Ю.Н.Бондаренко. Изготовление оптики, часть 1. Стекло для изготовления оптики

рисунок

Стекловидное состояние вещества считается сильно переохлаждённой жидкостью, в которой нет кристаллической структуры. Получить такую физическую систему можно быстрым охлаждением расплава. Есть и другие методы, но в нашем случае они не важны.



Легче всего получить стекло из вязкого расплава, молекулы которого не способны при охлаждении быстро занять свои места в кристаллической решётке. Например, двуокись кремния, SIO2 в расплавленном виде полимеризуется и при охлаждении даёт не кристаллы, а кварцевое стекло. Сходными свойствами обладает окись бора, германия, фосфора, сера. Эти «простые» стёкла часто имеют не совсем нужные свойства и в них вводят «модификаторы». В двуокись кремния можно ввести окись алюминия, бора, натрия, калия, кальция, магния, свинца, бария и почти всех других металлов. При этом снижается температура плавления расплава, он становится более жидким, а стёкла из него приобретают меньшую твёрдость, больший коэффициент преломления, дисперсии, больший удельный вес, КТР и так далее.

Соответственно, в серу можно вводить мышьяк, селен, теллур, германий и другие элементы, получая непрозрачные в видимой, но прозрачные в инфракрасной области спектра «бескислородные» стёкла.

Есть стёкла и на нитридной основе и даже из сплавов металла с, например, бором, (металлические стёкла). По этому предмету есть отличная советская книга «Химическая технология стекла и ситаллов» и мы советуем её прочитать.

По назначению стёкла можно разделить на «бытовые», типа оконного или для посуды, электровакуумные, «химические», для лабораторной посуды, оптические, и других назначений. Понятно, что никто не запретит применить оконное или электровакуумное стекло в оптике, так что эта классификация, до некоторой степени условна.

Большое число стёкол разработано и предназначено для оптических применений. Эти стёкла, в свою очередь, делятся на стёкла для линз и стёкла для зеркал.

Стёкла для волоконной оптики, столь важные для нашей современной жизни, здесь мы тоже рассматривать не будем.

Стёкла для зеркал стараются сделать химически стойкими, с малым КТР, возможно большей твёрдости и однородности. Здесь вне конкуренции кварцевое стекло, кварцевое стекло легированное двуокись титана, но его производство дорогое и сложное, поэтому ему на замену было придумано закристаллизованное особым образом литийалюмосиликатное стекло, которое называется астроситаллом.

Этот материал, не являясь стеклом, тем не менее, имеет твёрдость и прочность стекла и может обрабатываться, как стекло. При обработке, также как и кварц, не трескается от нагрева, так как КТР его мал. Дороже стекла К-8 в несколько раз, но при изготовлении плоскостей позволяет работать гораздо быстрее, так как контроль не требует «отстаивания», поэтому готовые детали из ситалла могут быть дешевле стеклянных, тем более, что многие из них можно делать из обрезков от крупных деталей. Это же касается и кварцевого стекла.

Стёкла для линзовой оптики условно делятся на две большие группы «кроны» и «флинты». Эти группы, в свою очередь, делятся на подгруппы, между ними есть переходные сорта стёкол типа «кронфлинта».

В их химическом составе могут быть самые разнообразные элементы, вплоть до бериллия, что диктуется необходимостью получать специальные величины коэффициента преломления и спектральной дисперсии.

Флинты содержат в своём составе тяжёлые металлы, особенно, свинец. Они сильно преломляют свет, их разность коэффициентов преломления по спектру велика.

Кроны, наоборот, имеют меньший коэффициент преломления и слабую дисперсию, меньший удельный вес и более стойки (как правило) химически.

Из всего многообразия стёкол для производства зеркал пригодны только химически стойкие стёкла. В первую очередь, стекла МКР, ЛК-5, ЛК-7, хорошо работает также борсиликатное К-8 и «иллюминаторные» стёкла для остекления кораблей. К ним же примыкает и толстое строительное (оконное) стекло. Строительное и иллюминаторное стекло тоже могут считаться «кронами».

Эти стёкла, в настоящее время делаются высокого качества, и неплохо отжигаются (но могут быть и специально закалённые).

Если стекло имеет неизвестное происхождение и состав, то его пригодность для изготовления зеркала можно проверить, замочив кусочек стекла в десятипроцентной азотной кислоте. Если стекло не разрушается заметным образом, то его можно применить.

Большинство электровакуумных и технических стёкол тоже подошли бы, но их отжиг может быть совершенно неудовлетворителен.

Тут мы сделаем экскурс в физику стекла. Стекло, как «переохлаждённая жидкость», это лишь первое приближение к его реальной структуре. При нагреве стекла и других тел, в них появляются «вакансии», места, не занятые атомами, и структура становится более «рыхлой». Если материал охлаждать медленно, то его структура «стабилизируется», дефекты структуры исчезают. При этом увеличивается коэффициент преломления и удельный вес.

Для сложных стёкол процессы такой «стабилизации» усложняются и быстро остудив стекло, можно получить структуру с другими свойствами, в том числе и с другим КТР. Понятно, что заготовка из стекла, которая охлаждалась быстро и неравномерно, если из неё сделать точную деталь будет в своей толще деформироваться по-разному при температурных перепадах. Точная поверхность тоже будет деформироваться.

В крайних случаях, при быстром охлаждении сильно нагретого стекла «химического» «Пирекс» автор наблюдал растрескивание («посечку») спая, сделанного с применением высокотемпературного водород-кислородного пламени, если не было обеспечено медленное охлаждение всего изделия и выдержка в минуты или десятки минут при 600 градусах. Это, и родственные ему стёкла Лк-5, ЛК-7 «двухфазные». Их низкий КТР обеспечивается тем, что микроструктура стекла похожа на поролон из кварцевого стекла, в порах которого находится борат натрия. Если их сильно нагреть и потом быстро охладить, то такая структура не успевает сформироваться и КТР получается большим, чем у отожжённого стекла. Отсюда и «посечка». Из-за наличия структурных неоднородностей толстые куски стекла ЛК-5 красиво опалесцируют синеватым оттенком. Свет рассеивается на неоднородностях структуры. Кроме того, стёкла типа «Пирекс» могут, при обработке кислотами, выщелачивать легко растворимые бораты, сохраняя свою форму. (На этом эффекте построена технология стекла «Викор», которое называют «кварцоидным») Химическая стойкость двухфазных стёкол понижена. Первые американские разработки таких стёкол вообще давали пятна от потных рук. Потом, при дальнейших работах, от этого недостатка удалось частично избавится, но стекло, специально разработанное для шестиметрового телескопа в СССР плохо себя показало при перенапыленияяях этого зеркала. Нагревая ЛК-5 до размягчения, можно увидеть на нём «корку» из выветрившегося стекла.

Тем не менее, зеркала из ЛК-5 делают, моют пред напылением алюминия и они работают в реальных телескопах.

Для обычных небольших сферических или параболических зеркал можно считать хорошим или даже идеальным стекло К-8. Оно однородное, химически стойкое и хорошо полируется. Его же можно рекомендовать для больших линз типа системы Флюге, Шмидта. Райта. В паре с флинтом Ф-1 оно даёт отличные результаты для корректоров систем прямого фокуса типа «ГиперРосс».

Флинты, как правило, более тяжёлые, меньшей химической стойкости, чем кроны (Хотя тяжёлый крон ТК-14 выветривается даже на воздухе). Просветление уксусной кислотой К-8 у флинтов позволяет снизить отражение света раза в два, одновременно увеличивая химическую стойкость поверхности, которая при таком просветлении покрывается плёнкой из аморфного кварца.

Отжиг достаточно больших заготовок стекла в кустарных условиях, видимо, невозможен. Для этого процесса требуется камерная печь с однородной температурой от 600 до трехсот градусов с плавным и точным регулированием. Процесс тонкого отжига может занять и неделю! При этом деталь нужно завернуть в алюминиевую фольгу. «Шуба» из хорошо проводящей тепло фольги выравнивает температуру по стеклянной детали, а если её ещё и медленно вращать, то температурный градиент тоже понизиться. Печь - штука дорогая и оправдает себя только при массовом и серийном производстве.

Это касается только крупных деталей. Мениски диаметром семьдесят миллиметров из оконного секла для очковых линз (Защищают глаза от солнечного ультрафиолета) можно обрабатывать и в обычной муфельной печи.

Автор это делал так: Вырезанная из стекла круглая заготовка укладывалась в железную «чашку» с рабочим радиусом 125 мм и помещалась в нагретую до красного каления печку. Чашка перед этим натиралась мелом. После оседания стекла на чашку, она вынималась, немного подстуживалась на воздухе и заворачивалась в несколько слоёв стеклоткани. Минут через двадцать стекло вытряхивалось на ту же стеклоткань, а в чашку укладывалась новая заготовка для моллирования. Отмоллированные мениски заворачивались по отдельности в алюминиевую фольгу, укладывались в железный тигель и отжигались вторично от температуры около шестисот градусов. Охлаждение тигля производилось с печью. После этого поляриметр показывал отсутствие натяжений. Так автор делал себе защитные очки. Малая толщина мениска и «кривая» форма позволяет быстрее охлаждать деталь после моллирования. Если плоский диск охлаждать слишком быстро, то его края, которые имеют лучшие условия для охлаждения, стараются «обжать» горячие центральные части, а поскольку стекло плохо работает на растяжение, то диск трескается, начиная от краёв. У мениска, который может деформироваться поперёк своей толщины, этот эффект уменьшен. (Именно поэтому химики варят свои вещества в круглодонных колбах и пробирках с круглым дном.)

Время, потребное для отжига, пропорционально квадрату толщины диска из стекла.

Стекло для зеркала небольшого размера из экрана телевизионной трубки рассмотрено в другой статье. Это весьма заманчивое стекло, но не совсем однородное, часто имеет свили и не годится для линз, а его недостаточный отжиг будет мешать и при изготовлении зеркальной оптики. Подводя итоги, можно сказать, что для любителя делать оптику самостоятельно, надо стараться стать квалифицированным специалистом, приобретать хорошие заготовки и не пренебрегать «мелочами», которые иногда могут иметь решающее значение для работы.

Часть 2. Астрозеркало небольшого размера

Часть 3. Линзы малого размера

Часть 4. Изготовление линз-шариков



Часть 5. Плосковыпуклая гиперболическая линза

Часть 6. Конические поверхности

Часть 7. Цилиндрические поверхности

Часть 8. Юстировочная поверхность у зеркала Кассегрена



Литература



Д.Стронг, Техника физического эксперимента. ЛЕНИЗДАТ, 1948 г.







Ю.Н.Бондаренко, поселок Маяки, Одесская область,  26 декабря 2018 г.



Поделиться в соцсетях

Facebook Twitter Google+ Vkontakte

Комментариев нет:

Отправить комментарий