Навигация по таблицам
- Таблица коэффициентов пропускания стеклянных материалов
- Таблица коэффициентов пропускания кристаллических материалов
- Таблица коэффициентов пропускания полимерных материалов
- Сравнительная таблица по спектральным диапазонам
Коэффициенты пропускания стеклянных материалов
| Материал | Толщина, мм | УФ диапазон (200-400 нм), % | Видимый диапазон (400-700 нм), % | ИК диапазон (700-2500 нм), % | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| Кварцевое стекло КУ-1 | 10 | 85-92 | 92-95 | 90-93 | Без полос поглощения 170-250 нм |
| Кварцевое стекло КВ | 10 | 70-80 | 92-94 | 88-91 | Полосы поглощения в УФ области |
| Кварцевое стекло КИ | 10 | 65-75 | 91-93 | 85-88 | Для ИК применений |
| Оконное стекло обычное | 3 | 0-5 | 85-90 | 82-85 | Блокирует УФ излучение |
| Увиолевое стекло | 3 | 80-88 | 88-92 | 80-85 | Специальное УФ-пропускающее |
| Боросиликатное стекло | 5 | 60-75 | 90-93 | 85-90 | Термостойкое |
Коэффициенты пропускания кристаллических материалов
| Материал | Химическая формула | Толщина, мм | УФ диапазон, % | Видимый диапазон, % | ИК диапазон, % | Рабочий диапазон, мкм |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Сапфир | Al₂O₃ | 3 | 80-85 | 85-90 | 80-85 | 0.19-4.0 |
| Флюорит | CaF₂ | 5 | 90-95 | 93-96 | 90-94 | 0.13-10.0 |
| Фторид бария | BaF₂ | 5 | 88-92 | 92-95 | 88-92 | 0.2-11.0 |
| Германий | Ge | 2 | 0 | 0 | 45-50 | 2.0-14.0 |
| Кремний | Si | 2 | 0 | 0 | 50-55 | 1.2-7.0 |
| Селенид цинка | ZnSe | 3 | 0-5 | 65-70 | 68-72 | 0.6-20.0 |
Коэффициенты пропускания полимерных материалов
| Материал | Аббревиатура | Толщина, мм | УФ диапазон, % | Видимый диапазон, % | ИК диапазон, % | Особенности |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Полиметилметакрилат | ПММА | 3 | 75-85 | 92-93 | 85-88 | УФ стойкость, не желтеет |
| Поликарбонат | ПК | 3 | 10-20 | 85-89 | 80-85 | Желтеет под УФ |
| Полистирол | ПС | 3 | 50-65 | 88-91 | 82-86 | Низкая атмосферостойкость |
| Полиэтилентерефталат | ПЭТ | 1 | 30-50 | 85-88 | 75-80 | Химическая стойкость |
| Полиаллилдигликольбикарбонат | ПДЭГБАК | 2 | 70-80 | 90-92 | 85-88 | Высокий показатель преломления |
Сравнительная таблица по спектральным диапазонам
| Спектральный диапазон | Длина волны, нм | Лучшие материалы | Коэффициент пропускания, % | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Глубокий УФ | 150-280 | Флюорит, КУ-1 | 90-95 | УФ литография, стерилизация |
| УФ-А | 315-400 | Кварцевое стекло, ПММА | 85-95 | УФ отверждение, фотохимия |
| Видимый синий | 400-500 | Флюорит, КУ-1 | 93-96 | Оптические приборы |
| Видимый зеленый | 500-600 | Все оптические материалы | 90-96 | Универсальная оптика |
| Видимый красный | 600-700 | Кварцевое стекло | 92-95 | Лазерная техника |
| Ближний ИК | 700-1500 | Кварцевое стекло | 90-93 | Волоконная оптика |
| Средний ИК | 2000-5000 | Флюорит, сапфир | 80-90 | ИК спектроскопия |
| Дальний ИК | 8000-14000 | Германий, ZnSe | 45-72 | Тепловизоры |
Оглавление статьи
- 1. Введение в оптическое материаловедение
- 2. Теория коэффициентов пропускания
- 3. Методы измерения коэффициентов пропускания
- 4. Стеклянные оптические материалы
- 5. Кристаллические оптические материалы
- 6. Полимерные оптические материалы
- 7. Спектральные характеристики и области применения
- 8. Критерии выбора оптических материалов
- 9. Практические применения
- 10. Часто задаваемые вопросы
Введение в оптическое материаловедение
Коэффициент пропускания является одной из важнейших характеристик оптических материалов, определяющих их пригодность для использования в различных оптических системах. Этот параметр показывает, какая доля падающего на материал электромагнитного излучения проходит через него без поглощения или рассеяния.
В современной фотонике и оптоэлектронике знание точных значений коэффициентов пропускания критически важно для проектирования лазерных систем, оптических приборов, защитных экранов и многих других устройств. Различные материалы демонстрируют существенно разные свойства пропускания в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра.
Теория коэффициентов пропускания
Коэффициент пропускания T определяется как отношение интенсивности прошедшего через образец излучения к интенсивности падающего излучения. Математически это выражается формулой:
T = Iпрош / Iпад
где T - коэффициент пропускания, Iпрош - интенсивность прошедшего излучения, Iпад - интенсивность падающего излучения.
При прохождении света через оптическую среду происходят несколько процессов, влияющих на пропускание: отражение на границах раздела сред, поглощение в объеме материала и рассеяние на неоднородностях. Закон сохранения энергии требует, чтобы сумма коэффициентов пропускания, отражения, поглощения и рассеяния равнялась единице.
Спектральная зависимость коэффициента пропускания определяется электронной структурой материала. В ультрафиолетовой области спектра пропускание ограничивается межзонными переходами, в инфракрасной - колебаниями атомов в кристаллической решетке.
Внутренний коэффициент пропускания
Внутренний коэффициент пропускания характеризует потери только внутри материала, исключая отражения на поверхностях. Он связан с обычным коэффициентом пропускания соотношением:
Tвнутр = T / (1 - R)2
где R - коэффициент отражения на каждой поверхности.
Методы измерения коэффициентов пропускания
Измерение коэффициентов пропускания оптических материалов осуществляется с помощью специализированных спектрофотометров. Основные методы включают измерения в узком пучке света с использованием монохроматоров или широкополосных источников с фильтрами.
Для получения точных результатов необходимо учитывать несколько факторов: качество поверхности образца, его толщину, температуру измерения и спектральные характеристики источника излучения. Поверхности образцов должны быть отполированы до оптического качества для минимизации потерь на рассеяние.
Пример расчета коэффициента пропускания
Для кварцевого стекла КУ-1 толщиной 10 мм на длине волны 500 нм:
- Падающий поток: 100 мВт
- Прошедший поток: 93 мВт
- Коэффициент пропускания: T = 93/100 = 0.93 или 93%
Измерительное оборудование
Современные спектрофотометры позволяют измерять коэффициенты пропускания в широком спектральном диапазоне от 150 нм до 25 мкм. Для ультрафиолетовой области используются дейтериевые лампы, для видимой - галогенные, для инфракрасной - глобары или другие источники теплового излучения.
Стеклянные оптические материалы
Стеклянные материалы составляют основу современной оптики благодаря сочетанию высокой прозрачности, механической прочности и относительной простоты изготовления. Кварцевые стекла занимают особое место среди оптических материалов из-за их исключительной чистоты и широкого спектрального диапазона пропускания.
Кварцевые стекла
Кварцевое стекло марки КУ-1 характеризуется высоким пропусканием в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Отсутствие характерных полос поглощения в диапазоне 170-250 нм делает его незаменимым для ультрафиолетовых применений.
Коэффициенты пропускания кварцевого стекла КУ-1 (толщина 10 мм):
- 180 нм: 85%
- 400 нм: 92%
- 600 нм: 93%
- 1000 нм: 92%
Кварцевое стекло КВ отличается наличием полос поглощения в ультрафиолетовой области, что связано с присутствием следов металлических примесей. Тем не менее, оно обеспечивает отличное пропускание в видимой области и широко используется в менее критичных применениях.
Обычные силикатные стекла
Обычное оконное стекло эффективно блокирует ультрафиолетовое излучение благодаря присутствию оксидов железа и других примесей. Коэффициент пропускания в УФ области составляет менее 5%, что делает его непригодным для ультрафиолетовых применений, но полезным для защиты от вредного излучения.
Кристаллические оптические материалы
Кристаллические материалы обладают рядом преимуществ перед стеклами: более высокой механической прочностью, лучшей теплопроводностью и возможностью работы в экстремальных условиях. Их кристаллическая структура обеспечивает анизотропию оптических свойств, что может быть как преимуществом, так и ограничением в зависимости от применения.
Сапфир
Монокристаллический сапфир представляет собой синтетический корунд высокой чистоты. Его исключительная твердость, химическая стойкость и широкий спектральный диапазон пропускания от 190 нм до 4000 нм делают его идеальным для защитных окон лазерных систем и оптических приборов, работающих в агрессивных средах.
Применения сапфира:
- Защитные окна мощных лазеров
- Иллюминаторы высокотемпературных печей
- Подложки для светодиодов
- Оптические элементы космических аппаратов
Флюорит и фториды
Флюорит CaF₂ обладает исключительно широким спектральным диапазоном пропускания от 130 нм до 10 мкм. Низкие потери в ультрафиолетовой области и высокая лучевая стойкость делают его незаменимым для ультрафиолетовых лазерных систем и литографии.
Германий и кремний
Полупроводниковые материалы германий и кремний прозрачны только в инфракрасной области спектра. Германий широко используется в тепловизионных системах благодаря высокому показателю преломления и пропусканию в диапазоне 2-14 мкм.
Полимерные оптические материалы
Полимерные материалы становятся все более важными в оптике благодаря легкости обработки, низкой стоимости и возможности создания сложных форм. Основные полимеры для оптических применений включают полиметилметакрилат, поликарбонат и полистирол.
Полиметилметакрилат (ПММА)
ПММА, также известный как оргстекло или акрил, демонстрирует высокую прозрачность в видимой области спектра (92-93%) и хорошую устойчивость к ультрафиолетовому излучению. В отличие от поликарбоната, ПММА не желтеет под действием УФ излучения, что делает его предпочтительным для наружных применений.
Сравнение ПММА и поликарбоната:
ПММА:
- УФ пропускание: 75-85%
- Видимое пропускание: 92-93%
- УФ стойкость: высокая
Поликарбонат:
- УФ пропускание: 10-20%
- Видимое пропускание: 85-89%
- УФ стойкость: низкая
Поликарбонат
Поликарбонат обладает исключительной ударопрочностью, что делает его идеальным для защитных применений. Однако его низкая устойчивость к ультрафиолетовому излучению требует использования специальных стабилизаторов или защитных покрытий для наружных применений.
Спектральные характеристики и области применения
Выбор оптического материала определяется требуемым спектральным диапазоном работы. Каждый материал имеет свои характерные области максимального пропускания и ограничения, связанные с физическими свойствами.
Ультрафиолетовая область
В ультрафиолетовой области спектра лучшими материалами являются флюорит и кварцевое стекло КУ-1. Глубокий ультрафиолет требует специальных материалов, так как большинство обычных оптических стекол сильно поглощают излучение с длиной волны менее 300 нм.
Видимая область
В видимой области большинство оптических материалов демонстрируют высокое пропускание. Выбор материала часто определяется механическими свойствами, стоимостью и требованиями к обработке поверхности.
Инфракрасная область
Инфракрасная область требует специальных материалов. Кварцевое стекло хорошо работает в ближней ИК области, но для средней и дальней ИК областей необходимы специальные кристаллы типа германия или селенида цинка.
Критерии выбора оптических материалов
При выборе оптического материала необходимо учитывать множество факторов помимо коэффициента пропускания. Механические свойства, химическая стойкость, температурная стабильность и стоимость играют важную роль в принятии решения.
1. Спектральный диапазон работы
2. Требуемый коэффициент пропускания
3. Механическая прочность
4. Химическая стойкость
5. Температурная стабильность
6. Стоимость и доступность
7. Технологичность обработки
Экономические соображения
Стоимость материала может значительно варьироваться. Обычные стекла стоят значительно дешевле специальных кристаллов. Однако для критически важных применений высокая стоимость материала может быть оправдана его превосходными характеристиками.
Практические применения
Различные оптические материалы находят применение в широком спектре областей от бытовой техники до космических аппаратов. Понимание связи между свойствами материалов и их применениями критически важно для оптимального проектирования оптических систем.
Лазерная техника
В лазерных системах требования к оптическим материалам особенно высоки из-за больших плотностей мощности. Кварцевое стекло и сапфир широко используются в мощных лазерных системах благодаря высокой лучевой стойкости и низким оптическим потерям.
Оптические приборы
В оптических приборах типа микроскопов, телескопов и спектрометров важны не только высокое пропускание, но и однородность материала, отсутствие внутренних напряжений и стабильность оптических свойств во времени.
Защитные применения
Для защитных окон промышленного оборудования важны механическая прочность и химическая стойкость. Сапфир и специальные закаленные стекла находят широкое применение в таких условиях.
Часто задаваемые вопросы
Источники информации
Данная статья основана на актуальных данных по состоянию на июнь 2025 года из следующих источников: действующих стандартов ГОСТ 15130-86, ГОСТ 15875-80, новых ГОСТов серии Р 71xxx-2024 по оптике и фотонике, технических справочников ведущих производителей оптических материалов (Тидекс, Алкор Технолоджиз, Гусевский стекольный завод), научных публикаций и данных российских и зарубежных исследовательских центров в области оптического материаловедения.
Отказ от ответственности
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и образовательный характер. Представленные данные могут варьироваться в зависимости от производителя, условий изготовления и измерения. Для точных расчетов и проектирования оптических систем необходимо использовать сертифицированные данные производителей материалов и проводить собственные измерения. Автор не несет ответственности за возможные последства использования представленной информации в коммерческих или исследовательских целях.
