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        體積小形狀不規(guī)則玻璃材料的參數(shù)測量

        2011-01-24 07:41:48劉云鋒
        物理通報 2011年4期
        關(guān)鍵詞:精確度折射率玻璃

        劉云鋒

        (河北大學工商學院 河北 保定 071002)

        李志強

        ( 河北大學物理科學與技術(shù)學院發(fā)光與顯示研究所 河北 保定 071002)

        1 引言

        隨著科學技術(shù)不斷進步,對玻璃材料的性能提出了更高的要求.特種玻璃、光學玻璃、微晶玻璃成了新的研究課題[1~2].在研究過程中,由于成本高,技術(shù)不成熟,有些樣品的尺寸較小,形狀也不規(guī)則,給進一步測試其性能帶來很多麻煩,其中密度和折射率的測試就是較棘手問題.用排水法測試樣品的密度,由于體積較小,得到的樣品的密度精確度不高.對于折射率,通常采用的阿貝折射儀,要求樣品的折射率小于1.7;對于一些特種玻璃樣品,有些折射率遠高于1.7,有的甚至達到2.5,無法用阿貝折射儀測試.而由中國科學院長春物理所王大珩院士發(fā)明的V棱鏡法,要求玻璃樣品的體積較大,必須磨制成V形,而有些樣品質(zhì)量較差,在磨制過程中常會破碎.用測試薄膜厚度的儀器橢圓光偏振儀也可以用來測試玻璃的折射率,但它的原理是比較從上下兩表面發(fā)射光的偏振性質(zhì),要求上下表面要平行光滑.這在樣品較小無法采用儀器拋光情況下,采用人工拋光是無法實現(xiàn)的.

        我們采用了精確度0.1 mg的分析天平,直接測試樣品排除水的質(zhì)量與樣品的質(zhì)量比較,得到樣品的密度,精確度由分析天平?jīng)Q定,因此精確較高.用測試樣品的透射光譜測試樣品的折射率,對樣品沒有特別的限制.

        2 實驗準備

        用熔融退火方法制備Er3+摻雜碲酸鹽玻璃樣品.把一定量的Er2O3,TeO2,Nb2O5,PbO充分研磨放入準備好的坩堝里,置于高溫爐中,在1 000 ℃灼燒3 h后取出.然后在400 ℃退火24 h,得到所需的樣品,準備進行密度測試.密度測試,需要準備0.1 mg分析天平;細金屬絲1根;可以固定樣品的較輕的支架1個;1杯經(jīng)過煮沸再降到室溫下的去離子水.測試折射率之前,要把樣品磨制成2 cm×2 cm大小、厚為1 mm的形狀,用各種目數(shù)的石英砂和氧化鈰磨料及鹿皮和牙膏等精心拋光.

        透射光譜用Shmandzu UV 3101PC型分光光度儀測量,掃描范圍是200~3 000 nm.高溫爐采用KLS-1700,分析天平采用BEL RS-232.

        3 參數(shù)測量

        3.1 樣品密度的測量

        (1)稱量玻璃樣品的質(zhì)量.

        (2)將玻璃樣品用細的金屬絲(直徑0.1 mm)系好掛在重量較輕的簡易支架上.以上裝置放在天平上,此時玻璃樣品被懸空在天平托盤的外側(cè),下面放裝有水(密度為ρ0)的玻璃杯.對天平計數(shù)清零.

        (3)將玻璃樣品慢慢地浸入玻璃杯中.等到完全浸沒在水里,樣品完全靜止.記下樣品的質(zhì)量m′.

        表1 樣品的質(zhì)量與樣品排開水的質(zhì)量

        3.2 樣品折射率的測量

        設吸收頻率為ν的原子密度為ni(ν),強度I(ν)的光束經(jīng)過面積A和長度dx的樣品后變化為

        -dI(ν)A=ni(ν)AdxBifρ(ν)hν

        (1)

        式中Bif為愛因斯坦吸收系數(shù).

        因為I(ν)=ρ(ν)c,上式變?yōu)?/p>

        a(ν)dx

        (2)

        (3)

        T為透過率,α為吸收系數(shù).

        在垂直入射

        所以

        因此,可以通過測試樣品的透過率得到樣品的折射率.我們利用Shmandzu UV3101PC型分光光度儀測量了樣品的透射光譜,如圖1所示.從圖1可以看到樣品的最大透過率約為85%,計算折射率為2.25,與文獻3給出的折射率測量結(jié)果符合得很好,表明用晶體透射光譜來測量折射率是一種有效的簡易測量方法.需要注意的是玻璃樣品在可見光和近紅外幾乎是透明的.但樣品拋光度不高時樣品表面會有散射影響透過率.同時樣品質(zhì)量不高,如玻璃內(nèi)部不均勻也會影響玻璃的通過率.因此,用這個方法對樣品的質(zhì)量和拋光度有要求.

        圖1 樣品的透射光譜

        4 結(jié)果分析

        用天平測量體積小、形狀不規(guī)則的玻璃樣品密度,方法可行,精確度由天平精確度決定.利用玻璃樣品的透射光譜來測試樣品的折射率,對樣品的形狀、大小沒有要求,只要樣品品質(zhì)較好、拋光度足夠高,測量的折射率結(jié)果就很準確.

        參考文獻

        1 徐敘瑢.發(fā)光學與發(fā)光材料.北京:化學工業(yè)出版社,2004.10

        2 方容川.固體光譜學.合肥:中國科學技術(shù)大學出版社,2001.5

        3 任軍江,等.碲鈮鉛玻璃在400~826 nm范圍內(nèi)折射率色散.硅酸鹽通報,2003(1):14~16

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