Википедия

Неодимовое стекло

(перенаправлено с «Дидимовое стекло»)

Неоди́мовое стекло́ — минеральное стекло, содержащее в составе оксид неодима, иногда смесь оксидов других редкоземельных элементов и имеет несколько названий: неодимовое стекло, дидимовое стекло, стекло-хамелеон, александритовое стекло[1], стёкла Мозера («Александрит», «Гелиолайт», «Роял»)[2] и много других торговых наименований, среди которых выделяется «Неофан» или «неофановое стекло»[3]. Neophan (новое явление) — бренд нескольких немецких фирм (Auer, Siemens) для различных изделий из этого стекла, название которого стало нарицательным, фактически названием самого стекла.

Светло-фиолетовое неодимовое стекло
Спектр пропускания света фиолетового неодимового стекла, применяющегося в светофильтрах к телескопам.
Графики пропускания света неофановых стёкол со светопоглощением 25, 50 и 75 %
Видимый спектр неодима.
Поглощение жёлтого свечения дидимовыми очками
Рекламный проспект 1930-х годов: светопропускание неофанового стекла.

В англоязычных странах для обозначения линз очков и светофильтров из фиолетового неодимового стекла используется аббревиатура «ACE» — Amethyst Contrast Enhancer — «аметистовый усилитель контрастности». Эта аббревиатура иногда применяется и для стёкол других цветов, только в начале пишется сам цвет, например зелёное стекло — «Green ACE». Название «дидимовое стекло» (Didymium glass) хотя и имеет устаревший термин «дидим», но до сих пор используется для обозначения как стекла со смесью оксидов лантаноидов, так и собственно неодимового стекла с чистой окисью неодима, применяющегося для технических защитных очков и для фотографических светофильтров.

Свойства

править

Это стекло обладает интересными оптическими свойствами, связанными с f-f переходами в электронной оболочке атома неодима.

  • Способность избирательно, в зависимости от длины волны, поглощать видимый свет: фиолетовое стекло существенно поглощает жёлтую часть спектра, а спектральную дублетную D-линию излучения натрия с длиной волн 589 и 589,6 нм и излучение с длинами волн 580—590 нм поглощает почти полностью; имеет полосы поглощения в других частях оптического излучения (430, 480, 520, 730 нм и др., см. график справа), но почти полностью пропускает красный участок и наиболее видимые для человеческого глаза части зелёного и синего участков спектра:
 — красные предметы через стекло кажутся более яркими, почти сияющими;
 — оранжевые и розовые заметно краснеют и также выглядят ярче, кожа бледнолицых людей приобретает розовый цвет;
 — жёлто-зелёные предметы зеленеют и видятся отчётливее;
 — зелёные и синие предметы, голубое небо и поверхность воды выглядят насыщеннее, имеющими как бы более чистый цвет;
 — жёлтые предметы теряют яркость, а чистое без примесей натриевое излучение практически исчезает; но в большинстве случаев жёлтые материальные объекты остаются видимы, поскольку они светят в широком спектре и часто смесь красных и зелёных лучей воспринимается как жёлтый цвет[4]. Например свет натриевой лампы, сфотографированный и воспроизведённый на мониторе по технологии RGB, через неодимовое стекло не меркнет и почти не меняет цвет;
 — в целом из-за выпадания жёлтого участка спектра возникает приличная дифференциация между красными и зелёными цветовыми полутонами, за счёт чего изображение через такое стекло имеет более контрастный вид[5].
  • Александритовый эффект или двухцветность — способность стекла с содержанием оксида неодима не менее 4,3 % изменять цвет в зависимости от типа освещения[6] из-за вышеуказанного поглощения жёлтого цвета и разделения спектра на две части: сине-зелёную и красную. Если освещающий стекло источник отдаёт энергию больше в синей части спектра, то и стекло, поглотив почти все жёлтые лучи, окрашивается в синие тона. Если же источник светит больше в красной части, тогда видимый свет сдвигается от равновесия в другую спектральную сторону и стекло отдаёт красный свет[7]. Аметистовое неодимовое стекло именно так изменяет цвет от пурпурного при свете ламп накаливания и фиолетового при солнечном свете до голубого при освещении люминесцентными лампами, неодимово-празеодимовое серое стекло — соответственно от серого до зелёного, а коричневое — от чайного красновато-коричневого до зеленовато-жёлтого. При чистом натриевом свечении неодимовое стекло становится тёмным, почти чёрным. С этим свойством напрямую связано резкое различие свечения разных типов ламп при взгляде через стекло (см. фотографии ниже в разделе визуальных эффектов).
  • Способность к лазерной накачке.
  • Хорошее поглощение ультрафиолетового излучения: длины волн до 335 нм стекло без дополнительных добавок поглощает полностью[8].

Стёкла других цветов имеют свои особенности светопропускания. Коричневое стекло кроме жёлтого почти совершенно поглощает синий цвет[9] и тем самым ещё более обостряет контрастность и видимость красных оттенков, причём делает красными, ярко-бордовыми и алыми оранжевые, коричневые и фиолетовые цвета. Серое стекло делает акцент на зелёном цвете, несколько в ущерб синему, делая его больше сине-зелёным.

Ширина поглощаемого участка в жёлтой части спектра в районе 580 нм зависит от содержания неодима и толщины стекла. Например обычное дидимовое стекло толщиной 1,5 мм срезает участок средней шириной 15 нм, стекло толщиной 4 мм устранит уже 35 нм, а 6 мм соответственно 55 нм[10].

Надо сказать, что почти все редкоземельные элементы в стёклах и жидких растворах обнаруживают избирательное поглощение света, а дихроизм проявляют также чисто празеодимовые стёкла (меняют цвет от бесцветного до зелёного из-за существенного поглощения синих лучей)[11][12][13][14], но только у неодима полосы поглощения расположены таким образом, что способствуют усилению контрастности, а самое глубокое поглощение идеально совпадает с эмиссионным спектром возбужденных атомов натрия[15], что обеспечивает стеклу с неодимом несколько специфических применений.

Применение

править
 
Стержни из неодимового стекла — активные элементы инфракрасных лазеров.
 
Немецкие аксессуарные солнцезащитные очки с тёмно-серыми неодимовыми стёклами
 
Реклама спортивных очков, 1930-е годы
 
Реклама неофановых очков времён Второй Мировой войны
 
Рубиновое стекло с высоким содержанием неодима в очках подводников для быстрого привыкания к темноте
 
Дидимовые очки для стеклодувов и лампворкеров, оформленные в спортивном стиле

Благодаря оптическим свойствам неодимовое стекло находит различное применение.

Способность к генерации лазерного излучения:

Цвет стекла и его двухцветность:

  • добавка чистого оксида неодима в стекловаренную шихту является одним из немногих способов получения ярко-пурпурного цвета минерального стекла;
  • добавление оксидов лантаноидов («черновой» неодим, около 65 % неодима в смеси) устраняет зеленоватый оттенок стёкол, вызываемый присутствием в них примесей соединений железа[17];
  • фиолетовое и пурпурное стекло используется для изготовления столовой декоративной посуды, люстр и художественных изделий, изменяющих цвет под действием разного освещения;
  • используется в ювелирных изделиях в качестве имитации султанита — ювелирной разновидности диаспора.

Усиление контрастности и кажущееся увеличение яркости и отчётливости красного, зелёного и синего цветов:

  • прозрачное фиолетовое, серо-зелёное и коричневое стекло со светопропусканием от 65 до 20 %, а также дополнительно затемнённое, поляризованное, зеркальное и укреплённое изнутри поликарбонатным слоем[18][19][20][21] стекло применяется для изготовления аксессуарных солнцезащитных очков, так как обеспечивает красочную и контрастную видимость, необычные световые эффекты и меняет цвет в зависимости от условий освещения;
  • очки с неодимовыми стёклами полезны для людей с пониженным восприятием красного и зелёного цвета (дейтероаномалия, протаномалия)[22];
  • фиолетовое, серое и коричневое неодимовое стекло с 1930-х по 1990-е годы применялось в линзах спортивных и водительских солнцезащитных очков, так как улучшает цветовую контрастность, понижает яркость бликов и позволяет лучше видеть окрашенные спортивные одежды и снаряды, сигнальные огни, цветные дорожные знаки и разметки. Сегодня для этих целей не применяется, поскольку по действующим нормам безопасности такие очки должны выпускаться только с ударопрочными пластиковыми линзами. Кроме того, сегодня сигнальные и светофорные лампы более яркие, чем применявшиеся в 20-м веке;
  • светло-фиолетовое стекло толщиной 2 мм и светопропусканием 52,3 %[22] применялось в защитных очках Auer Neophan для немецких лётчиков и штурманов Люфтваффе во время Второй мировой войны: они позволяли лучше видеть самолёты и облака на фоне неба, увеличивали контрастность поверхности земли и вообще улучшали видимость за счёт уменьшения яркости жёлтого цвета в фоновой засветке от пыли и дымки в приземном воздухе;
  • очки с неофановыми стёклами также рекомендовались для навигации с целью улучшения видимости в плохую погоду, в туман и во время заката и восхода Солнца[23];
  • насыщенно красное (рубиновое) неодимовое стекло применялось в защитных очках подводников для быстрой адаптации от яркого дневного света снаружи к неяркому освещению внутри подводной лодки или, наоборот, для быстрого привыкания к ночной темноте. Хотя для этого достаточно и обычного стекла или пластмассы красного цвета;
  • из аметистового и зелёного неодимового стекла изготовляются фотографические светофильтры, предназначенные соответственно аметистовый для усиления передачи красного, оранжевого и коричневого цветов, а зелёный — для увеличения зелёного цвета (например для фотосъёмки зелени);
  • ярко-красное неодимовое стекло используется в индикаторах навигационных приборов.

Поглощение жёлтого излучения:

История исследований и производства

править

Свойство избирательно поглощать свет водных растворов солей неодима было замечено ещё в XIX веке во время открытия элемента неодима Карлом Ауэром фон Вельсбахом[34]. В 1922 году опубликованы исследования оптических свойств чистого неодимового стекла, свободного от празеодима[35][36].

В 1927 году чешский фабрикант Лео Мозер на своей фирме Moser первым начал коммерческий выпуск декоративных изделий и столовой посуды из необычного стекла. В 1930-е годы его примеру последовали американские производители[2].

В начале 1930-х годов немецкая фирма Auer первой использовала оптические свойства стекла для своих очков гражданской, а затем и военной направленности[22]. В последующие годы неодимовые солнцезащитные очки производили многие известные бренды (Cazal, Persol, Ray-Ban, Revo), линзы защитных очков для стеклодувов выпускают Phillips и Schott AG. Светофильтры для кино- и фотосъёмки производят Marumi, Hoya, Kenko, Schneider, Phillips, Tiffen, для астрономических наблюдений — Baader.

В 1960-е годы обнаружившуюся способность неодимовых стёкол и искусственных гранатов к генерации лазерного излучения начали использовать для создания лазерных установок. Пионерами здесь были Лаборатории Белла[37], затем в связи с возможностью использования лазера в военном деле, термоядерной энергетике и многом другом к лазерным экспериментам присоединились другие научные организации и предприятия, в том числе в Советском Союзе (ГОИ, ЛИТМО и другие).

Получение

править

Состав добавок к стекловаренной шихте для получения неодимового стекла различен в зависимости от его назначения. Например, для производства дидимового стекла используется так называемый «дидим» (didymium) — смесь редкоземельных элементов, состоящая приблизительно на 50 % из лантана, 33,5 % неодима, 9,5 % празеодима, 7,0 % самария и других элементов[14].

Стекло серого цвета выплавляется с добавкой оксидов неодима и празеодима[27].

Пурпурное и аметистовое стекло получается путём добавки к шихте чистого оксида неодима в разных пропорциях.

Визуальные эффекты

править

Александритовый эффект

править
  •  
    Два лазерных стержня одинакового цвета
  •  
    Разноцветные неодимовые очки под лампой накаливания
  •  
    Те же очки под люминесцентной лампой
  •  
    Колба лампы накаливания из неодимового стекла

Особенности светопропускания

править

Источники света без неодимовых стёкол

Источники света через неодимовые стёкла

  •  
    В люстре одна лампа накаливания, остальные — люминесцентные (серое стекло)
  •  
    Освещение в метрополитене: от света натриевых ламп осталась в основном красная составляющая, а ртутные лампы под арками поголубели и кажутся более яркими (фиолетовое стекло)
  •  
    Значительное падение яркости жёлтых ламп натриевого спектра в сравнении с лампами остальных цветов (серое стекло)

Вид на объекты без неодимовых стёкол

Те же объекты через неодимовые стёкла

  •  
    Зелень выглядит ядовито зелёной (серое стекло)
  •  
    Красные, оранжевые и розовые предметы кажутся более яркими на фоне затемнённых остальных цветов, синий цвет более насыщен (фиолетовое стекло)
  •  
    Розовые, бледно-фиолетовые, бордовые и жёлто-оранжевые цвета из-за поглощения жёлтых и синих тонов выглядят ярко-красными (коричневое стекло)

Рекламные проспекты неофановых изделий 1930-х годов

Литература

править
  1. ↑ Charles Bray. Dictionary of glass: materials and techniques (англ.). — University of Pennsylvania Press, 2001. — P. 102. — ISBN 0-8122-3619-X.
  2. ↑ 1 2 Chameleon Glass Changes Color. Дата обращения: 6 июня 2009. Архивировано 3 апреля 2008 года.
  3. ↑ Günther Georgens Rätsel-Ergänzungs-Lexikon. Дата обращения: 30 января 2015. Архивировано 5 марта 2016 года.
  4. ↑ 1 2 Motor vehicle rearview mirror. Patent US 5844721 A. Дата обращения: 23 октября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  5. ↑ Gouras, P. and E. Zrenner; «Color Vision: A Review from a Neurophysiological Perspective»; in Progress in Sensory Physiology 1; Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1981
  6. ↑ Популярная библиотека химических элементов. Неодим. Дата обращения: 18 июня 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  7. ↑ Weyl, W.A., p. Coloured Glasses. — М.—Л.: Society of Glass tech., 1999. — С. 221—222. — 541 с. — ISBN 0-900682-06-X.
  8. ↑ Шуберт Г. Физиология человека в полёте = Schubert G. Physiologie des menscheen im flugzeug / М. И. Цидикс. — М.—Л.: Биомедгиз, 1937. — С. 182. — 204 с.
  9. ↑ Поглощение света коричневыми неодимовыми линзами. Дата обращения: 27 сентября 2015. Архивировано 28 января 2016 года.
  10. ↑ Optical filter combination for improving color discrimination. US3877797 A. Дата обращения: 16 декабря 2016. Архивировано 23 октября 2016 года.
  11. ↑ Спеддинг Ф., Даан А. Редкоземельные металлы. — М.: Металлургия, 1965. — С. 476. — 612 с.
  12. ↑ Редкоземельные металлы. Сб. статей. — М.: Изд-во Иностранной литературы, 1957. — С. 397.
  13. ↑ Савицкий Ε. М., Терехова В. Ф., Буров И. В., Маркова И. А., Наумкин О. П. Сплавы редкоземельных металлов / Под ред. проф. доктора хим. наук Е. М. Савицкого. — М.: Изд-во АН СССР, 1962. — С. 214, 215. — 269 с. Архивировано 14 декабря 2013 года.
  14. ↑ 1 2 Лукашев К. И. Редкие металлы и их использование в промышленности. — Минск: Изд-во Акад. наук БССР, 1956. — С. 143. — 180 с.
  15. ↑ Спектр свечения натриевой лампы низкого давления
  16. ↑ Карлов Н. В. Неодимовый лазер // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 320—321. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
  17. ↑ Спеддинг Ф., Даан А. Редкоземельные металлы. — М.: Металлургия, 1965. — С. 550. — 612 с.
  18. ↑ Multiband contrast-enhancing light filter and polarized sunglass lens comprising same US 8210678 B1. Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 29 января 2016 года.
  19. ↑ Polarized contrast enhancing sunglass lens. Patent US 7597441 B1. Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 30 января 2016 года.
  20. ↑ Enhanced color contrast lens US 7372640 B2. Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 31 января 2016 года.
  21. ↑ Color-enhancing polarized lens US 6145984 A. Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 29 января 2016 года.
  22. ↑ 1 2 3 Шуберт Г. Физиология человека в полёте = Schubert G. Physiologie des menscheen im flugzeug / М. И. Цидикс. — М.—Л.: Биомедгиз, 1937. — С. 112, 113. — 204 с.
  23. ↑ Dannmeyer, F.; «Das Neophanglas als nautisches Hilfsmittel bei unklarer Sicht»; Die Glashutte; 1934; Number 4; pp. 49-50
  24. ↑ Степанов И. С. «Редкие металлы» — материалы новейшей техники. — М.: ЦИИН, 1956. — С. 31. — 60 с.
  25. ↑ Didymium glasses for glass working. Дата обращения: 30 сентября 2017. Архивировано 12 декабря 2017 года.
  26. ↑ Andrea Sella — Glassblowing and Didymium Glasses. Дата обращения: 30 сентября 2017. Архивировано 11 августа 2017 года.
  27. ↑ 1 2 Савицкий Ε. М., Терехова В. Ф., Буров И. В., Маркова И. А., Наумкин О. П. Сплавы редкоземельных металлов / Под ред. проф. доктора хим. наук Е. М. Савицкого. — М.: Изд-во АН СССР, 1962. — С. 214. — 269 с. Архивировано 14 декабря 2013 года.
  28. ↑ Motor vehicle rearview mirror. United States Patent 5844721. Дата обращения: 23 октября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  29. ↑ Thin sheet mirror and Nd2O3 doped glass. US 6881489 B2. Дата обращения: 23 октября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  30. ↑ Reduced glare neodymium oxide containing window glass. US 6416867 B1
  31. ↑ Neodymium oxide doped motor vehicle windshield and safety glazing material. US 6450652 B1. Дата обращения: 23 октября 2015. Архивировано 30 января 2016 года.
  32. ↑ Faye, Eleanor; «A New Light Source»; The New York Association for the Blind; New York, N.Y.; undated; one page
  33. ↑ Cohen, Jay M. and Bruce P. Rosenthal; «An Evaluation of an Incandescent Neodymium Light Source on Near Point Performance of a Low Light Vision Population»; Journal of Visual Rehabilitation; Vol. 2, No. 4; 1988; pp. 15-21
  34. ↑ Курилов В. В., Менделеев Д. И. Дидимий, химический элемент // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  35. ↑ Weyl, Woldemar A.; Coloured Glasses; Dawson’s of Pall Mall; London; 1959; С. 219
  36. ↑ Weidert, F.; «Das Absorptionsspektrum von Didymglasern bei verschiendenartiger Zusammensetzung des Grundglases»; Zeithschrift f. wiss. Photog.; 1921-22; Vol. 21; С. 254—264
  37. ↑ Geusic, J. E.; Marcos, H. M.; Van Uitert, L. G. Laser oscillations in nd-doped yttrium aluminum, yttrium gallium and gadolinium garnets (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 1964. — Vol. 4, no. 10. — P. 182. — doi:10.1063/1.1753928. — Bibcode: 1964ApPhL...4..182G.

Ссылки

править
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Неодимовое_стекло&oldid=141052326