ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Гаранина Д.Е. 1
1Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Оптические материалы предназначены для передачи или преобразования света в различных участках спектрального диапазона. Оптическим материалам присуще многообразие оптических свойств. Вместе с тем существуют три признака, отличающие оптический материал от любого технического материала. К ним относятся:

1. высокая однородность;

2. высокая прозрачность;

3. большой диапазон значений показателя преломления света и возможность его воспроизводить для каждой марки материала, вне зависимости от места и времени его изготовления [11].

Оптическим материалом, перспективным к практическому применению, считается только тот, впервые синтезированный однородный материал, значения оптических и технологических характеристик которого стандартизованы, а также определены допускаемые пределы их разброса от синтеза к синтезу.

Основополагающим требованием к оптическим материалам является оптическая однородность - отсутствие заметных изменений волнового фронта при прохождении через слой материала в произвольно выбранном направлении. Наличие правильной решетки у кристаллов обусловливает анизотропию их свойств. Изотропность оптических свойств и соответственно оптическая однородность свойственны лишь кубическим кристаллам, для которых скорости распространения световой волны по трем осям решетки совпадают. Отличительной же особенностью стекол, лишенных технологических дефектов, является полная изотропность свойств и соответственно оптическая однородность, что обусловлено случайной неупорядоченностью структуры стеклообразного состояния вещества.

Оптические материалы характеризуются высокой прозрачностью. Их максимальная прозрачность в видимом диапазоне спектра составляет 92-94%.

Однако диапазон светопропускания у полимеров более ограничен, по сравнению с неорганическими стеклами. Полимеры как оптические материалы применяются, главным образом, в видимой области спектра.

Общим для всех оптических материалов является то, что все они изготавливаются из сырья, максимально очищенного от примесей. Для максимального пропускания световых лучей содержание примесей в сырье не должно превышать 10-2 мас. %. [3]

К показателям качества оптического материла наряду с нормируемыми оптическими параметрами также относятся механические, теплофизические, электрические свойства, а также химическая, фото- и радиационная устойчивость, которые определяют режим обработки (переработки) и условия эксплуатации изготовленных из них изделий.

По спектральному диапазону различают оптические материалы, пропускающие в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) области спектра с длинами волн (λ) в вакууме соответственно λ = 10-380 нм, λ = 380-760 нм и λ = 760-106 нм.

По назначению все оптические материалы можно условно разделить на две большие группы:

1. материалы для формирования оптического изображения и передачи световых потоков, несущих оптическое изображение (материалы линзовой оптики) и для передачи световых потоков, несущих энергию излучения (материалы волоконной оптики);

2. материалы для генерации световых потоков (лазерные материалы) и управления световыми потоками (фотохромные, электрохромные, электрооптические, магнитооптические и нелинейно-оптические материалы).

Материалы первой группы относятся к так называемым пассивным оптическим материалам в отличие от активных оптических материалов – материалов второй группы. Пассивные материалы (исторически первые оптические материалы) используются в качестве матриц, которые подвергаются химической или физической модификации (соответственно путем введения активаторов или направленного создания дефектов) при разработке активных материалов [3].

К оптическим материалам также относят люминесцирующие материалы и материалы для преобразования света в тепло и электричество. Оптические материалы применяются в оптических системах приборов, оптоэлектронных устройствах, световодных системах связи, измерительных и интегральных схемах, в средствах управления и контроля технологическими и физическими процессами, светотехнической и медицинской аппаратуре, бытовых приборах.

По своей физической природе оптические материалы в большинстве случаев являются твердыми веществами, однако к ним также относятся жидкие и газообразные вещества – активные среды для некоторых типов лазеров. Оптические материалы в виде композитов, порошков и эмульсий – это дисперсные фильтры, отражающие покрытия, красители для лазеров. В качестве оптических материалов применяют оптические клеи с определенным показателем преломления, прозрачные органические иммерсионные жидкости. Особым классом являются оптические материалы с непрерывно изменяющимся составом и оптическими свойствами – градиентные оптические волокна или элементы, обеспечивающие фокусировку света.

Традиционные оптические (неорганические) материалы.

Традиционные оптические (неорганические) материалы по строению подразделяют на следующие виды:

1. Стекла (бесцветные, цветные и кварцевые).

2. Стеклокристаллы (ситалллы).

3. Волокна.

4. Монокристаллы.

5. Поликристаллы, обычно называемые оптической керамикой.

Стеклом, как известно [2], называют твердый аморфный материал, получаемый переохлаждением расплава. Оптические стекла характеризуются высокой прозрачностью в различных спектральных диапазонах, высокой однородностью структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны при ее распространении в толще стекла, коррозионностойкостью, хорошими конструкционными свойствами, относительно простой технологией изготовления изделий.

Наряду с традиционными (неорганическими) оптическими материалами достойное место заслуженно занимают оптические материалы на основе органических полимеров.

Органические полимеры в качестве оптических сред.

В качестве полимерных оптических сред используются в основном органические аморфные (линейные и сшитые) полимеры, находящиеся в стеклообразном состоянии. Оптические полимерные материалы включают органические стекла, литьевые термопласты, волокна, граданы, клеи и покрытия. Органическое стекло - техническое название прозрачных в видимой части спектра полимерных материалов на основе органических полимеров. К ним относятся полиметилметакрилат (ПММА) и другие поли(мет)акрилаты, полистирол (ПС), поликарбонаты (ПК), полимеры аллиловых соединений и др. [4]. В промышленности под органическим стеклом» обычно понимают листовой материал, получаемый полимеризацией в массе (блоке) метилметакрилата (ММА) (см., например, [5]).

Прозрачность определенных видов органических стекол равна прозрачности оптических (неорганических) стекол. При этом лист органического (акрилового) стекла весит в 2,5 раза меньше аналогичного по размеру листа силикатного стекла, на порядок превосходя последний по ударной прочности (причем, разбившись, органическое стекло образует гораздо менее травматичные осколки). Малая плотность, высокая ударопрочность и, кроме того, сравнительно низкая стоимость – это бесспорные преимущества полимерных изделий по сравнению с изделиями из неорганического стекла [6]. Органическое стекло обладает хорошими диэлектрическими свойствами, а также отличается от силикатного стекла большими звуко- и теплоизолирующими способностями. Так лист органического стекла толщиной в 2 мм в этом отношении сравним с листом силикатного стекла толщиной 10 мм.

Использование полимеров как заменителей традиционных оптических материалов непрерывно расширяется. Важной причиной, заставляющей двигаться в этом направлении, является трудоемкость обработки стеклянных элементов, в особенности, асферических, их сборки и юстировки.

Органические полимерные материалы отличаются термопластичностью - способностью при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, а при охлаждении сохранять приданную им форму (см., например, [7]). Поэтому применение светопрозрачных термопластических полимеров для изготовления оптических деталей позволяет использовать высокопроизводительные методы, в частности литье под давлением, что является одним из перспективных направлений интенсификации оптического производства.

Экономическая эффективность использования полимеров в качестве оптических сред основана на уменьшении затрат на материалы и их переработку. Из полимерных материалов можно в массовом масштабе изготавливать оптические детали со сложным профилем поверхности и монтажными выступами, которые трудно или почти невозможно изготовить из неорганического стекла [8].

Прозрачные полимерные материалы, во многом заменяя традиционные оптические стекла, широко используются в оптической промышленности, оптоэлектронике, светотехнике, а также находят применение в качестве прозрачных конструкционных материалов в автомобиле- и авиастроении, для изготовления предметов бытового назначения, в сфере упаковки и других областях.

Основные недостатки, ограничивающие применение полимеров для изготовления оптических элементов, - температурный коэффициент расширения и температурный коэффициент показателя преломления, которые превышают названные показатели неорганических оптических стекол, а также сравнительно меньшая оптическая однородность [6].

Синтез полимеров с заданными оптическими постоянными является сложной задачей, поскольку к ним предъявляется достаточно большой круг требований. Наряду с необходимыми оптическими свойствами они должны удовлетворять определенным технологическим и эксплуатационным требованиям. Светопрозрачные полимеры общетехнического назначения, выпускаемые промышленностью, обладают мутностью и желтизной, содержат большое количество посторонних включений, что при изготовлении из них оптических деталей приводит к значительному (до 50%) браку [9].

Оптические полимерные материалы разрабатываются преимущественно в направлении создания оптических марок уже существующих полимеров [3]. Выпуск специальных марок полимеров оптического назначения в большинстве случаев сдерживается ориентацией промышленности на многотоннажное производство. К настоящему времени специалистами ГОИ им. С.И. Вавилова (Санкт-Петербург) совместно со специалистами НИИ химии и технологии полимеров им. В.А. Каргина (Дзержинск, Нижегор. обл.), ОНПО «Пластполимер» (Санкт-Петербург) и НПО «Пластмассы» (Москва) разработаны промышленные технологии получения оптических марок светопрозрачных термопластов: ПММА, сополимеров стирола, ПК и других [3].

Оптические свойства полимеров

Оптические свойства полимеров (как и других веществ) характеризуют их взаимодействие со светом, которым называют электромагнитное излучение оптического диапазона, включающего УФ, видимую и ИК области спектра. К оптическим характеристикам, по которым оценивают пригодность различных полимеров для оптических целей, относятся: прозрачность, светопропускание (светопоглощение, светорассеяние), показатель преломления, дисперсия, оптическая однородность [10]. Вместе с тем оптические свойства оптических материалов можно разделить на две группы [9]:

1. Фотометрические.

2. Рефрактометрические.

Фотометрические свойства определяют изменение энергетических характеристик световых пучков в оптической среде. Это светопоглощение и светорассеяние. К рефрактометрическим свойствам относятся те свойства материала, которые можно изучать, не принимая во внимание величину световых потоков. Это показатель преломления, дисперсия, оптическая однородность, оптическая анизотропия.

Поглощение света

Поглощение (абсорбция) света связано с возбуждением электромагнитной волной колебаний зарядов в среде. Энергия колебаний, возникающих в среде под действием электрического поля световой волны, может в той или иной степени переходить в другие виды энергии - вызывать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию его атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе (см., например, [32]). Это приводит к поглощению световой волны и, следовательно, ослаблению луча света, проходящего через среду. Поглощение света – это уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через среду, заполненную веществом.

Общим законом, описывающим ослабление параллельного монохроматического пучка света при его распространении в поглощающей среде, является закон Бугера, называемый также законом Бугера - Ламберта или Ламберта – Бугера (экспериментально он был установлен П. Бугером и впоследствии теоретически выведен И. Ламбертом [12]). Этот закон, справедливый при не слишком больших интенсивностях, связывает интенсивность I пучка света, прошедшего через слой поглощающей среды толщиной l, c интенсивностью падающего пучка Iо и вводит понятие коэффициента поглощения k.

Физический смысл этого закона состоит в том, что показатель поглощения не зависит от интенсивности света, а, следовательно, и от толщины поглощающего слоя [33]. Он также не зависит от потерь на отражение, т. е k – это характеристика не конкретного образца, а материала как такового (зависит от химической природы и состояния поглощающего вещества), которая является лишь функцией длины волны или частоты.

Для бесцветных материалов обычно используемая размерность этого коэффициента – см-1. По значению коэффициента k можно легко рассчитать коэффициент пропускания образца любой толщины. В случае, когда свет поглощается молекулами вещества, растворенного в практически не поглощающем растворителе, коэффициент k пропорционален числу поглощающих молекул на единицу длины пути световой волны, т.е. концентрации вещества с (правило Бера). В практике производства бесцветных оптических стекол при описании интенсивности светового потока, прошедшего через слой материала, пользуются термином «коэффициент ослабления μ».

Для бесцветных оптических стекол значения σ, как правило, много меньше k, и поэтому. Для оценочных расчетов влиянием отражения пренебрегают, поскольку прямое же измерение коэффициента отражения не только удваивает объем измерений, но также увеличивает погрешность, т.к. ошибка его измерения, как правило, выше, чем ошибка измерения коэффициента пропускания.

Светопропускание и прозрачность

Распространение регулярного потока лучистой энергии в материальной среде сопровождается его ослаблением, которое происходит в результате двух независимых и принципиально различных явлений - поглощения и рассеяния. Определение внутренних потерь света в оптическом материале осуществляется путем измерения коэффициента пропускания, или спектральной характеристики пропускания образца, и вычисления его показателя ослабления [11].

Потери света могут происходить и при его отражении от поверхности образца. Способность пропускать в рабочей толщине достаточно большую долю вошедшего регулярного светового потока является одним из основных требований, предъявляемых к оптическому материалу [6]. Отношение светового потока, прошедшего через образец, к падающему на него световому потоку называется коэффициентом пропускания (τ) [12].

Светопропускание можно измерять разными методами, используя фотометры и спектрофотометры (см., например, [5, 30]). Коэффициент пропускания для бесцветных материалов указывается обычно в виде интегральной величины (соотношения световых потоков во всем видимом участке спектра). Интегральное значение светопропускания в видимой области спектра измеряется фотометрами.

Для определения светопропускания в монохроматическом свете используются спектрофотометры, имеющие различные спектральные диапазоны. Спектральный коэффициент пропускания – это функция, выражающая зависимость коэффициента пропускания монохроматического излучения от длины волны этого излучения.

Оптическая прозрачность определяется интенсивностью света (оптического излучения), прошедшего через слой вещества без изменения направления его распространения (без рассеяния). Если в среде имеются неоднородности, размер которых соизмерим с длиной волны падающего излучения или малые по размеру неоднородности при их большой концентрации, то свет изменяет направление – рассеивается. Именно от прозрачности зависит, насколько хорошо виден предмет через слой вещества, которое может обладать значительным светопропусканием и в то же время малой прозрачностью.

Светопропускание полимеров в видимой области спектра определяется их светорассеивающими свойствами [3]. Прозрачное вещество пропускает, не поглощая и не рассеивая все, или почти все видимые глазом лучи. Чем больше света рассеивается в образце, тем меньше часть света, прошедшего прямо, и, следовательно, меньше прозрачность образца. Высокая прозрачность полимеров в видимой области спектра, а также в УФ и ИК областях важна при их использовании в качестве материалов для обычной (линзовой) оптики, разработки люминесцентных солнечных концентраторов, развития лазерной оптики и многих других приложений [13].

Рассеяние света

Рассеяние света – это изменение характеристик потока оптического излучения (света), таких как пространственное распределение интенсивности, частотный спектр и поляризация при его взаимодействии с веществом [12]. Рассеяние света происходит в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке вследствие флуктуаций плотности среды [32].Прозрачные материалы дают незначительное рассеивание, однако интенсивность рассеивания полимеров больше, чем неорганических стекол, что обусловлено их более высокой оптической неоднородностью [10].

Всем полимерам присущая неплотная (по сравнению с неорганическими стеклами) упаковка макромолекул, что и определяет существенные недостатки полимерных оптических материалов для получения высококачественной оптики. Поэтому прозрачность полимеров ограничивается также его рассеянием от поверхности и в толще [3]. В рассеянии в большей или меньшей степени участвуют все собственные атомы и молекулы оптического материала. В идеальной молекулярно-однородной среде рассеяния света быть не может. Рассеяние света наблюдается, потому что все реальные среды не вполне однородны. Уменьшение светорассеяния связано с поиском путей синтеза полимеров с повышенной оптической однородностью [11].

Светорассеяние может характеризоваться различными параметрами в зависимости от назначения материала и чаще всего так называемым показателем светорассеяния. Показатель светорассеяния представляет собой величину, обратную расстоянию, на протяжении которого параллельный световой поток ослабляется в е раз для слоя толщиной 1 см [4]. Интенсивность рассеяния тем больше, чем меньше длина волны света. Непрозрачность полимерных материалов в блоке чаще всего определяется именно их светорассеивающими свойствами. Поэтому полимеры, даже не поглощающие в УФ и видимой областях спектра, например, ПТФЭ, часто непрозрачны (мутные) в слое, толщина которого превышает десятки микрон.

По светорассеянию полимеры уступают классическому стеклу. Так рассеяние широко используемых полимеров находится в пределах 0,1–1,0 %, тогда как у стекол он порядка10-6 % [17]. Вместе с тем для многих практических применений прозрачные полимеры характеризуются несущественным рассеянием. Светорассеяние является не только причиной энергетических потерь, но также источником световых помех [6].

Первая функция рассеяния аналогична поглощению, вторая же определяется угловым распределением рассеянного потока. Та его часть, которая попадает в фокальную плоскость прибора, создает фон, уменьшающий контрастность изображения и снижающий разрешающую способность прибора. Для оценки второй роли рассеяния служит показатель направленного рассеяния. С асимметрией рассеяния связано то, что коэффициент общего пропускания может совершенно не характеризовать полимер с точки зрения прозрачности, обеспечивающей видимость через него, т.к. последняя определяется лишь долей света, участвующей в формировании изображения, которая проходит через материал без изменения направления, не отклоняется рассеянием. Мутность полимера характеризуют коэффициентом направленного пропускания, либо коэффициентом рассеянного пропускания [3].

Для полимеров чаще всего наблюдается рассеяние поверхностью совместно с рассеянием на неоднородностях внутри материала при попадании света в образец, в том числе, с рассеянием назад. Сочетание высокого диффузного рассеяния поверхностью и толщей материала характерно для пластин ПТФЭ, что позволяет применять их в качестве эталонных образцов при измерении коэффициента отражения.

В органических стеклах свет рассеивается преимущественно под углами, близкими к направлению распространения прямого пучка, и свет, рассеянный под углом 90о , не полностью поляризован [18]. Первое обстоятельство свидетельствует о том, что средняя протяженность рассеивающих неоднородностей сравнима с длиной волны падающего света, а второе – о том, что в полимерах большую роль играет многократное рассеяние, приводящее к частичной деполяризации. В органических стеклах доля потерь, обусловленных рассеянием, может составлять десятую-сотую часть общих потерь. Блочный ПММА по показателю рассеяния сравним с силикатным стеклом, а по фону, создаваемому в плоскости изображения, он значительно (примерно в четыре раза) хуже.

Причиной недостаточной прозрачности большинства кристаллических полимеров, которое существенно ограничивает их использование в качестве оптических материалов, является рассеяние света надмолекулярными образованиями (на флуктуациях анизотропии) [15]. Так рассеяние света в ПЭ связано с его оптической неоднородностью, обусловленной наличием аморфной и кристаллической фаз, несколько различающихся по плотности.

При кристаллизации из расплавов полимеров могут возникать такие анизотропные структуры, как сферолиты, фибриллы и т.д. Размеры кристаллитов в ПЭ высокого давления лежат в пределах 5-50 нм, а размеры сферолитов находятся в пределах 103 -104 нм [3]. Поэтому основной вклад в рассеянный свет вносит рассеяние на сферолитах, размеры которых одного порядка с длиной волны видимого света. Интенсивность рассеянного света снижается с уменьшением степени кристалличности полимера, поэтому рассеяние света в ПЭ высокого давления (низкой плотности) заметно ниже, чем в ПЭ низкого давления (высокой плотности). С этих позиций снижение кристалличности может привести к уничтожению в полимере сферолитного порядка и к существенному повышению его прозрачности. Полимерные кристаллиты с указанными выше размерами дают значительно меньшее рассеяние, чем сферолиты. Уменьшение среднего размера сферолитов в кристаллизующихся полимерах отмечено при их модификации в процессе переработки малыми добавками олигомеров [19].

С формованием фибриллярной структуры из расплава полимера связаны способы получения прозрачных пленок из кристаллических полимеров. При холодной вытяжке образца сферолитного строения (в случае образования фибриллярного порядка) часто происходит его помутнение, т.к. увеличение рассеяния при этом обычно связано с образованием микротрещин тех же размеров, что и кристаллиты. Рассеяние света микропустотами (ввиду их большого относительного показателя преломления) может давать существенный вклад и в рассеяние полимерных образцов сферолитного строения. Это характерно для ПЭ высокой плотности.

Рассеяние света связано со структурными особенностями полимеров. Так, повышенной прозрачностью обладает полиуретан, полученный из 4,4-дифенилметандиизоцианата и 1,6-гександиола, характеризующийся относительно более низкой кристалличностью жесткого сегмента [20].

В очень широких пределах изменяются рассеивающие свойства ПММА, ПС и других прозрачных аморфных полимеров. Для образца промышленного ПММА показатель рассеяния равен 9,53·10-3 см-1 (на порядок выше рассеяния на тепловых флуктуациях) [6].

Светорассеяние в полимере ниже, чем в исходном мономере. Однако, при полимеризации возможно возникновение источников светорассеяния надмолекулярного уровня, вызывающих большие светопотери. При изучении рассеяния света в системе полимер-мономер в ходе полимеризации стирола установлено [21], что в области малых степеней превращения изменение мутности имеет известный для растворов полимеров характер, а в области больших степеней превращения мутность весьма зависит от условий полимеризации. Характерным является резкое возрастание мутности в средней области конверсии, которое со временем в конечном продукте полимеризации в большей или меньшей степени «рассасывается».

По измерению интенсивности рассеянного света в работе [22] установлено, что в полимеризующемся ММА на стадии автоускорения возникают макроскопические пространственные неоднородности конверсии. При исследовании формирования пространственного спектра неоднородностей в полимеризате обнаружено, что до конверсии 30% (в отсутствие гель-эффекта) заметного увеличения интенсивности рассеянного света не происходит, а в дальнейшем с ростом конверсии интенсивность рассеяния возрастает. При этом минимальный размер зафиксированных неоднородностей равен ~ 50 мкм. Причиной светорассеяния могут являться локальные изменения показателя преломления полимерной среды, обусловленные разнообразными процессами, протекающими при формировании изделий из полимеров. Физические причины, вызывающие флуктуации показателя преломления, чрезвычайно разнообразны в силу зависимости этого параметра от целого ряда материальных характеристик тела, а также от внешних условий: плотности, анизотропии, поляризуемости, модуля упругости, формы неоднородностей, внешних и внутренних напряжений. Рассеивающие характеристики аморфных полимеров изменяются при их набухании [23].

На прозрачность аморфных полимеров значительно влияют присутствующие в них поры. Пористость различного рода возникает как в процессе получения полимера, так и при формовании твердого полимера из раствора. В обоих случаях образование той или иной пористости зависит от условий структурообразования и природы растворителя. В пленках ПС, полученных из раствора, преобладают поры с радиусом 0,5-1,0 нм [24]. Наряду с этим имеется заметное число более крупных пор (до 10 нм), которые способны давать ощутимое рассеяние. Прозрачность мутных полимеров, например, ПВХ можно повысить с помощью пластифицирующих добавок, которые проникают в поры полимера [25].

Оптическая неоднородность. Оптические искажения

К оптическим материалам кроме высокого светопропускания, отсутствия посторонних включений и окраски предъявляются высокие требования по оптической однородности. Под оптической однородностью понимают абсолютное постоянство показателя преломления в любой точке оптического материала. Соответственно для оценки однородности можно проводить измерения разности показателя преломления в различных точках оптического материала [6].

Прямой контроль представляет собой сложный, длительный и трудоемкий процесс, осуществляемый с помощью интерферометров различных конструкций, в которых плоский волновой фронт проходит через образец один раз (интерферометры типа Маха- Цендера) или два раза (интерферометры типа Майкельсона) (см., например, работу [14]). В производственных условиях для оценки неоднородности показателя преломления используется система косвенных оценок.

Согласно представлениям, развитым в работе [29], основное влияние на оптические свойства твердых веществ оказывают два вида неупорядоченности: дискретная и континуальная. Дискретная неупорядоченность обусловлена наличием в составе материала примесных атомов или ионов, а также точечных собственных дефектов в достаточно высоких концентрациях. Для неорганических стекол, составляющих основу всего класса оптических стекол, и стеклообразных полимерных материалов данный вид неупорядоченности имеет лишь подчиненное значение. Основополагающую роль в формировании оптических свойств стеклообразных материалов играет континуальная неупорядоченность, которая проявляется в непрерывных малых вариациях параметров микроструктуры материала по мере удаления от любой точки, принятой за начало отсчета.

В рамках гипотезы непрерывной неупорядоченной сетки структура твердого тела анализируется с помощью трех различных пространственных масштабов ближнего, среднего и дальнего порядков (шкалы расстояний). Для идеальных кристаллических решеток характерна полная упорядоченность на всех трех шкалах. В стеклообразных материалах она является гораздо более сложной. Шкала ближнего порядка соответствует расстояниям в 3-5 ангстрем от некоторого атома, произвольно выбранного в качестве точки начала отсчета, и охватывает область пространства, в которую укладывается простейшая структурная единица материала, связанная с такой же соседней единицей. К примеру, структура стекла (в частности, кварцевого) на масштабе ближнего порядка не является ни полностью упорядоченной, ни полностью разупорядоченной [14]. Шкала среднего порядка соответствует расстояниям до 15-20 ангстрем от атома, выбранного в качестве точки начала отсчета. При переходе к шкале дальнего порядка (свыше 25 ангстрем) взаимное положение атома в точке начала отсчета и атомов, отделенных от него такими расстояниями, оказывается вообще некоррелированным. Поэтому структура стеклообразной сетки на таком масштабе является полностью разупорядоченной.

На приведенную выше общую схему накладываются различного рода микроскопические флуктуации, типичные для стеклообразного состояния. Однако именно эта общая схема, а не флуктуации или иные частности, определяет принципиальные отличия оптических свойств стекол. Так континуальная неупорядоченность структуры стекла обеспечивает полную изотропность всех свойств и соответственно оптическую однородность стекол, лишенных технологических дефектов. Неоднородность показателя преломления создается волновыми аберрациями, которые обусловлены следующими факторами [14]:

1. Неоднородностью собственной структуры материала по объему.

2. Остаточными термоупругими напряжениями, не устраненными при отжиге.

3. Свилями.

К свилям относят прозрачные дефекты, обусловленные взаимодействием компонентов синтезируемых материалов с поверхностью полимеризационных форм (или со стенками реакторов), а также избирательным улетучиванием отдельных компонентов.

Макромолекулярные соединения, наиболее интенсивно исследуемые в настоящее время, с точки зрения физики твердого тела являются одними из самых неупорядоченных систем. Поэтому одно из основных отличий полимеров от традиционных оптических стекол – это более высокая оптическая неоднородность. Среднее значение флуктуаций плотности для образца ПММА равно 2,76·10-4, что соответствует показателю преломления 1,7·10-4. Коэффициент рассеяния данного полимера составляет 9,53·10-3см-1[3]. Это на порядок больше рассеяния на малых неоднородностях и на два порядка больше рассеяния, обусловленного тепловыми флуктуациями. В то же время показатель рассеяния крона и флинта (двух групп оптических стекол, отличающихся дисперсией и способностью преломления) равен соответственно 1,56·10-4 и 5,34·10-4 [6]. Оценка неоднородности образцов промышленного ПММА (органического стекла), проведенная путем изучения спектральной зависимости и углового распределения рассеяния света, позволила установить, что средняя величина отклонений показателя преломления в данном полимере от его макроскопического значения составляет примерно плохое качество поверхности и др.

В отличие от других показателей оптических свойств, зависящих от химической структуры и надмолекулярной организации полимерного материала, оптические искажения, кроме того, определяются геометрической формой рабочих поверхностей детали.

Заключение

Прозрачные органические полимерные материалы являются в ряде случаев успешными заменителями традиционных для оптики неорганических стекол и кристаллов.

Особенности полимерных материалов, обусловленные широкими возможностями регулирования их структуры и свойств, открывает перспективы получения конкурентоспособных материалов для целей оптики, оптоэлектроники и других областей науки и техники. Высокотехнологичная и относительно дешевая полимерная оптика является средством для решения технических задач, связанных со снижением трудоемкости сборки, улучшением конструкций и надежности различных оптических приборов.

Список литературы

1. Справочник технолога-оптика. / М.А. Окатов [и др.]; под ред. М.А. Окатова. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб: Политехника, 2004. - 679 с.

2. Химия. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. И.Л. Кнунянц. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. - 792 с.

3. Серова, В.Н. Оптические и другие материалы на основе прозрачных полимеров: монография / В.Н. Серова; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. унт. – Казань: КГТУ, 2010. – 540 с.

4. Гудимов, М.М. Органическое стекло / М.М. Гудимов, Б.В. Перов. – М.: Химия, 1981. - 216 с.

5. Cемчиков, Ю.Д. Высокомолекулярные соединения / Ю.Д. Семчиков. – М. - Н. Новгород: изд-во Нижегор. гос. ун-та, 2003. - 368 с.

6. Шепурев, Э.И. Полимерные оптические материалы. / Э.И. Шепурев. - Л.: ЛДНТП, 1987. – 20 с.

7. Оссвальд, Т.А. Литье пластмасс под давлением / Т.А. Оссвальд. Л.-Ш. Тунг, П.Дж. Громанн; пер. с англ. под общ. ред. Э.Л. Калинчева. - СПб.: Профессия, 2006. – 712 с.

8. Торбин, И.Д. Применение прозрачных термопластов в оптической

промышленности / И.Д. Торбин, Ю.Ф. Даминов // Пласт. массы. – 1977. – № 3. – С. 61-63.

9. Шепурев, Э.И. Оптические свойства стеклообразных органических полимеров / Э.И. Шепурев // Оптико-механич. промышленность. - 1986. – № 1. - С. 51-55.

10. Рупышев, В.Г. Прозрачные полимерные материалы / В.Г. Рупышев, Е.И.

Кривченко // Полимерные материалы (специализированный информационный бюллетень). – 2006. – № 11 - 12. – С. 41-45.

11. Шепурев, Э.И. Полимерные оптические материалы и их применение / Э.И. Шепурев // Свойства и применение оптич. и прозрачных полимеров:мат. науч.-техн. конф. – Л, 1984. - С. 4-11.

12. Физика. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. – 4-е изд. - М.: Большая российская энциклопедия, 1999. – 944 с.

13. Барашков Н.Н., Сахно Т.В.Оптически прозрачные полимеры и материалы на их основе / Н.Н. Барашков,Т.В. Сахно. - М.: Химия, 1992. – 80 с.

14. Ефимов, А.М. Оптические свойства материалов и механизмы их формирования / А.М. Ефимов. – СПб: С.-Петер. гос. ун-т информац. технологий, механики и оптики, 2008. – 103 с.

15. Сперанская, Т.А. Оптические свойства полимеров / Т.А. Сперанская, Л.И.

Тарутина. - Л.: Химия, 1976. - 136 с.

16. Дебский, В. Полиметилметакрилат /В. Дебский; пер. с польск. – М.: Химия, 1972. – 152 с.

17. Фокина, М.И. Формирование микроструктур на основе УФ-отверждаемых акрилатов / М.И. Фокина, И.Ю. Денисюк, Ю.Э. Бурункова, Л.И. Капорский // Оптический журн. – 2008. – Т. 75. - № 10. С. 66-71.

18. Колядин, А.И. Особенности рассеяния света в полимерах оптического назначения / А.И. Колядин, Т.И. Мухина, Э.И. Шепурев // Оптико-механич. промышленность. - 1980. - № 4. – С. 28-30.

19. Иванюков, Д.В., Фридман М.Л. Полипропилен (свойства и применение) / Д.В. Иванюков, М.Л. Фридман - М.: Химия, 1974. - 272 с.

Просмотров работы: 371