光學(xué)玻璃內(nèi)透射比測量及其影響因素分析*

蔡　山　錢　進(jìn)　石春英　王捍平　劉秀英　殷　聰

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

內(nèi)透射比是衡量光學(xué)玻璃透光性能的一個重要參考指標(biāo)。它定義為光在玻璃內(nèi)部行進(jìn)一定距離后，終點與起始點輻射通量之比，由于它排除了玻璃表面對光的反射作用，因此能夠直接反映出玻璃材料對光束的吸收和透射性能。在光學(xué)成像、光纖通信等很多應(yīng)用領(lǐng)域，光學(xué)玻璃材料的內(nèi)透射比對光學(xué)器件的性能起著至關(guān)重要的作用。

本文對內(nèi)透射比測量中影響測量結(jié)果的主要因素進(jìn)行分析并給出了相應(yīng)的測量方案，以便及時找到測量中產(chǎn)生誤差的原因，并采取措施消除或減小其影響，從而保證測量結(jié)果有效可靠。

1　測量原理

如圖1所示，對具有一定厚度的玻璃樣品進(jìn)行外透射比(簡稱透射比)測量，設(shè)待測玻璃樣品的厚度為d，光強(qiáng)為Ii的單色光垂直入射到玻璃表面，從玻璃右側(cè)表面出射光強(qiáng)為It，玻璃樣品的透射比t 與內(nèi)透射比ti有如下關(guān)系：

(1)

式中，P為反射因子。

(2)

式中，n為玻璃的折射率。

從待測光學(xué)玻璃材料中取出二塊厚度不同的玻璃樣品，假設(shè)它們厚度分別為d1、d2，(d1>d2)，分別測得這兩塊樣品的透射比為t1、t2，由于兩塊玻璃樣品來自同一材料，所以反射因子P相同，根據(jù)式(1)可以得到：

(3)

式中，ti1-2就是厚度為d1-d2玻璃樣品的內(nèi)透射比。

圖1　分光光度計測量光學(xué)玻璃內(nèi)透射比示意圖

2　影響內(nèi)透射比測量值的因素

2.1　光學(xué)玻璃內(nèi)部成分結(jié)構(gòu)帶來的影響

2.1.1雜質(zhì)帶來的影響

由于玻璃工藝的局限，在玻璃制造過程中一些過渡金屬和稀土元素氧化物會混入玻璃中，如Ti、V、Cr、Mn、Fe等。這些氧化物在玻璃的透射光譜范圍內(nèi)會產(chǎn)生一些較強(qiáng)的吸收帶[1]，Sigel和Ginther等人發(fā)現(xiàn)原材料中存在的微量鐵雜質(zhì)最終會導(dǎo)致成品玻璃產(chǎn)生強(qiáng)烈的紫外吸收[2]。另外，水分子的O-H鍵會在紅外光譜區(qū)帶來很強(qiáng)的吸收帶，若玻璃中含羥基較多，則它的紅外透射能力會變差。

2.1.2散射帶來的影響

在玻璃制造過程中，一些未熔化的小顆粒、混入的氣泡，都會對入射光產(chǎn)生較強(qiáng)的散射作用。此外，熔煉過程中由于較輕組份(如SiO2、Na2O)和較重組份(如PbO)的分離，使得玻璃密度產(chǎn)生微小的波動，經(jīng)過退火后，這些密度波動會被固化下來。研究顯示，密度的波動程度與退火溫度相關(guān)[3]。這種尺度遠(yuǎn)小于入射光波長的密度波動也會產(chǎn)生散射作用，而且入射光波長越短，散射作用越強(qiáng)。

由于光學(xué)玻璃中，氣泡、雜質(zhì)和密度分布會受到工藝、材料和環(huán)境等因素的影響。對于同種型號不同批次的光學(xué)玻璃，測量得到的內(nèi)透射比往往略有不同，一些知名公司的光學(xué)玻璃產(chǎn)品內(nèi)透射比的實測值在400～800nm波長范圍內(nèi)與標(biāo)稱值之差可達(dá)1.5％。因此，在對內(nèi)透射比要求較高的場合，應(yīng)該對每一批玻璃進(jìn)行取樣測試，以保證其內(nèi)透射性能符合應(yīng)用要求。

2.2　樣品加工質(zhì)量帶來的影響

2.2.1被測樣品平面性和平行性的影響

由測量原理可知，理想情況下要求測試光束垂直入射玻璃表面，且在拋光面的入射和出射兩點之間沿同一光路往復(fù)反射。為了提高測量精度，保證探測光垂直通光面?zhèn)鞑ィ诓Ａа心r應(yīng)保證玻璃的兩個通光面具有較高的平面性和平行性。一般要求平面度N=3，局部光圈數(shù)ΔN=0.5，平行度優(yōu)于2′。

2.2.2通光面的粗糙度影響

光譜的內(nèi)透射比可以通過兩塊不同厚度玻璃的透射比相除得到，其目的就是為了消除玻璃表面反射部分(即反射因子P)的影響，若想消除反射因子的影響，每塊測試玻璃應(yīng)當(dāng)具有相同的反射因子，而實際上反射因子不僅和玻璃的折射率有關(guān)還與玻璃表面的粗糙度有關(guān)。

設(shè)玻璃樣品表面對入射光的總反射率為rt，由于玻璃表面并非理想的平面，總會存在一定的粗糙度，則總反射可分為鏡面反射(反射率：rs)和漫反射(反射率：rd)兩部分，此時總反射率為：

rt=rs+rd

(4)

鏡面反射率rs與玻璃樣品的表面粗糙度直接相關(guān)，當(dāng)粗糙度增大時總反射率中鏡面反射率減小，漫反射率變大；當(dāng)粗糙度減小時，鏡面反射率增大，漫反射率減小。發(fā)生鏡面反射的入射光視玻璃樣品的通光表面為理想平面，垂直入射到樣品內(nèi)部。引入鏡面反射率后，式(2)中反射因子可改寫為

(5)

式中，r為光線垂直入射理想玻璃表面時的菲涅爾反射率。

漫反射由界面的粗糙性產(chǎn)生，它涉及到光在界面的單次或多次反射，光束發(fā)生漫反射后，其反射光與折射光的方向與粗糙表面輪廓的具體形狀相關(guān)，宏觀上漫射光線會以一定的概率向各個方向傳播，因此玻璃中一些與入射光不平行的漫射光線也會進(jìn)入到輸出光探測器中，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)，產(chǎn)生誤差。所以我們要盡量減小漫反射率，以減少漫射光線給測量結(jié)果帶來的影響。

為了盡可能地減少被測樣品間反射因子的差異以及漫射光束給測量結(jié)果帶來的影響，可從以下方面入手：

1)由式(5)可知，為了使得不同厚度待測玻璃樣品具有相同的反射因子，要求每個樣品的通光表面具有相同的鏡面反射率rs，當(dāng)光束垂直入射到玻璃樣品表面時，鏡面反射率的大小會受到表面粗糙度的影響。因此，玻璃樣品表面粗糙度的一致性在測量中是十分重要的。用來測試的兩塊厚度不同的玻璃樣品，除了要求是相同的玻璃材料外，還要具有相同的表面粗糙度，這樣才能使得它們具有相同的反射因子。在光學(xué)零件加工過程中手工操作量大，工序多，多數(shù)工序?qū)囟?、濕度、塵埃、振動和光照等環(huán)境因素很敏感，因此不同的光學(xué)車間加工水平是不一樣的，甚至同一加工車間同一個人加工的每批光學(xué)零件的質(zhì)量也是不同的。

有鑒于此，所有測試樣品應(yīng)當(dāng)在同一地點，以同樣的工藝流程，同批次進(jìn)行拋光，從而減少樣品間表面粗糙度的差異。

2)研究表明，隨著樣品表面粗糙度的不斷減小，鏡面反射率會隨之增大，最后趨于一個常數(shù)。圖2[4]為理論計算給出的光在垂直入射到界面時鏡面反射率與漫反射率隨界面粗糙度的變化關(guān)系，σ0表示RMS粗糙度，橫軸σ0/l 是以波長歸一化的粗糙度，縱軸為各反射率與光線垂直入射時的菲涅爾反射率之比。由圖2可知，當(dāng)粗糙度較大時，鏡面反射率曲線較為陡峭，粗糙度的變化對鏡面反射率有較大影響；當(dāng)粗糙度較小時，鏡面反射率趨于極大值，鏡面反射率的曲線斜率趨近于0，此時粗糙度的變化對鏡面反射率的影響很小，漫反射率也趨近于最小值。因此，在進(jìn)行拋光時，我們應(yīng)當(dāng)盡可能地減小測試樣品表面的粗糙度。這樣做不僅可以有效地減弱漫射光束給測量結(jié)果帶來的影響，而且即使樣品在拋光后表面粗糙度存在一些差異，鏡面反射率也不會發(fā)生很大變化，從而使得被測玻璃樣品的反射因子基本一致。

圖2　垂直入射時鏡面反射率與漫反射率隨界面粗糙度的變化曲線圖

2.3　測量過程中帶來的影響

2.3.1溫度的影響

溫度變化會對光學(xué)玻璃的內(nèi)透射比產(chǎn)生影響。溫度升高時，玻璃在紫外區(qū)域的吸收帶會變寬，導(dǎo)致紫外透射邊界紅移[5]，從而使得玻璃的透射光譜區(qū)變窄。O-H鍵在2.7μm附近的紅外振動吸收也會因溫度影響而發(fā)生變化。在高溫下，由于氫鍵斷裂使得吸收帶中低頻吸收減弱，高頻吸收增強(qiáng)，導(dǎo)致O-H鍵的振動吸收峰值隨溫度升高而增高，帶寬隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1600K以上時，由于玻璃脫水作用，使得O-H鍵振動吸收迅速減弱[6]。

光學(xué)玻璃在高溫環(huán)境應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在工作溫度下對內(nèi)透射比進(jìn)行實際測量。由于物體溫度升高時，會釋放出大量的熱輻射，測量時還需要考慮熱輻射對光強(qiáng)帶來的額外貢獻(xiàn)，此時透射光強(qiáng)應(yīng)當(dāng)減去加熱裝置以及玻璃本身由于高溫而產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度。在高溫測量時透射比的計算公式為：

(6)

式中，Ih為在沒有探測光源的情況下，加熱裝置及玻璃產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度。

2.3.2探測光束入射角的影響

為了保證每次測量內(nèi)透射比所對應(yīng)厚度的準(zhǔn)確性與一致性，探測光束應(yīng)保證垂直玻璃樣品表面入射。

2.3.3噪聲帶來的影響

對于純SiO2，當(dāng)紫外光入射時，由于能量較高，SiO2的電子將被激發(fā)到高能態(tài)，因此在122nm和108nm以及更短的波段會出現(xiàn)強(qiáng)且尖銳的吸收峰。另外，Si-O鍵存在伸縮振動和彎曲振動，這些分子振動模式在8～13μm的紅外光譜區(qū)也會產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收[7]。

圖3　肖特N-ZK7型光學(xué)玻璃10mm內(nèi)透射比測試曲線圖

如圖3所示，光學(xué)玻璃對于紫外和中遠(yuǎn)紅外電磁波的吸收往往較大，在吸收較強(qiáng)的頻率范圍，玻璃的內(nèi)透射性能較差導(dǎo)致信噪比降低，測量結(jié)果容易被雜散光[8]和儀器噪聲影響。此時應(yīng)當(dāng)選用亞毫米厚度的玻璃樣品進(jìn)行測量，增大樣品的透射率以提高測量結(jié)果的可靠性。光學(xué)玻璃產(chǎn)品通常只給出幾個指定厚度下的內(nèi)透射比參數(shù)，例如肖特生產(chǎn)的光學(xué)玻璃只給出10mm和25mm厚度下的內(nèi)透射比作為參考數(shù)據(jù)。為了便于比較，可以根據(jù)吸收常數(shù)把測得的內(nèi)透射比修正到參考厚度上。

以修正到10mm參考厚度為例，可用以下公式進(jìn)行修正：

ti10=exp[10·ln(t1/t2)/(d1-d2)]

(7)

式中，ti10為10mm厚光學(xué)玻璃的內(nèi)透射比。

3　結(jié)束語

光學(xué)玻璃由于材料不同以及制造工藝上的差異，使得它們的光譜透射性能千差萬別。挑選出一塊透光性能良好的光學(xué)玻璃材料，測量玻璃的內(nèi)透射比是關(guān)鍵。實際測量結(jié)果又會受到玻璃本身屬性、樣品加工質(zhì)量以及測量條件和方法等多種因素的影響。因此需要結(jié)合測量原理，將影響測量結(jié)果的內(nèi)外部因素加以綜合考慮，盡量排除或減小那些導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差的因素影響，只有這樣才能對光學(xué)玻璃的內(nèi)透射比做出一個較為可靠和客觀的評價。

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