Как меняется показатель преломления от температуры

Термические свойства оптических подложек

Устойчивость оптических систем к температурным колебаниям различна и зависит от специального параметра – коэффициента теплового расширения. Кроме коэффициента теплового расширения часто указывается другая характеристика – зависимость коэффициента преломления вещества от температуры. Температурный фактор негативно отражается на фокусировке излучения и снижает точность производимых измерений. Теплоизолирующие механизмы в основном разрабатывают для приборов, предназначенных для работы в ИК диапазоне спектра.

Коэффициент теплового расширения – это, фактически, коэффициент пропорциональности в выражении, содержащем отношение приращения линейного размера или объема тела самого вещества, вызванного приращением температуры, к начальному размеру или объему. Выражение можно записать в виде:

(1)

где L – длина тела в начальном состоянии, ∆L – приращение длины, вызванное увеличением температуры, α_L – коэффициент линейного теплового расширения, ∆T – приращение температуры. Иллюстрация процесса теплового расширения объема тела представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Приращение температуры ∆T, приводящее к изменению линейного размера материала ∆L

Повышение температуры тела принято связывать с ростом кинетической энергии молекул, составляющих вещество. Существуют исключения: например, вода, объем которой увеличивается не при нагревании, а при замораживании. Это объясняется тем, что коэффициент теплового расширения воды становится отрицательным при температуре ниже 3.983°C.

Коэффициент теплового расширения измеряется в единицах обратной температуры 1/˚C. При выборе оптических компонентов для какого-либо приложения важно учитывать этот параметр, так как нагрев оптики до слишком высоких температур может привести к необратимым деформациям и снизит общую точность. Так, например, увеличение диаметра линзы на 1 мм из-за тепловых эффектов приводит не только к появлению нежелательного отклонения пучка и децентрировки в оправе, но и может служить причиной трещин рабочего тела.

При производстве стараются как можно больше снизить коэффициент теплового расширения, чтобы изменение размеров при нагревании не привело к критическим последствиям.

Температурный коэффициент показателя преломления

Температурный коэффициент показателя преломления dn/dT показывает изменение коэффициента преломления вещества от температуры. Температурный коэффициент преломления большинства стекол, применяемых для работы в ИК области, отличается резкой «крутизной» графика, в отличие от стекол, предназначенных для работы в видимом диапазоне.

Плотность вещества практически во всех случаях обратно зависит от температуры, то есть с нагреванием снижается. Экспериментально показано, что коэффициент преломления зависит и от плотности вещества, а значит, можно утверждать об обратной зависимости показателя преломления от температуры.

Общее выражение для температурного коэффициента преломления может быть записано в виде:

(2)

где T₀ – температура нормальных условий (20℃), T – температура в ℃, ∆T – приращение температуры относительно T₀ , λ – длина волны излучения, D₀, D₁, D₂, E₀, E₁, и λ_TK – справочные коэффициенты вещества.

Для отражающей оптики температурный коэффициент преломления применяется редко, если только не вызывает заметных изменений в эффективности прибора, в частности отражающего покрытия. Гораздо более важен температурный коэффициент преломления для пропускающих оптических компонентов, от вида этой зависимости можно судить о чувствительности инструмента к температурным перепадам.

Поглощение высокомощного лазерного излучения, проходящего через оптическую поверхность, неизменно приводит к нагреванию. Температурный коэффициент преломления dn/dT показывает, как изменится производительность системы в зависимости от температуры (рис. 2).

Рисунок 2. Изменение показателя преломления оптического компонента (линзы), приводящее к сдвигу фокусного расстояния и изменяющее положение точки фокусировки

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности вещества k – физическая величина, показывающая способность вещества проводить тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым (рис. 3), измеряется в Вт/м⋅К. Выражение коэффициента теплопроводности имеет вид:

(3)

где Q – количество тепла, перенесенного за время t , A – площадь участка (среза), ΔT – температурная разница между двумя участками подложки, d – толщина.

Рисунок 3. Теплопроводность материала подложки k, определяющая способность вещества проводить тепло Q по данной толщине d

Высокая теплопроводность (например, у металлов) означает, что перенос тепла от участка к участку происходит с большей скоростью, чем у тел из пластика или стекла, у которых теплопроводность ниже.

Перенос лазерного излучения в оптических схемах происходит путем преобразования энергии излучения в тепловую, именно поэтому теплопроводность материалов имеет большое значение для сохранения теплового баланса в приложениях лазерной оптики. Низкоотражающие вещества, а также тела, проводящие только определенные длины волн, поглощают больше излучения и быстрее нагреваются – к этой категории относятся цветные стекла, поглощающие фильтры. Перегрев отдельных участков поверхности может привести к физическим повреждениям оптики. Не допустить повреждений помогут системы дополнительного охлаждения – множество из них создано под конкретные приборы и позволяют заметно упростить работу над экспериментом.

При проектировании схемы и подборе оптических компонентов, в частности – линз и подложек, необходимо учитывать влияние тепловых эффектов на параметры прибора по различным параметрам, описанным в этой статье, и точно соблюдать допустимые температурные диапазоны.

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

Принцип действия и устройство рефрактометра

Рефракция — измерение методом преломления. Этот термин был введен в употребление еще в 18 веке Ньютоном. Рефрактометр получил свое название за принцип работы. Принцип рефрактометра — измерять концентрацию растворов и масел через коэффициент преломления света.

Виды устройств

Устройство рефрактометра основано на призме. Сегодня существует несколько видов таких приборов:

• цифровые;
• ручные;
• лабораторные;
• стационарные промышленные.

Промышленные и лабораторные устройства используются на предприятиях и в исследовательских центрах. Они не отличаются мобильностью, потому что имеют большие габариты. Тяжелые устройства обычно не переносят, их используют на месте. Преимущество такого оборудования — высокая точность показателей.

Цифровые и ручные механические рефрактометры отличаются высокой мобильностью. Они маленькие и легкие, такие приборы можно легко транспортировать. Шкала рефрактометра отображается на ручной механическом приборе. Цифровой рефрактометр показатель преломления отображает в цифрах без шкалы.

Преимущества разных видов устройств

Промышленные и лабораторные рефрактометры имеют одно важное преимущество — они отличаются высокой точностью показателей. Такие приборы используют в лабораториях крупных предприятий. Например, компания, выпускающая СОЖ, тестирует масла, используя лабораторные приборы. Производитель автомобилей может подбирать масла и другие жидкости для машин с помощью промышленного рефрактометра.

Ручные механические и цифровые приборы применяют там, где большое значение имеет мобильность оборудования. Например, в автосервисе лучше использовать один из компактных и простых приборов. Ручной рефрактометр TechLube RB-18 ATC идеально подойдет для таких целей. Шкала рефрактометра довольно точно отобразит концентрацию СОЖ и других жидкостей (в том числе антифризов).

Рефрактометр TechLube RB-18 ATC не имеет элементов питания, он идеален даже для полевых условий. Если нужно быстро измерить концентрацию вещества, рефрактометр показатель преломления отобразит мгновенно. Достаточно нанести немного вещества на линзу. С такой задачей справится даже новичок, который не имеет опыта в проведении подобных измерений. Освоить процедуру измерения можно за несколько минут.

Электронный рефрактометр имеет расширенный функционал — это главное достоинство портативного прибора. Он может отобразить на жидкокристаллическом экране одновременно коэффициент преломления и плотность состава, преобразовав результаты в нужные единицы измерения. Аппарат удобен, но требует больше опыта и ему необходимы элементы питания.

Как устроен прибор

Устройство рефрактометра можно расмотреть на примере простого и практичного аппарата TechLube RB-18 ATC. Главный элемент устройства — призма с высоким показателем преломления. Именно на нее наносят исследуемое вещество, концентрацию которого необходимо установить.

На линзу падает луч, который преломляется под определенным углом. Угол преломления света в линзе, на которую уже нанесено вещество (например, СОЖ) зависит от плотности исследуемого веществ. Свет, преломляясь, попадает на систему линз и отображается на шкале. Коэффициентом преломления называют соотношения между углом вхождения луча и углом преломления в среде.

Принцип рефрактометра используют очень давно, прибор применяется во многих сферах. Он доказал свою эффективность. Устройство рефрактометра со временем было усовершенствовано, так появились цифровые приборы, но работает система по старой схеме.

Показатель преломления может измениться из-за температуры. В отдельных приборах температура вещества сохраняется стабильной благодаря специальной биметаллической пластине. Если температура вещества растет или понижается, пластина реагирует на это. Она корректирует показатели шкалы с учетом изменения температуры вещества. Впрочем, подобная функция нужна в отдельных случаях.

Зачем нужна калибровка прибора

Чтобы шкала рефрактометра показывала точные результаты, необходимо подготовить инструмент к работе и провести процедуру калибровки. Для таких целей используют самую обычную дистиллированную воду. Она нужна для того, чтобы выставить нулевое значение. Известно, что дистиллированная вода никак не влияет на преломление света в линзе — она дает нулевой коэффициент.

Для подготовки прибора надо нанести с помощью пипетки на главную линзу немного дистиллированной воды. Потом прибор закрывают и выставляют нулевое значение, используя калибровочный винт. Когда значение 0,0 выставлено, необходимо очистить специальной тряпочкой линзу. После такой небольшой подготовки можно проводить исследования — рефрактометр показатель преломления будет отображать очень точно.

Описанным выше образом можно настроить ручной рефрактометр TechLube RB-18 ATC. Он очень прост в использовании. После калибровки прибор дает точные значения. Использовать устройство несложно — достаточно повторять те же действия, что и при калибровке, не трогая только калибровочный винт.

На линзу для проведения измерений пипеткой надо нанести вещество, потом необходимо закрыть стекло и подождать около 30 секунд. Когда 30 секунд прошло, можно направить устройство на любой доступный источник света. Это может быть солнце или лампочка — мощность источник не повлияет на значение. Рефрактометр показатель преломления отобразит даже при неярком освещении.

Главное — не трогать в процессе измерений калибровочный винт, иначе придется проводить всю процедуру с нуля. Когда приходится проводить много измерений, используя разные жидкости, стоит почаще калибровать прибор и чистить его. Иначе возможны ошибки в показателях.

Пример простого прибора

Пример простого, но эффективного прибора — TechLube RB-18 ATC. Оптический рефрактометр идеально подойдет для измерения концентрации водосмешиваемых СОЖ. Он имеет систему автоматической температурной компенсации, чем выгодно отличается от многих аналогичных устройств. Если температура тестируемого состава изменится, это не повлияет на показатели рефрактометра.

Прибор гарантирует высокую точность измерений в любых условиях. Устройство можно взять с собой в дорогу, использовать в лаборатории, на предприятии, в автосерисе или гараже. Рефрактометр не займет много места.

Прибор устойчив к механическим повреждениям. Для его калибровки достаточно иметь немного дистиллированной воды. TECHLUBE предлагает скидки при покупке рефрактометров этой серии оптом. Срок службы таких приборов длительный, они надежные и практичные. Долговечность прибору обеспечивается относительно простой конструкцией и высоким качеством сборки.

TechLube RB-18 ATC имеет удобную обрезиненную ручку, которая не скользит в руках. Даже если руки в масле, прибор не выскользнет. Производитель продумал конструкцию рефрактометра до мелочей, учитывая специфику его применения.

Вопрос по физике, помогите разобраться, добрые люди!

Рефрактометрия (от лат. refractus — преломленный и греч. metreo — измеряю) — это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.

Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов — относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) — nD20. Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).

В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)

где n, n1, n2 — показатели преломления смеси и компонентов,

V1 и V2 — объемные доли компонентов (V1 + V2 = 1).

Для рефрактометрии растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этанола и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.

Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).

Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: nt=n0+at+bt2+…

Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48? 10-5, для спирта 3,95? 10-5, для бензола 4,8? 10-5. То есть изменение температуры на 1°С влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять nD в «белом» свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 -10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала.

Refractive Index: All You Need to Know

Пожалуйста, расскажите о вашей задаче. Запросить цены или информацию Позвонить специалисту Запросить информацию Запросить онлайн-демо /content/ru/ru/home/applications/Application_Browse_Laboratory_Analytics/Refractive_index/definition_and_measurement.fb.1.c.11.html Запросить цены

Что такое показатель преломления?

Показатель преломления вещества — это отношение скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде. Показатель преломления — безразмерная величина, которая зависит от температуры и длины волны света. Показатель преломления характеризует скорость распространения света в среде и рассчитывается по формуле:

n = c / v,

n — показатель преломления;
c — скорость света в вакууме (или воздухе);
v — скорость света в среде (например, воде, оливковом масле и т. п.).

На этой странице приведена необходимая информация о методах измерения показателя преломления.

Узнайте больше о показателе преломления, его применении, способах измерения, а также о законе преломления света и многом другом.

Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше о показателе преломления:

• Преломление света: практический пример
• Закон преломления света (закон Снеллиуса)
  
• Полное внутреннее отражение и критический угол
• Закон преломления света и устройство рефрактометра
• Измерение показателя преломления: что измеряет рефрактометр?
• Факторы, влияющие на величину показателя преломления
• Показатель преломления: применение на практике
• Абсолютный и относительный показатель преломления
• Рекомендации по измерению показателя преломления
• Совершенствуйте методику измерения показателя преломления
• Приблизительные значения показателя преломления стандартных и эталонных веществ
• Часто задаваемые вопросы

Преломление света: практический пример

Прежде чем углубиться в теоретическое обоснование показателя преломления, рассмотрим наглядный пример распространения света в различных средах.

На иллюстрации изображены три стакана с опущенными в них стеклянными палочками. Стаканы заполнены разными жидкостями:

Жидкость в стакане
1 Вода.
2 Вода и кедровое масло.
3 Кедровое масло.

Что мы видим в этих стаканах?

Показатель преломления воды (n = 1,333) ниже, чем стекла (n = 1,517). По этой причине стеклянную палочку видно в стакане 1 и отчасти — в стакане 2.

Зато у стеклянной палочки (n = 1,517) и кедрового масла (n = 1,516) показатели преломления почти одинаковые, поэтому кажется, что палочка при погружении в кедровое масло исчезает (частично в стакане 2 и полностью в стакане 3).

Закон преломления света (закон Снеллиуса)

Закон преломления света, известный также как закон Снеллиуса, описывает взаимосвязь углов падения и преломления с показателями преломления граничащих сред. Как показано на иллюстрации, согласно этому закону отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β (и показателей преломления n₁ и n₂) — это величина, постоянная для двух данных сред:

На иллюстрации показано, как отклоняется световой луч (1, синяя стрелка), проходящий под определенным углом из оптически менее плотной (n₁) в оптически более плотную среду (n₂), например из воздуха в воду.

Но когда луч проходит из одной среды в другую перпендикулярно границе раздела, никакого преломления не происходит (зеленая стрелка).

Согласно закону преломления света, отношение показателей преломления граничащих сред пропорционально отношению угла падения и угла преломления светового луча. То есть:

Полное внутреннее отражение и критический угол

Полное внутреннее отражение возникает, когда весь свет, направленный из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, отражается обратно в оптически более плотную среду. Для понимания этого явления рассмотрим иллюстрацию слева.

Синяя стрелка: луч света преломляется, проходя из оптически более плотной среды (n₂) в оптически менее плотную (n₁).

Угол падения α увеличивается (зеленая стрелка): когда угол падения α возрастает (1), он может достигнуть критической величины, после которой свет не проходит в оптически менее плотную среду (n₁), а отражается вдоль раздела двух сред. Такой угол падения называют критическим углом полного внутреннего отражения. Заметим, что при этом угол отражения β = 90°.

Угол падения больше критической величины: если угол падения превышает критическую величину, свет полностью отражается обратно в оптически более плотную среду (n₂). Это явление называют полным внутренним отражением (2).

Показатель преломления n1 рассчитывается по величине критического угла α, когда
β = 90° —> sin β = 1.

Внимание! Луч в случае 1 (зеленая стрелка) падает под критическим углом, а полное внутренне отражение происходит в случае 2 (голубая стрелка).

Закон преломления света и устройство рефрактометра

На основе описанного выше закона преломления света созданы рефрактометры — приборы для измерения показателя преломления жидкостей и высоковязких веществ.

На иллюстрации схематически показано устройство измерительной ячейки цифрового рефрактометра, в котором использован закон преломления света. Процедура измерения связана с полным внутренним отражением и критической величиной угла падения света. Принцип действия:

Источник света (1) — светодиод (LED). Луч света от светодиода проходит через поляризационный фильтр (2), интерференционный фильтр (3) и фокусирующие линзы (4), а затем через сапфировую призму (5) на образец.

Когда угол падения превышает критическую величину, отраженный свет попадает через линзу (6) на оптический датчик с зарядовой связью (7), который фиксирует критический угол. Кроме того, современные цифровые рефрактометры автоматически контролируют температуру на поверхности раздела призма/образец для повышения точности измерения.

Измерение показателя преломления: что измеряет рефрактометр?

Цифровой рефрактометр предназначен для измерения показателя преломления и связанных с ним характеристик жидкостей по методу полного внутреннего отражения. Процедура измерения автоматизирована, благодаря чему точность результатов не зависит от оператора. Измерение выполняется в течение нескольких секунд с высокой точностью на небольших образцах (объемом от 0,5 до 1 мл).

Также для измерения показателя преломления используются ручные рефрактометры, например оптический настольный рефрактометр Аббе или обычный переносной рефрактометр. Подробнее об их достоинствах и недостатках.

Факторы, влияющие на величину показателя преломления

Влияние температуры на измерение показателя преломления

Как зависит величина показателя преломления от температуры?

Сначала узнаем, как влияет температура на жидкости. С ростом температуры увеличивается пространство, которое занимают атомы, связанные между собой в одной молекуле. При нагревании усиливаются колебания атомов, атомы отодвигаются друг от друга раздвигаются, что приводит к снижению оптической плотности среды.

Как сказано выше, показатель преломления связан со скоростью распространения света в среде. Когда температура растет, оптическая плотность среды снижается, а скорость света в ней увеличивается, что приводит к небольшому изменению угла преломления. Другими словами, чем выше температура, тем меньше показатель преломления, как показано на графике ниже на примере воды.

Из графика видно, что температура образца существенно влияет на измеряемую величину. Это означает, что температуру следует точно измерять и по возможности регулировать.

Приборы старой конструкции, например рефрактометры Аббе, приходится помещать в жидкостный термостат. В большинстве современных цифровых рефрактометров температура оптической системы регулируется с помощью элемента Пельтье. Такая конструкция обеспечивает быстрое и точное измерение показателя преломления.

Влияние длины волны на измерение показателя преломления

Вследствие различной дисперсии света (дисперсионного соотношения) в разных веществах показатели преломления также почти всегда различаются в зависимости от длины волны света, используемого для измерения. Дисперсионное соотношение можно рассчитать следующим образом.

Мы знаем, что скорость распространения света в среде равна:

где:
n — показатель преломления;
c — скорость света в вакууме (или воздухе);
v — скорость света в данной среде.

Длина волны в этой же среде:

где: λ₀ — длина световой волны в вакууме (или воздухе).

Следовательно, величина показателя преломления (n) обратно пропорциональна как длине волны, так и скорости распространения света в среде. Это означает, что при большей длине волны показатель преломления уменьшается. Такое соотношение можно представить в виде уравнения:

В то же время для контроля качества в промышленности необходимо иметь определенную точную длину волны, чтобы сравнивать значения показателя преломления различных образцов, измеренные в одинаковых условиях.

Чаще всего в рефрактометрах используется желтая линия спектра натрия с длиной волны 589,3 нм. Желтая линия натрия уже давно используется для измерения показателя преломления. Это широко доступный, надежный и стабильный стандарт оптического излучения.

n = показатель преломления.

t = температура (°C).

D = желтая линия натрия.

Значение показателя преломления, измеренное по желтой линии натрия, обозначается символом nD.

Показатель преломления: применение на практике

Любой материал, который взаимодействует со светом, можно характеризовать показателем преломления. Во многих отраслях промышленности измерение показателя преломления используется для проверки чистоты и концентрации жидких, высоковязких и твердых образцов. Показатель преломления жидких и высоковязких материалов измеряется с высокой точностью (погрешность от ± 0,00002).

Кроме того, показатель преломления можно сопоставлять с широким диапазоном концентраций. Эту зависимость используют для анализа многих материалов в разных отраслях, например:

• Производство пищевых продуктов и напитков: плотность (содержание сахара) по шкале Брикса для безалкогольных напитков или плотность виноградного сусла по шкале Эксле.
• Химическая промышленность: температура замерзания (°C или °F), концентрация кислоты/щелочи, содержание органических растворителей или неорганических солей в объемных или весовых процентах.
• Производство и клинические исследования лекарств: содержание перекиси или метилового спирта, концентрация различных веществ в моче.

В некоторых случаях измерение показателя преломления сочетают с измерением плотности, получая простой и эффективный метод контроля. Такой анализ можно полностью автоматизировать.

Требуется более подробная информация о показателях Брикса, Плато, Баллинга и Боме?

Наряду с плотностью по шкале Брикса, существуют другие сопоставимые единицы для измерения содержания сахарозы, например градусы Плато, Боме, Эксле и Баллинга. Узнайте больше об их различиях, применении, способах измерения и расчета.