зеркальное покрытие. Образцы для измерений изготавливали из оптических материалов в соответствии с требованиями к показателям качества (оптическая однородность, бессвильность, пузырность) по техническим условиям нормативной документации [2, 5]. В процессе измерений фиксировали тем-
72 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
Таблица 1. Характеристики приборов, использованных при проведении рефрактометрических измерений
Приборы
Назначение
Спектральный диапазон, нм
Погрешность измерений
углы, с
Показатели преломления
Средняя дисперсия
Гониометр-спектрометр ГС1Л [3]
388–700
±(0,2–0,5) ±(1–3)10–6
±110–6
Гониометр-спектрометр “ZEISS” [2]
Гониометр-спектрометр
Измерение углов, показателей преломления, дисперсий
400–700 248–400
±1
±510–6
±1,510–6
±2 ±(1–2)10–5 ±(1–4)10–6
ГСИ [4]
400–1100
±2
±(1–2)10–5
±410–6
1200–12000
±2
±110–4
±110–5
пературу вблизи исследуемого образца, атмосферное давление и относительную влажность в помещении. Для контроля рабочих условий измерений использовали: термометр (цена деления 0,1 C), барометр (цена деления 100 Па), измеритель влажности (погрешность ±5%). Колебание температуры во время измерений не превышало ±0,5 C. На точность измерений ПП оказывают влияние многие факторы: изменение температуры в процессе измерений, кривизна изображения задающей щели, величина эксцентриситета при установке призмы, выбор длины волны, стабильность источника излучения и другие. Для уменьшения величины случайной составляющей погрешности ПП для каждого образца проводили серию измерений при разных установках призмы. Измерения ПП в разных спектральных областях велись на разных приборах при различных атмосферных условиях, поэтому в расчеты вводились поправки, учитывающие зависимость ПП оптического материала от температуры и ПП воздуха. Математическая обработка результатов измерений, проводившаяся на компьютере с помощью программ, разработанных в формате Microsoft Excel, позволила объединить измерения, выполненные на двух приборах, и привести окончательные значения ПП к нормальным условиям: 20,0 C; 101,325 кПа; 58%.
Суть методики прецизионных измерений в УФ области состояла в получении точных значений ПП в видимой области спектра (388– 706) нм на гониометре – спектрометре ГС1Л и точных значений дисперсий в спектральной области (248–435) нм с помощью гониометра ГСИ. При проведении измерений в видимой области спектра источниками излучения являлись спектральные высокочастотные лам-
пы ВСБ-2, излучающие спектры в виде узких атомных линий разных элементов (ртути, кадмия, натрия, гелия). Измерения ПП и дисперсий на гониометре ГСИ для УФ области спектра проводили с использованием ртутной лампы ДРС-50 и приемника излучения ФЭУ-100. Для достижения максимальной точности измерений в видимом и УФ диапазонах к технологии изготовления образцов предъявлялись жесткие требования: допуск на отклонение от плоскостности рабочих граней образца должен быть не более 0,2 интерференционной полосы. Для исключения влияния пирамидальности образцов допуски на прямые углы между основаниями и рабочими гранями не превышали ±30 угл. секунд. При изготовлении образцов учитывались вышеперечисленные условия, выбирались оптимальные размеры граней (5050 мм) и преломляющих углов.
Измерения ПП в области 546–5000 нм проводили с использованием гониометра – спектрометра фирмы “ZEISS” и гониометра ГСИ. Источниками излучения при измерении ПП в видимой области спектра являлись спектральные лампы (ртуть, кадмий, натрий) и разрядные трубки (водород, гелий). ПП для ближней ИК области 706–1083 нм получены расчетным путем используя дисперсии, измеренные на гониометре ГСИ. Источниками излучения служили спектральные лампы ВСБ-2 с наполнителями (ртуть, кадмий, цезий, рубидий). В области 2400–5000 нм ПП измеряли на гониометре ГСИ с помощью расчетной градуировки монохроматора. Источником излучения служил штифт Нернста ИКР-1, приемником излучения служил ОАП-5М1. Предельное отклонение от плоскостности рабочих поверхностей образца не превышало 0,5 ин-
“Оптический журнал”, 79, 2, 2012
73
терференционной полосы. Измерения ПП проводили на призмах с преломляющими углами 9–14 угл. градусов. Сложность получения точных измерений в далекой ИК области спектра связана с уменьшением интенсивности излучения источника и ростом поглощения света веществом измеряемого материала.
Экспериментальные результаты
Для получения точных рефрактометрических характеристик проведены исследования следующих оптических материалов: фтористого кальция, кварцевого стекла КУ-1, кристал-
лов кремния, германия, керамики ПО-4, силиконового компаунда.
1. Фтористый кальций. Оптические константы кристаллов являются величинами постоянными, однако, на ПП существенное влияние могут оказывать примеси, присутствующие в сырье, а также способ выращивания кристаллов [6]. Были проведены измерения ПП фтористого кальция для трех образцов в разных спектральных областях. Методика измерений позволила получить кривую дисперсии в спектральном диапазоне 248–5000 нм. Результаты измерений и расчетов приведены в табл. 2. Для расчетов использовали темпера-
Таблица 2. Результаты рефрактометрических измерений
Длина волны, нм
Фтористый кальций
Кварцевое стекло КУ-1
Керамика ПО-4
Условия измерения
20,0 C; 101,325 кПа; 58%
5000 4800 4600 4400 4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 1800 1600 1400 1300 1200 1100 1083,0 He 900 894,3 Cs 852,1 Cs 800 794,8 Rb 780,23 Rb 706,519 He(r) 667,815 He 656,280 H(C) 643,847Cd(С) 589,290 Na(D) 587,562He(d) 579,000 Hg 576,960 Hg
1,39980 1,40211 1,40430 1,40626 1,40836 1,41024 1,41204 1,41369 1,41531 1,41677 1,41823 1,41959 1,42080 1,42194
— — — — — — 1,428402 — 1,429693 1,430055 — 1,430616 1,430776 1,4316980 — — 1,4327054 — 1,4338724 1,4340781 1,4341309
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 1,4551043 1,4560258 — 1,4566607 — 1,4584218 1,4587253 1,4588026
2,4298 2,4305 2,4312 2,4318 2,4327 2,4334 2,4342 2,4350 2,4359 2,4368 2,4379 2,4390 2,4404 2,4420
— — — — — — 2,48049 — 2,50437 2,51231 — 2,52555 2,52952 2,55413 2,57149 — 2,57748 — 2,62431 — —
ELASTOSIL RT-604A
19,6 C; 100,8 кПа; 42%
— — — — — — — — — — — — — — 1,3923 1,3955 1,3964 1,3971 1,3977 1,3984 — 1,4003 — — 1,4017 — — 1,4036 — 1,4049 1,4053 1,4073 1,4073 — —
74 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
Продолжение таблицы 2
Длина волны, нм
Фтористый кальций
Кварцевое стекло КУ-1
Керамика ПО-4
Условия измерения
20,0 C; 101,325 кПа; 58%
546,073 Hg(e) 508,582 He 501,568 He 486,130 H(F)
479,991Cd(F) 467,816 Cd 447,100 He
435,833 Hg(g) 404,656 Hg(h)
388,865 He 365,015 Hg(i)
334,148 Hg 312,567 Hg 302,150 Hg 296,728 Hg 289,360 Hg 280,347 Hg 275,278 Hg 269,883 Hg 265,204 Hg 253,652 Hg 248,272 Hg Ср. дисперсия Коэф. дисперсии
1,4349606 1,4361745
— — 1,4372972 1,4378400 — 1,4394947 1,4415140 — 1,444910 1,448511 1,451756 1,453602 1,454660 1,456196 1,458263 1,459541 — 1,462301 1,466005 1,467947 0,0045918 94,72
1,4600345 1,4618187 1,4621972
— 1,4634580 1,4642479 1,4657403 1,4666491 1,4695738 1,4713448 1,474493 1,479718 1,484377 1,487147 1,488693 1,490949 1,493995 1,495870 1,498009 1,499982 1,505545 1,508358 0,006797
67,68
2,66765 — — — — — — — —
— — — — — — — — — — — — — —
ELASTOSIL RT-604A
19,6 C; 100,8 кПа; 42%
1,4093 — —
1,4128 1,4133
— — 1,4172 1,4208 — 1,4272 1,4340 1,4400 1,4438 1,4459 — — — — — — — 0,00793 51,61
турные коэффициенты показателей преломления, заимствованные из работы [7]. На рисунке показаны результаты сравнения измеренных ПП фтористого кальция с данными работы [8]. В результате сравнения результатов измерений ПП фтористого кальция с литературными данными было установлено их полное соответствие. Отклонения ПП (dn) в области спектра 296–365 нм не превысили величины 410–6, а в области 404–852 нм – 210–6. Это свидетельствует об оптической однородности материала и высокой точности наших измерений. Случайная составляющая погрешности измерений преломляющих углов исследуемых образцов при десяти независимых измерениях не превысила величины 0,2 угл. секунды. Погрешность измерений ПП в спектральной области 296–852 нм составила ±(1–3)10–6.
2. Кварцевое стекло КУ-1. В табл. 2 представлены результаты измерений показателя преломления образца кварцевого стекла марки КУ-1. При сравнении результатов измерений
dn10–6 мм
с данными, полученными нами ранее по дифференциальной методике с использованием рефрактометра СП-129 [9], а также с данными Национального бюро стандартов (США) [10], считающихся по точности измерений лучши-
2 1
0
–1 –2
–3 –4
–5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Длина волны, нм
Сравнение измеренных значений показателей преломления фтористого кальция (¨) с результатами измерений из работы [8] (—).
“Оптический журнал”, 79, 2, 2012
75
ми, установлено, что за исключением результатов для ряда отдельных линий, отклонения экспериментальных точек не превысили величины ±510–5. ПП исследуемого образца отличаются от данных, полученных ранее, на 510–5, от данных NBS на 410–5. Так как величина ПП кварцевого стекла определяется технологией производства и может отклоняться от номинала, то требуется проводить контроль оптических параметров. Исследуемый образец не подвергался дополнительной термической обработке, был изготовлен из наплавленного блока и поэтому величины ПП оказались завышенными на величину 410–5. Погрешность измерения ПП кварцевого стекла марки КУ-1 не превысила ±510–6 в спектральном диапазоне 248–706 нм.
Кристаллы германия, кремния, керамика ПО-4. Рефрактометрические характеристики оптических материалов германия, кремния и керамики ПО-4 в ИК области исследованы недостаточно. Литературные источники дают разные значения параметров. До сих пор не преодолены трудности, связанные с выращиванием больших однородных кристаллов. В связи с этим, было проведено обобщение на-
копленного за последние годы материала по измерению ПП, проведены оценка точности и статистическая обработка измерений. В табл. 3 представлены усредненные результаты измерений ПП десяти образцов германия, 12 образцов кремния, 16 образцов керамики ПО-4. СКО измерений ПП от образца к образцу для германия в области 2400–3000 нм составило ±(3–5)10–4, в области 3200–5000 нм ±1–210–4; для кремния в диапазоне 2400– 3000 нм ±110–4, а в диапазоне 3200– 5000 нм ±0,3–0,510–4; для керамики ПО-4 в области 2400–5000 нм СКО равно ± 110–4. В табл. 2 приведены результаты измерений керамики ПО-4 в диапазоне 546–5000 нм. Результаты измерений ПП кристаллов и керамики приведены к нормальным условиям измерений. Температурные коэффициенты ПП взяты из справочника [11]. Из табл. 3 следует, что в области 2400–3600 нм разброс значений СКО больше. Вероятно это обусловлено дефектами структуры материалов и требует проведения контроля по ПП.
Силиконовый компаунд ELASTOSIL RT604A. Силиконовые компаунды – оптические материалы нового поколения, о дисперсии
Таблица 3. Результаты статистической обработки данных измеренных показателя преломления кристаллов и керамики
Длина волны, нм Условия
измерения 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000
Германий СКО* ±(104)
4,0730 4,0618 4,0524 4,0452 4,0393 4,0347 4,0306 4,0274 4,0246 4,0222 4,0200 4,0183 4,0168 4,0153
5 5 5 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1
Кремний СКО* ±(104) Керамика ПО-4 СКО* ±(104)
20,0 C; 101,325 кПа; 58%
3,4413 3,4376 3,4345 3,4320 3,4300 3,4284 3,4270 3,4259 3,4249 3,4240 3,4232 3,4226 3,4220 3,4215
1 1 1 1 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4
2,4418 2,4403 2,4388 2,4377 2,4366 2,4357 2,4348 2,4340 2,4332 2,4325 2,4317 2,4310 2,4304 2,4296
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
* СКО – средне квадратичное отклонение.
76 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
которых в литературе данные отсутствуют. При отверждении на воздухе силиконы превращаются в прочные полимеры, имеющие высокую химическую инертность и температурную стабильность. Силиконовые компаунды применяются при изготовлении линз Френеля, используемых в проекционном и прожекторном оборудовании. По заданию ФТИ им. А.Ф. Иоффе проводилось изучение рефрактометрических свойств силиконового компаунда марки ELASTOSIL RT-604A во всей области его прозрачности. Измерения проводили на гониометре-спектрометре фирмы “ZEISS” и гониометре-спектрометре ГСИ. Преломляющий угол образца и показатели преломления в области спектра 404–706 нм измерены на гониометре фирмы “ZEISS”. Гониометр ГСИ использовали для изучения дисперсий в областях спектра 297–365 нм и 706–1800 нм. Одним из сложных моментов работы являлась разработка и изготовление исследуемого образца. Образец представлял собой кювету, рабочие грани которой образованы двумя кварцевыми плоскопараллельными пластинами высокой точности наполовину приклеенными к призме с известным углом. Клиновидность пластин не превышала одной угл. минуты. Отклонение от плоскостности рабочих поверхностей составляло 0,25 интерференционной полосы. Толщина пластин 5 мм. Силикон под давлением заливали в кювету. После застывания материал принимал форму призмы с заданным углом. В табл. 2 приведены результаты экспериментальных измерений. СКО результатов измерений ПП не превысило величины ± 110–4. Отсутствие температурных коэффициентов для силиконового компаунда не позволило привести его ПП к нормальным условиям. (Условия, при которых проводили измерения, приведены в табл. 2 и 3.)
Заключение
1. В результате проведенной работы получены точные значения ПП фтористого кальция в спектральной области 248–5000 нм с погрешностью ±(1–5)10–6 и кварцевого стекла КУ-1 в спектральной области 248–706 нм с погрешностью ±510–6.
2. Систематизированы результаты измерений ПП кристаллов германия, кремния, керамики ПО-4, для области спектра 2400–5000 нм. Проведена статистическая обработка результатов измерений, которая показала, что колебания значений ПП, обусловленные структурой и оптической неоднородностью материалов, являются значительными и составляют ±(1–5)10–4. Это подтверждает необходимость проведения контроля оптических констант кристаллов, используемых при разработке сложных оптических систем. Для одного из образцов (керамика ПО-4) получены численные значения ПП в спектральной области 546–5000 нм. Погрешность измерений ПП в спектральной области 546–1083 нм составляет ±110–5, в области 2400–5000 нм – ± 110–4.
3. Изучена дисперсионная зависимость нового оптического материала (силиконовый компаунд ELASTOSIL RT-604A) в спектральном диапазоне 297–1800 нм. Погрешность измерений ПП не превысила величины ±110–4. Разработанные нами компьютерные программы для обработки результатов измерений позволили проводить сложные и трудоемкие расчеты по приведению ПП к нормальным условиям (20,0 C; 101,325 кПа; 58%) быстрее и с большей точностью. Точность выполненных измерений ПП не уступает зарубежным данным.
Авторы выражают признательность В.С. Доладугиной за участие в обсуждении статьи и Н.П. Копьевой за участие в проведении измерений.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Волосов Д.С., Цено Н.В., Архипова Л.Н. Исследование достоверности информации о хроматической коррекции апохроматов // ОМП. 1982. № 6. С. 19–23.
2. ГОСТ 28869-90. Материалы оптические. Методы измерений показателей преломления.
3. Ванюрихин А.И., Зайцев И.И. Автоматический гониометр на основе кольцевого лазера // ОМП. 1982. № 9. С. 28–31.
4. Забудский И.П., Молочников Б.И., Бахшиева Г.Ф., Миронова Л.Н., Ольховский М.В. Инфракрасный гониометрический рефрактометр ГСИ // ОМП. 1978. № 10. С. 31–34.
“Оптический журнал”, 79, 2, 2012
77
5. ГОСТ 23136- 93. Материалы оптические. Параметры. 6. Черневская Э.Г., Алексеева Т.А., Бахшиева Г.Ф. Оптические характеристики крупногабаритных монокри-
сталлов фторидов // ОМП. 1973. № 6. С. 45–47. 7. Malitson J.H. A Redtermination of Some Optical Properties of Calcium Fluoride // Appl. Opt. 1963. V. 2.
№ 11. P. 1103–1107. 8. Daimon M., Masumura A. High-accuracy measurements of the refractive indices and its temperature coef-
ficient of calcium fluoride in a wide wavelength range from 138 to 2326 nm // Appl. Opt. 2002. V. 41. № 25. Р. 5275–5281. 9. Градусова С.А., Доладугина В.С., Миронова Л.Н. Рефрактометрические характеристики кварцевого стекла // Оптический журнал. 1994. Т. 61. № 10. С. 54–63. 10. Malitson J.H. Interspecimen comparison of the refractive indices of fused silica // JOSA. 1965. V. 55. № 10. P. 1205–1309. 11. Воронкова Е.М., Гречушников Г.И., Дистлер Г. И., Петров М.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: “Наука”, 1999. 240 с.
78 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
ИЗМЕРЕНИЯ РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ 248–5000 нм
© 2012 г. Л. Н. Миронова; С. А. Градусова НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург E-mail: sgradusova@mail.ru
Получены численные значения показателей преломления фтористого кальция, кварцевого стекла КУ-1, германия, кремния и керамики ПО-4, используемых при создании фотолитографических и аэрокосмических оптических систем высокого разрешения для области спектра 248–5000 нм. Приведены результаты измерений показателя преломления нового оптического материала (силиконовый компаунд ELASTOSIL RT-604A) в спектральной области 296–1800 нм. Выполнен анализ методик измерения характеристик оптических материалов в области 248–12 000 нм.
Ключевые слова: оптические материалы, показатель преломления, ультрафиолетовая область, инфракрасный диапазон.
Коды OCIS: 120.0120, 160.0160
Поступила в редакцию 24.05.2011
Введение
Современное развитие оптического приборостроения связано с разработкой сложных оптико-электронных систем, используемых не только в видимой области спектра, но и за ее пределами. К числу перспективных направлений относят исследования, способствующие продвижению в глубокую ультрафиолетовую (УФ) область и в инфракрасный (ИК) диапазон. Разработка и совершенствование высокоточных оптических систем, работающих за пределами видимой области спектра, предъявляют высокие требования, как к качеству оптических материалов так и к точности определения их рефрактометрических характеристик. Задача точного измерения показателей преломления (ПП) и дисперсий оптических материалов является актуальной для оптического приборостроения и прежде всего при разработке объективов. Так, для обеспечения хроматической коррекции в апохроматах погрешность измерения дисперсии не должна превышать 110–6 [1]. Наиболее востребованными материалами для оптических систем, работающих в разных областях спектра, являются кристаллические материалы. Для УФ области спектра это фтористый кальций и кварцевое стекло. В ИК области спектра широкое применение нашли кристаллы германия, кремния и опти-
ческая керамика, которые, благодаря высокому значению ПП, являются важными материалами для систем, работающих в области 2400– 12 000 нм.
Анализ методики измерений показателей преломления в области спектра 248–12 000 нм
В данной работе измерения рефрактометрических констант проводили методом призмы (автоколлимационный метод) [2]. Используемые средства измерений приведены в табл. 1. При вычислении ПП использовали измеренные значения преломляющего угла призмы и углов падения, при которых осуществлялся автоколлимационный ход лучей на соответствующих длинах волн. Измерения ПП во всей области пропускания исследуемого материала проводили на одном образце, представляющем собой прямоугольную трехгранную призму с двумя рабочими гранями, образующими преломляющий угол. На одну из рабочих граней было нанесено зеркальное покрытие. Образцы для измерений изготавливали из оптических материалов в соответствии с требованиями к показателям качества (оптическая однородность, бессвильность, пузырность) по техническим условиям нормативной документации [2, 5]. В процессе измерений фиксировали тем-
72 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
Таблица 1. Характеристики приборов, использованных при проведении рефрактометрических измерений
Приборы
Назначение
Спектральный диапазон, нм
Погрешность измерений
углы, с
Показатели преломления
Средняя дисперсия
Гониометр-спектрометр ГС1Л [3]
388–700
±(0,2–0,5) ±(1–3)10–6
±110–6
Гониометр-спектрометр “ZEISS” [2]
Гониометр-спектрометр
Измерение углов, показателей преломления, дисперсий
400–700 248–400
±1
±510–6
±1,510–6
±2 ±(1–2)10–5 ±(1–4)10–6
ГСИ [4]
400–1100
±2
±(1–2)10–5
±410–6
1200–12000
±2
±110–4
±110–5
пературу вблизи исследуемого образца, атмосферное давление и относительную влажность в помещении. Для контроля рабочих условий измерений использовали: термометр (цена деления 0,1 C), барометр (цена деления 100 Па), измеритель влажности (погрешность ±5%). Колебание температуры во время измерений не превышало ±0,5 C. На точность измерений ПП оказывают влияние многие факторы: изменение температуры в процессе измерений, кривизна изображения задающей щели, величина эксцентриситета при установке призмы, выбор длины волны, стабильность источника излучения и другие. Для уменьшения величины случайной составляющей погрешности ПП для каждого образца проводили серию измерений при разных установках призмы. Измерения ПП в разных спектральных областях велись на разных приборах при различных атмосферных условиях, поэтому в расчеты вводились поправки, учитывающие зависимость ПП оптического материала от температуры и ПП воздуха. Математическая обработка результатов измерений, проводившаяся на компьютере с помощью программ, разработанных в формате Microsoft Excel, позволила объединить измерения, выполненные на двух приборах, и привести окончательные значения ПП к нормальным условиям: 20,0 C; 101,325 кПа; 58%.
Суть методики прецизионных измерений в УФ области состояла в получении точных значений ПП в видимой области спектра (388– 706) нм на гониометре – спектрометре ГС1Л и точных значений дисперсий в спектральной области (248–435) нм с помощью гониометра ГСИ. При проведении измерений в видимой области спектра источниками излучения являлись спектральные высокочастотные лам-
пы ВСБ-2, излучающие спектры в виде узких атомных линий разных элементов (ртути, кадмия, натрия, гелия). Измерения ПП и дисперсий на гониометре ГСИ для УФ области спектра проводили с использованием ртутной лампы ДРС-50 и приемника излучения ФЭУ-100. Для достижения максимальной точности измерений в видимом и УФ диапазонах к технологии изготовления образцов предъявлялись жесткие требования: допуск на отклонение от плоскостности рабочих граней образца должен быть не более 0,2 интерференционной полосы. Для исключения влияния пирамидальности образцов допуски на прямые углы между основаниями и рабочими гранями не превышали ±30 угл. секунд. При изготовлении образцов учитывались вышеперечисленные условия, выбирались оптимальные размеры граней (5050 мм) и преломляющих углов.
Измерения ПП в области 546–5000 нм проводили с использованием гониометра – спектрометра фирмы “ZEISS” и гониометра ГСИ. Источниками излучения при измерении ПП в видимой области спектра являлись спектральные лампы (ртуть, кадмий, натрий) и разрядные трубки (водород, гелий). ПП для ближней ИК области 706–1083 нм получены расчетным путем используя дисперсии, измеренные на гониометре ГСИ. Источниками излучения служили спектральные лампы ВСБ-2 с наполнителями (ртуть, кадмий, цезий, рубидий). В области 2400–5000 нм ПП измеряли на гониометре ГСИ с помощью расчетной градуировки монохроматора. Источником излучения служил штифт Нернста ИКР-1, приемником излучения служил ОАП-5М1. Предельное отклонение от плоскостности рабочих поверхностей образца не превышало 0,5 ин-
“Оптический журнал”, 79, 2, 2012
73
терференционной полосы. Измерения ПП проводили на призмах с преломляющими углами 9–14 угл. градусов. Сложность получения точных измерений в далекой ИК области спектра связана с уменьшением интенсивности излучения источника и ростом поглощения света веществом измеряемого материала.
Экспериментальные результаты
Для получения точных рефрактометрических характеристик проведены исследования следующих оптических материалов: фтористого кальция, кварцевого стекла КУ-1, кристал-
лов кремния, германия, керамики ПО-4, силиконового компаунда.
1. Фтористый кальций. Оптические константы кристаллов являются величинами постоянными, однако, на ПП существенное влияние могут оказывать примеси, присутствующие в сырье, а также способ выращивания кристаллов [6]. Были проведены измерения ПП фтористого кальция для трех образцов в разных спектральных областях. Методика измерений позволила получить кривую дисперсии в спектральном диапазоне 248–5000 нм. Результаты измерений и расчетов приведены в табл. 2. Для расчетов использовали темпера-
Таблица 2. Результаты рефрактометрических измерений
Длина волны, нм
Фтористый кальций
Кварцевое стекло КУ-1
Керамика ПО-4
Условия измерения
20,0 C; 101,325 кПа; 58%
5000 4800 4600 4400 4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 1800 1600 1400 1300 1200 1100 1083,0 He 900 894,3 Cs 852,1 Cs 800 794,8 Rb 780,23 Rb 706,519 He(r) 667,815 He 656,280 H(C) 643,847Cd(С) 589,290 Na(D) 587,562He(d) 579,000 Hg 576,960 Hg
1,39980 1,40211 1,40430 1,40626 1,40836 1,41024 1,41204 1,41369 1,41531 1,41677 1,41823 1,41959 1,42080 1,42194
— — — — — — 1,428402 — 1,429693 1,430055 — 1,430616 1,430776 1,4316980 — — 1,4327054 — 1,4338724 1,4340781 1,4341309
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 1,4551043 1,4560258 — 1,4566607 — 1,4584218 1,4587253 1,4588026
2,4298 2,4305 2,4312 2,4318 2,4327 2,4334 2,4342 2,4350 2,4359 2,4368 2,4379 2,4390 2,4404 2,4420
— — — — — — 2,48049 — 2,50437 2,51231 — 2,52555 2,52952 2,55413 2,57149 — 2,57748 — 2,62431 — —
ELASTOSIL RT-604A
19,6 C; 100,8 кПа; 42%
— — — — — — — — — — — — — — 1,3923 1,3955 1,3964 1,3971 1,3977 1,3984 — 1,4003 — — 1,4017 — — 1,4036 — 1,4049 1,4053 1,4073 1,4073 — —
74 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
Продолжение таблицы 2
Длина волны, нм
Фтористый кальций
Кварцевое стекло КУ-1
Керамика ПО-4
Условия измерения
20,0 C; 101,325 кПа; 58%
546,073 Hg(e) 508,582 He 501,568 He 486,130 H(F)
479,991Cd(F) 467,816 Cd 447,100 He
435,833 Hg(g) 404,656 Hg(h)
388,865 He 365,015 Hg(i)
334,148 Hg 312,567 Hg 302,150 Hg 296,728 Hg 289,360 Hg 280,347 Hg 275,278 Hg 269,883 Hg 265,204 Hg 253,652 Hg 248,272 Hg Ср. дисперсия Коэф. дисперсии
1,4349606 1,4361745
— — 1,4372972 1,4378400 — 1,4394947 1,4415140 — 1,444910 1,448511 1,451756 1,453602 1,454660 1,456196 1,458263 1,459541 — 1,462301 1,466005 1,467947 0,0045918 94,72
1,4600345 1,4618187 1,4621972
— 1,4634580 1,4642479 1,4657403 1,4666491 1,4695738 1,4713448 1,474493 1,479718 1,484377 1,487147 1,488693 1,490949 1,493995 1,495870 1,498009 1,499982 1,505545 1,508358 0,006797
67,68
2,66765 — — — — — — — —
— — — — — — — — — — — — — —
ELASTOSIL RT-604A
19,6 C; 100,8 кПа; 42%
1,4093 — —
1,4128 1,4133
— — 1,4172 1,4208 — 1,4272 1,4340 1,4400 1,4438 1,4459 — — — — — — — 0,00793 51,61
турные коэффициенты показателей преломления, заимствованные из работы [7]. На рисунке показаны результаты сравнения измеренных ПП фтористого кальция с данными работы [8]. В результате сравнения результатов измерений ПП фтористого кальция с литературными данными было установлено их полное соответствие. Отклонения ПП (dn) в области спектра 296–365 нм не превысили величины 410–6, а в области 404–852 нм – 210–6. Это свидетельствует об оптической однородности материала и высокой точности наших измерений. Случайная составляющая погрешности измерений преломляющих углов исследуемых образцов при десяти независимых измерениях не превысила величины 0,2 угл. секунды. Погрешность измерений ПП в спектральной области 296–852 нм составила ±(1–3)10–6.
2. Кварцевое стекло КУ-1. В табл. 2 представлены результаты измерений показателя преломления образца кварцевого стекла марки КУ-1. При сравнении результатов измерений
dn10–6 мм
с данными, полученными нами ранее по дифференциальной методике с использованием рефрактометра СП-129 [9], а также с данными Национального бюро стандартов (США) [10], считающихся по точности измерений лучши-
2 1
0
–1 –2
–3 –4
–5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Длина волны, нм
Сравнение измеренных значений показателей преломления фтористого кальция (¨) с результатами измерений из работы [8] (—).
“Оптический журнал”, 79, 2, 2012
75
ми, установлено, что за исключением результатов для ряда отдельных линий, отклонения экспериментальных точек не превысили величины ±510–5. ПП исследуемого образца отличаются от данных, полученных ранее, на 510–5, от данных NBS на 410–5. Так как величина ПП кварцевого стекла определяется технологией производства и может отклоняться от номинала, то требуется проводить контроль оптических параметров. Исследуемый образец не подвергался дополнительной термической обработке, был изготовлен из наплавленного блока и поэтому величины ПП оказались завышенными на величину 410–5. Погрешность измерения ПП кварцевого стекла марки КУ-1 не превысила ±510–6 в спектральном диапазоне 248–706 нм.
Кристаллы германия, кремния, керамика ПО-4. Рефрактометрические характеристики оптических материалов германия, кремния и керамики ПО-4 в ИК области исследованы недостаточно. Литературные источники дают разные значения параметров. До сих пор не преодолены трудности, связанные с выращиванием больших однородных кристаллов. В связи с этим, было проведено обобщение на-
копленного за последние годы материала по измерению ПП, проведены оценка точности и статистическая обработка измерений. В табл. 3 представлены усредненные результаты измерений ПП десяти образцов германия, 12 образцов кремния, 16 образцов керамики ПО-4. СКО измерений ПП от образца к образцу для германия в области 2400–3000 нм составило ±(3–5)10–4, в области 3200–5000 нм ±1–210–4; для кремния в диапазоне 2400– 3000 нм ±110–4, а в диапазоне 3200– 5000 нм ±0,3–0,510–4; для керамики ПО-4 в области 2400–5000 нм СКО равно ± 110–4. В табл. 2 приведены результаты измерений керамики ПО-4 в диапазоне 546–5000 нм. Результаты измерений ПП кристаллов и керамики приведены к нормальным условиям измерений. Температурные коэффициенты ПП взяты из справочника [11]. Из табл. 3 следует, что в области 2400–3600 нм разброс значений СКО больше. Вероятно это обусловлено дефектами структуры материалов и требует проведения контроля по ПП.
Силиконовый компаунд ELASTOSIL RT604A. Силиконовые компаунды – оптические материалы нового поколения, о дисперсии
Таблица 3. Результаты статистической обработки данных измеренных показателя преломления кристаллов и керамики
Длина волны, нм Условия
измерения 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000
Германий СКО* ±(104)
4,0730 4,0618 4,0524 4,0452 4,0393 4,0347 4,0306 4,0274 4,0246 4,0222 4,0200 4,0183 4,0168 4,0153
5 5 5 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1
Кремний СКО* ±(104) Керамика ПО-4 СКО* ±(104)
20,0 C; 101,325 кПа; 58%
3,4413 3,4376 3,4345 3,4320 3,4300 3,4284 3,4270 3,4259 3,4249 3,4240 3,4232 3,4226 3,4220 3,4215
1 1 1 1 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4
2,4418 2,4403 2,4388 2,4377 2,4366 2,4357 2,4348 2,4340 2,4332 2,4325 2,4317 2,4310 2,4304 2,4296
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
* СКО – средне квадратичное отклонение.
76 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012
которых в литературе данные отсутствуют. При отверждении на воздухе силиконы превращаются в прочные полимеры, имеющие высокую химическую инертность и температурную стабильность. Силиконовые компаунды применяются при изготовлении линз Френеля, используемых в проекционном и прожекторном оборудовании. По заданию ФТИ им. А.Ф. Иоффе проводилось изучение рефрактометрических свойств силиконового компаунда марки ELASTOSIL RT-604A во всей области его прозрачности. Измерения проводили на гониометре-спектрометре фирмы “ZEISS” и гониометре-спектрометре ГСИ. Преломляющий угол образца и показатели преломления в области спектра 404–706 нм измерены на гониометре фирмы “ZEISS”. Гониометр ГСИ использовали для изучения дисперсий в областях спектра 297–365 нм и 706–1800 нм. Одним из сложных моментов работы являлась разработка и изготовление исследуемого образца. Образец представлял собой кювету, рабочие грани которой образованы двумя кварцевыми плоскопараллельными пластинами высокой точности наполовину приклеенными к призме с известным углом. Клиновидность пластин не превышала одной угл. минуты. Отклонение от плоскостности рабочих поверхностей составляло 0,25 интерференционной полосы. Толщина пластин 5 мм. Силикон под давлением заливали в кювету. После застывания материал принимал форму призмы с заданным углом. В табл. 2 приведены результаты экспериментальных измерений. СКО результатов измерений ПП не превысило величины ± 110–4. Отсутствие температурных коэффициентов для силиконового компаунда не позволило привести его ПП к нормальным условиям. (Условия, при которых проводили измерения, приведены в табл. 2 и 3.)
Заключение
1. В результате проведенной работы получены точные значения ПП фтористого кальция в спектральной области 248–5000 нм с погрешностью ±(1–5)10–6 и кварцевого стекла КУ-1 в спектральной области 248–706 нм с погрешностью ±510–6.
2. Систематизированы результаты измерений ПП кристаллов германия, кремния, керамики ПО-4, для области спектра 2400–5000 нм. Проведена статистическая обработка результатов измерений, которая показала, что колебания значений ПП, обусловленные структурой и оптической неоднородностью материалов, являются значительными и составляют ±(1–5)10–4. Это подтверждает необходимость проведения контроля оптических констант кристаллов, используемых при разработке сложных оптических систем. Для одного из образцов (керамика ПО-4) получены численные значения ПП в спектральной области 546–5000 нм. Погрешность измерений ПП в спектральной области 546–1083 нм составляет ±110–5, в области 2400–5000 нм – ± 110–4.
3. Изучена дисперсионная зависимость нового оптического материала (силиконовый компаунд ELASTOSIL RT-604A) в спектральном диапазоне 297–1800 нм. Погрешность измерений ПП не превысила величины ±110–4. Разработанные нами компьютерные программы для обработки результатов измерений позволили проводить сложные и трудоемкие расчеты по приведению ПП к нормальным условиям (20,0 C; 101,325 кПа; 58%) быстрее и с большей точностью. Точность выполненных измерений ПП не уступает зарубежным данным.
Авторы выражают признательность В.С. Доладугиной за участие в обсуждении статьи и Н.П. Копьевой за участие в проведении измерений.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Волосов Д.С., Цено Н.В., Архипова Л.Н. Исследование достоверности информации о хроматической коррекции апохроматов // ОМП. 1982. № 6. С. 19–23.
2. ГОСТ 28869-90. Материалы оптические. Методы измерений показателей преломления.
3. Ванюрихин А.И., Зайцев И.И. Автоматический гониометр на основе кольцевого лазера // ОМП. 1982. № 9. С. 28–31.
4. Забудский И.П., Молочников Б.И., Бахшиева Г.Ф., Миронова Л.Н., Ольховский М.В. Инфракрасный гониометрический рефрактометр ГСИ // ОМП. 1978. № 10. С. 31–34.
“Оптический журнал”, 79, 2, 2012
77
5. ГОСТ 23136- 93. Материалы оптические. Параметры. 6. Черневская Э.Г., Алексеева Т.А., Бахшиева Г.Ф. Оптические характеристики крупногабаритных монокри-
сталлов фторидов // ОМП. 1973. № 6. С. 45–47. 7. Malitson J.H. A Redtermination of Some Optical Properties of Calcium Fluoride // Appl. Opt. 1963. V. 2.
№ 11. P. 1103–1107. 8. Daimon M., Masumura A. High-accuracy measurements of the refractive indices and its temperature coef-
ficient of calcium fluoride in a wide wavelength range from 138 to 2326 nm // Appl. Opt. 2002. V. 41. № 25. Р. 5275–5281. 9. Градусова С.А., Доладугина В.С., Миронова Л.Н. Рефрактометрические характеристики кварцевого стекла // Оптический журнал. 1994. Т. 61. № 10. С. 54–63. 10. Malitson J.H. Interspecimen comparison of the refractive indices of fused silica // JOSA. 1965. V. 55. № 10. P. 1205–1309. 11. Воронкова Е.М., Гречушников Г.И., Дистлер Г. И., Петров М.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: “Наука”, 1999. 240 с.
78 “Оптический журнал”, 79, 2, 2012