Propriétés optiques de verre Comment la lumière et verre Interact - VERRE TRANSFORMER LA LUMIÈRE
Propriétés optiques de verre: Comment la lumière et verre Interact
Ceci est le deuxième article d'une série en trois parties qui examine le thermique. les propriétés optiques et mécaniques du verre. Nous allons définir les propriétés des éléments en verre et expliquer leur application et de l'importance dans la conception des composants.
Les propriétés optiques d'un matériau déterminent la façon dont il va interagir avec la lumière. Aujourd'hui, la plupart des ingénieurs utilisent des outils logiciels avancés pour simuler les propriétés d'un matériau et leur impact sur la performance optique. Pourtant, la familiarité avec quelques propriétés optiques fondamentales aidera les ingénieurs choisir le bon matériel pour leur application. Dans cet article, nous passons en revue l'indice de réfraction, la transmission, l'absorption et la dépendance de longueur d'onde et de discuter comment ces effets des propriétés de conception de produits.
Réfractomètre
Vous êtes probablement familier avec le concept de « voyager à la vitesse de la lumière », mais saviez-vous que la vitesse de la lumière peut changer? La vitesse de la lumière est réduite quand il se déplace dans un milieu en raison de l'interaction des photons avec des électrons. Typiquement, la densité d'électrons plus élevées dans un matériau en résultat des vitesses inférieures. Voilà pourquoi la lumière se déplace rapidement dans le verre, plus rapide dans l'eau, et le plus rapide dans le vide. L'indice de réfraction (n) d'un matériau est définie comme étant le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide à celle de la lumière dans le matériau.
Lorsqu'un faisceau de lumière frappe une surface de verre, une partie du faisceau est réfléchie et une partie est transmise. L'indice de réfraction du verre détermine non seulement la quantité de lumière réfléchie et transmise, mais aussi son angle réfractée dans le verre. L'angle de transmission peut être calculé en utilisant la loi de Snell:
Les indices de réfraction plus grands en verre entraînent de plus grandes différences entre l'angle d'incidence et de la transmission de la lumière. La réflexion de la lumière à la surface se produit en raison d'un changement immédiat dans l'indice de réfraction entre le verre et son milieu environnant. Pour une incidence normale (Θi = 0 °), la quantité de lumière réfléchie est trouvée par
Application:
Lors de la conception d'une lentille qui transmet la lumière, il est nécessaire de considérer l'indice de réfraction du matériau. Même un petit changement dans l'indice de réfraction peut affecter la distribution de candela de la lumière transmise. Cela peut être vu dans l'exemple ci-dessous, où la lumière se déplace à travers deux lentilles convexes plano de forme identique avec différents indices de réfraction.
Absorption
Lorsque la lumière se déplace à travers un verre, l'intensité de la lumière est généralement réduite. Cette absorption se produit lorsque l'énergie d'un photon de lumière correspond à l'énergie nécessaire pour exciter un électron dans le verre à son état d'énergie plus élevée, et le photon est absorbé par le verre.
Cette valeur dépend de la composition et de l'épaisseur du verre, ainsi que la longueur d'onde de la lumière incidente.
Application:
filtres en verre de terres rares sont souvent utilisés pour calibrer l'absorption et la transmission de spectrophotomètres. Ces verres absorbent la lumière à des longueurs d'onde très spécifiques, qui permettent l'étalonnage des pics d'absorption bien caractérisées dans l'ensemble du rayonnement ultraviolet, visible et infrarouge des spectres.
Dans certaines applications, il est avantageux de réduire la production de lumière en parties égales dans toutes les longueurs d'onde. filtres à densité neutre, par exemple, absorbent toutes les longueurs d'onde presque également et sont souvent utilisés dans la photographie pour réduire l'intensité de la lumière sans affecter la couleur. Ils sont également utilisés pour atténuer les lasers et d'autres sources de lumière où la puissance ne peut pas être réglé ou réduite.
Transmission / Transmission
Toute lumière non absorbée par un verre ou réfléchi à sa surface sera transmise à travers le verre. Il est souvent très important de savoir exactement combien la lumière passera à travers un verre à des longueurs d'onde spécifiées. Souvent, les verres sont traités en fonction de leur transmission ou de transmission. La même information est fournie par l'autre de ces termes, mais la transmission est rapporté avec les plages de 0% à 100%, et la transmittance de 0 à 1.
La transmission est souvent rapporté que la transmission interne et défini comme suit:
facteur de transmission externe comprend à la fois la perte d'absorption de la matière et de la perte de lumière due à la réflexion sur les deux surfaces de verre, tandis que le facteur de transmission interne ne comprend que les pertes d'absorption du matériau.
Application:
Lors de l'examen d'une feuille de propriétés de verre et la conception d'une partie, il est important de savoir si les spécifications de l'industrie que vous essayez de rencontrer sont pour la transmission externe ou interne de transmission. Par exemple, la plupart des spécifications Federal Aviation Administration (FAA) pour les applications aéroportuaires et de l'aérospatiale ont des exigences qui sont fournies dans la transmission externe. SAE Aerospace standard AS 25050 exige des rapports de transmission externes spécifiques pour les différents articles de couleur. En fonction du niveau de transmission, différents grades (A-D) sont affectés à la vaisselle.
Dépendance à l'égard des valeurs de longueur d'onde
Il est important de noter que toutes les propriétés optiques précédemment décrites dépendent longueur d'onde. Par exemple, l'indice de réfraction d'un verre augmente à mesure que la longueur d'onde de la lumière incidente devient plus courte. La dispersion de l'indice de réfraction est souvent montré en utilisant l'exemple de la séparation de la lumière blanche lors d'un voyage à travers un prisme. Selon la loi de Snell, depuis nblue> nred. la lumière avec des longueurs d'onde bleues réfracter ou changer de direction plus en longueurs d'onde rouges réfracter moins à leur entrée, Voyage bien, et laisser les surfaces de différentes matières.
La dépendance de la longueur d'onde de l'indice de réfraction est souvent décrite en utilisant l'équation empirique Cauchy,
ici A, B, et C sont des constantes spécifiques à la composition de verre. Cette relation fonctionne bien pour les longueurs d'onde visibles, mais souvent ne décrit pas avec précision le comportement ultraviolet ou infrarouge.
La réflexion, l'absorption et la transmission d'un verre varient aussi avec la longueur d'onde. La couleur d'un verre est déterminée par les longueurs d'onde que le verre absorbe et transmet. Par exemple, un verre qui absorbe les longueurs d'onde vert, jaune et rouge et transmet des longueurs d'onde bleues apparaissent bleu à l'œil. Chromaticité est quelque chose que nous savons beaucoup de choses sur et discuterons plus en détail dans un article futur blog.
Application:
Comme augmente et remplace les sources de lumière conventionnelles adoption LED, il est important d'examiner comment leur rendement lumineux est différent. L'image ci-dessous montre comment la puissance spectrale varie entre une LED bleue, verte et rouge par rapport à une source à incandescence (CIE Illuminant A). LED de couleur ont des bandes de longueur d'onde de la lumière émise étroites qui doivent être pris en compte lors de la conception des longueurs d'onde spécifiques d'application.
Jusqu'à présent, dans cette série, nous avons discuté des propriétés thermiques et optiques de verre et leur impact sur la conception des produits. Ce ne sont que deux éléments de design réussi. Notre dernier article de cette série explorera les propriétés mécaniques du verre. qui sont particulièrement pertinentes lorsque les produits sont utilisés dans des environnements difficiles ou sont soumis à des produits chimiques corrosifs.
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A propos de l'auteur
Justine Galbraith En tant qu'ingénieur de verre à Kopp verre, la passion de Justine pour le verre et la lumière lui a permis de développer de nouvelles compositions qui repoussent les limites de la fabrication du verre technique. Justine est titulaire d'un doctorat en physique de l'Université Dalhousie.