使用折光仪测量研究透明光学材料的色散和阿贝数

不同波长的折射率测量也称为色散，有助于表征透明光学材料的特性。Anton Paar的Abbemat MW可以配备多达 8个波长。一一二Anton Paar 1 折射在我们周围无处不在 折射率取决于光的波长。这种波长的依赖性也被称为 色 散。例如，色散可以用棱镜将白光扩散到它的颜色成 分中。不同的颜色是不同的波长，它们在一起就变成 了白光。由于色散，棱镜中有不同的折射率和不同的 折射角度，将白光传播成彩虹。. 司样，色散也是摄影中出现的“色差”的原因。它是表征各种光学元件的 一 个重要性质。. 光在材料中的速度取决于它的波长。波长越小，光的速度越低。因此，短波长的蓝光会比短波长 的红光折射更多。这意味着每种材料对于不同波 长有不同的折射率 由于不同的折射率，白光被折射，例如，在一个透 镜上，将被散射成它的光谱颜色(“棱镜效应”，“彩虹效应”)。这种效应被称为色散，是由折射 率随波长变化引起的： 介质的折射率随波长的增加而降低，这叫做正常色 散。介质的折射率随波长成比例增加的现象称为反 常色散。 在光学透镜中，光的色散会导致不理想的色差，从而导致被观察物体周围的模糊域模糊效果或 “色边”. 对于材料色散的完整描述，其折射率n与波长入的 依赖关系必须考虑nA (Fig. 1). Figure 1： 固体透明玻璃的折射率 对于透明材料来说，通过两种不同波长(486.13 nm (nF)和656.27 nm (nC))的折射率差来描述可见光 范围内的色散就足够了。nF - nC称为平均色散。 色散描述的是 一 种材料根据其波长改变光线方向 的能力。 1.1 阿贝数(色散系数) 为了进 一 步表征透明材料的色散特性，利用阿贝数 v (也称为v -number或收缩)来描述偏转角与色散 的关系。阿贝数是以德国物理学家恩斯特·阿贝的 名字命名的，用于对玻璃或其他透明光学材料进行 分类。. T阿贝数是 一 个无量纲参数。阿贝数越低，离散度越 高，反之亦然。对于镜片或眼镜，阿贝数不应低于 30，以避免眼镜边缘区域的色差(被视为彩色条纹)。 根据不同的方程，计算了在一定波长(n入)下的折射 率和平均色散nF-nC的阿贝数。常见的有：： nD -1 下标表示标准波长入，在这个波长下，n被确定，例如， nD是在589.3nm Table 1： 常见波长对应的弗劳恩霍夫符号。 波长 光源 颜色 365.01 i Hg UV 404.66 h Hg viole 435.84 g Hg blue 479.19 F Cd blue 486.13 F H blue 546.07 e Hg green 587.56 d He yello 589.30 D Na yello 643.85 C Cd red 656.27 C H red 706.52 R He red 768.20 A K red 852.11 S Cs TR 1013.98 t Hg IR 阿贝数范围从20(密集燧石玻璃)到大约30聚碳酸酯塑 料，高达60的皇冠眼镜和高达85的荧光皇冠眼镜。 某些材料的折射率和阿贝数列于下表2。为了创建 一 个阿贝图，例如对于 一 系列不同的 玻璃(红点)，阿贝数是根据折射率绘制的(Fig.2)。 Table 2：所选材料的折射率和阿贝数取自 refactiveindex . info Liquids nD Vd Ve Water 1.33298 55.76 56.82 Cyclohexane 一1.42641 56.51 56.09 Crystals nD Vd Ve SiO2 1.54425 69.96 69.80 CaF2 1.43381 94.99 94.46 Glasses np Vd Ve Fused Silica 11.4584 67.82 67.67 Zerodur (Schott) 1.54228 56.12 55.58 SF5 (Schott) 1.67253 32.25 32.00 Plastics nD Vd Ve Acrylic glass 一11.4913 52.60 53.85 Polycarbonate 二1.5847 27.56 27.71 Polystyrene 1.59151 29.12 29.26 Liquid Crystals np Vd Ve 5CB(4-pentyl-4'- cyanobipheneyl 1.53551 26.43 E7 1.52222 29.60 Figure 2： 不同玻璃的阿贝数(来源：Schott，德国，玻璃目录). 眼镜是由制造商分类的，使用一个字母数字代码来反映 它们的组成和在图上的位置。 然而，有 一 个基于美国军事标准MIL -G -174的国际玻 璃代码。这是 一 个六位数的数字，根据玻璃在 Fraunhofer d-line上的折射率和vd表示，它的阿 贝数也在这条线上。. 得到的玻璃码是nd -1四舍五入为三位数，紧接着是 vd四舍五入为三位数，所有小数点都忽略。例如，BK7的nd= 1.5168， vd=64.17，这就给出了6位 玻璃代码517642。 2 应用程序 用于光学目的的透明材料，在可见范围内不会被吸 收，例如： ● 透镜或透镜系统，色 差 应减至最低。这些镜 片可以是液晶和液体镜片、塑料或玻璃制成 的眼镜、安全眼镜、隐形眼镜等… ● 消费光学设备，如数码相机、集成相机的 手机。对廉价材料(塑料)的需求很大，这 些材料易于加工，并且具有优良的光学性 能。， ● 光纤材料。聚合物光纤正被广泛应用于各个 领域。除了电信，两个主要的应用领域是汽 车和家庭娱乐部门。 ● 用 于 显微镜和类似应用的液体浸泡油。. ● 在宝石中，光的色散作用被称为宝石中的 “火”。弥散越大， “火”就越大 ● 光学聚合物，例如复合透镜树脂。 ● 装饰材料，如丙烯酸玻璃、聚碳酸酯或环烯 烃低聚物。除了其他因素外，这些材料的折 射率和阿贝数也决定了这些材料的审美价值。nD在1.5到1.6之间(25°C)和阿贝数在50到 60之间的塑料通常是最合适的。 ● 控制光分布的光学涂层，如防眩光，防彩 虹，低反射率和干涉。 ● 光 学粘合剂。 3 设 备 由于预期的折射率，建议测量范围为1.3-1.72 nd。它可 以配备多达8种不同的波长。 对于固体样品和塑料薄膜，应使用可选的样品压片机。试样压片器确保了样品在棱镜上的共面朝向，即使样 品是柔性的，例如有塑料薄膜的盒子。为了记录可能的各向异性(由于聚合物结构的不同，样品的不同方向导致不同的折射率)，可以在不同方 向测量样品。 Figure 3： Anton-paar的Abbema t Mw 是理想的的测 量 不同波长的 折射率和阿贝数的设备 4 需要接触液体? 对于固体样品，应使用不影响(溶解、软化、吸收等)待测材 料表面的接触液体。此外，接触液体的折射率必须高于被测 量材料的折射率(不小于小数点后第 二 位的一个单位)。有时 可以避免使用接触液，直接用样品压片机将样品压在棱镜上。 5 步 骤 5.1 测量液体样品 ● 选择测量温度，、t e.g.20.00°C. ● 选择折光率. ● 清洁测量棱镜. ● 测量棱镜上滴几滴样品。 ● 选择要求的波长 一 ，小 e e .g. 486 nm (nF). ● 等待读数稳定下来。 ● 读取结果。 ● 切换到下 一 个所需的波长，， e.g.656 nm (nC). ● 等待读数稳定下来。 ● 读取结果。 ● 根据 上面 的公 式计算 出vD的数值 如果要计算vd或 ve，则必须选择相应的波长。0· 5.2 测量固体样品 测试样品的形状必须符合阿贝折射仪的测量棱镜。 理想的形状是直径为8毫 米的圆盘，厚度至少为1毫 米。与棱镜接触的表面必须平整且抛光良好。使用合适的接触液体，如一溴萘 (np=1.65796)。 ● 选择测量温度，，e.g.25.00℃。 ● 选择折光率. ●清洁测量棱镜. ● 滴几滴接触液到阿贝测量棱镜或固体样品 上(以更容易处理的为准)。 将经过抛光表面的样品应用到测量棱镜上。棱镜与样品之间的接触液中应避免有气泡。这可以通过使用镊子小心地将样品从棱镜的 一边放置到另一边来实现。例如，任何气泡 必须使用抹刀小心的压在样品上或通过轻微 地移动棱镜上的样品来去除。. ● 安装固体压片模块。 ● 按要求旋转固体压片模块。 ● 选择要求的波长，例.486 nm (nF). ● 等待读数稳定下来. ● 读取结果。 切换到下一个所需的波长，例.656 nm (nc). ● 等待读数稳定下来. ● 读取结果. ● 计算离散系数. ● 切换到下一个所需的波长，如， 589 nm (nD). ● 等待读数稳定下来. ● 读取结果. ● 根 据上 面 的公式计 算出A bb e e vD的数 值 。 ● 如果要计算vd或ve，则必须选择相应的波 长。 ● 逆时针旋转松开压样器. ● 打开固体压片模块. ● 移除样品.T 由 于接 触液 体 的 缘 故 ，样品 会 粘在 测 量 棱镜 上。如果将 样 品 侧向移动而 不 是竖直 向上移 动 ，则样品的取 出 会 更容易。 说明： 对于不规则材料(如，模制材料)可能对试件进行更多的 测量，如移动样品，当它与棱柱接触时，稍向侧面，或通 过垂直和平行于成型压力进行测量。该程序应重复足够 的次数，以确定涉及的指数范围。如果指数读数的平均 值和范围超过测量精度，则应报告该范围。 应进行大量试验测量，以熟悉固体样品的处理，并确 定可实现的再现性等。 局限性： 可以测量没有吸收的透明材料。 一些材料，如选择的打火石玻璃，具有nD> 1.72不能用 Abbemat MW测量。 由于更难处理和样品制备，固体材料的测量精度和再 现性将低于液体材料。 6 参考文献 Standard Test Method for Index of Refraction of Transparent Organic Plastics， ASTM D542-00(2006). Optical Glass Catalogue， Abbe-Diagram Graphics， Advanced Optics， Schott AG，G e rmany. Technische Optik in der Praxis， Springer Verlag，PP...127ff，，ISBN 3-540-21884-X. Borate glasses： structure， properties，applications，L. D. Pye， V. D. Frechette， N. J. Kreidl； Plenum Press， New York，1977， ISBN 9780306400162. Calculation of Abbe’s Number for Glasses，www.gl a ssproperties. com. Abbe number， Dispersion (optics)，www.wikipedia. org Brillenglas-Kompendium， KenngroBen， Carl Zeiss GmbH，，V Wetzlar. Optics and photonics --Microscopes —-Immersion liquids for light microscopy，ISO 8036：2006 Contact Anton Paar GmbH Tel： +49 511 40095-0W www.anton- paar.com application-optotec@anton-