CN103278474B - 一种玻璃折射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃折射率的测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：①向玻璃组分内添加摩尔分数为0.01-0.1%的硝酸银,再经熔融退火制得玻璃样品a；②所述玻璃样品a经400-500℃退火0.5-1小时,得含银纳米粒子的玻璃样品b；③测试玻璃样品b的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r；④利用下式计算待测玻璃样品的折射率n，其中λ_p为银纳米粒子等离子体振荡波长，。本发明突破了现有技术中玻璃折射率测试方法中所要求的尺寸要至少大于2cm×2cm（长×宽）且表面平整才能进行测试的条件限制，可以测试任何形状和大小的玻璃样品，且测试误差小于1%。

Description

一种玻璃折射率的测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地说是一种玻璃折射率的测量方法。

背景技术

折射率是表征玻璃光学性质的一个重要参数，它的测量在生产生活及科学研究中具有重要的意义。目前，玻璃折射率的测量方法有很多，如插针法、最小偏向角法、阿贝折射仪法、V棱镜法和椭圆偏振法等，其中插针法和最小偏向角法测量的精确度较低；而阿贝折射仪法要求玻璃样品的折射率必须小于1.7；而V棱镜法和椭圆偏振法测量的精确度较高，但这两种方法分别对玻璃样品的尺寸、形状和光滑度等有要求，V棱镜法要求玻璃样品的尺寸至少大于2cm*2cm（长*宽），才能打磨成所需要的V型形状；椭圆偏振法则要求玻璃样品上下表面要平行光滑。但很多时候，我们获得的玻璃样品，特别是实验室里制备的特殊玻璃，体积一般较小，形状也不规则，无法制备成所需形状，这些玻璃样品的折射率测试起来比较困难。

发明内容

本发明的目的就是提供一种玻璃折射率的测量方法，使用该方法可以测试各种玻璃的折射率，尤其特别适用于测量实验室制备的体积较小、形状不规则的玻璃样品的折射率。

本发明的目的是这样实现的：

玻璃折射率的测量方法包括以下步骤：

①向玻璃组分内添加摩尔分数为0.01-0.1%的硝酸银,再经熔融退火制得玻璃样品a；

②所述玻璃样品a经400-500℃退火0.5-1小时,得含银纳米粒子的玻璃样品b；

③测试玻璃样品b的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r；

④利用下式计算待测玻璃样品的折射率n，其中λ_p为银纳米粒子等离子体振荡波长， ${\mathrm{\λ}}_r^2={\mathrm{\λ}}_p^2(1+2n^2)..$

所述第③步中测试玻璃样品b的吸收光谱，得到表面等离子体振荡波长λ_r的步骤是：

（Ⅰ）制备两个开有样品孔的金属片，并分别附着于双光束可见紫外分光光度计的样品测试架；

（Ⅱ）将待测玻璃样品附着于其中一金属片并使其完全遮盖样品孔；

（Ⅲ）测试玻璃样品的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r。

本发明使用双光束的可见紫外分光光度计，通过对两个光束强度比较来测样品吸收的。本发明所使用的开有样品孔的金属片，是专门针对玻璃样品较小的特殊情况而设计，孔的大小以能将玻璃样品贴在上面，并完全盖住小孔为准，而金属片则不透光。测试时，把两个带样品孔的金属片分别粘在两个样品测试架上面，然后做baseline，消除两个光束的差别，使两束光的强度一致。之后将待测玻璃样品贴在其中一束光通过的样品孔上面，开始测试，因为玻璃样品对波长有吸收，两束光的强度比发生了改变，通过两个光束强度比较可以得到玻璃样品的吸收光谱，从吸收光谱图中读出吸收峰位置的波长，即为表面等离子体振荡波长λ_r。

本发明利用银纳米粒子等离子体振荡波长λ_p不随玻璃基质改变而改变这一基本原理，通过对标准样品进行吸收光谱及折射率的测试，获得银纳米粒子等离子体振荡波长λ_p，进而通过测试待测玻璃样品的吸收光谱得到待测玻璃样品的表面等离子体振荡波长λ_r，再经计算获得待测玻璃样品的折射率n。

本发明突破了现有技术中玻璃折射率测试方法中所要求的尺寸要至少大于2cm*2cm（长*宽）且表面平整才能进行测试的条件限制，可以测试任何形状和大小的玻璃样品，因此，特别适用于实验室特殊玻璃的制备。因为实验室做的玻璃一般尺寸较小，玻璃折射率不容易通过其他途径如文献来得到。这种方法可以测试各种玻璃的折射率。测试精度主要取决于吸收峰的锐度。

本发明设计的400-500℃退火0.5-1小时的退火过程，其温度和时间的选择使银离子还原为尺寸均一（小于50nm）的银单质，即银纳米粒子，使得所获得吸收峰较尖锐，容易辨识，从而提高测试精度。超出此温度范围后，温度太高和太低都不能使银离子还原为银单质。这样吸收峰较尖锐，容易辨识，可以提高测试精度。而退火时间过短，不利于银单质的获得；退火时间太长则一方面会增加纳米粒子尺寸，另一方面会使颗粒度范围变大，导致测试精度降低。

本发明通过选择适宜的硝酸银加入量，不仅避免了硝酸银含量过低所可能导致的Ag振荡波长峰值过小，进而使测量精度过低，甚至无法测试的缺陷；也避免了银含量过高所可能导致的在制备银纳米粒子时银离子发生团聚而形成大颗粒，进而导致无法进行振荡波长测量的问题。

本发明的测试方法，对玻璃样品折射率的测试误差小于1%。

采用本发明的方法进行玻璃样品折射率测试时，如果是已经成型的玻璃样品，则需要将测试的玻璃样品捣碎，再用研磨机研磨成粉末即可按本方法测试。

附图说明

图1是水及三个玻璃样品的吸收光谱图。

图2是利用椭圆偏振法测得的锗铅玻璃1(70GeO₂-10Pb-10BaO-10K₂O)的折射率。

图3是利用椭圆偏振法测得的锗铅玻璃2(60GeO₂-20Pb-10BaO-10K²O)的折射率。

图4是利用椭圆偏振法测得的锗铅玻璃3(50GeO2-30Pb-10BaO-10K₂O)的折射率。

图5是实施例中组分为50GeO2-30Pb-10BaO-10K2O的玻璃掺杂不同量的硝酸银的吸收谱。

图1、图5中，横轴中的wavelength为波长，单位：nm），纵轴的intensity为强度。

图2-图4中，横轴的wavelength为波长，单位：nm），纵轴的therefractiveindexes是指折射率。

具体实施方式

实施例1

测试并计算银纳米粒子等离子体振荡波长λ_p

（1）原理：

单纯的银纳米粒子（没有嵌入其他基质中）对光也会产生吸收，它来自于光照射后产生的等离子体振荡吸收，吸收频率用ω_p表示，当银纳米粒子嵌入到其他基质（如玻璃、水）中，银纳米粒子表面与基质分子相互作用，等离子体振荡频率将发生改变，这里称为表面等离子体振荡，振荡频率用ω_r表示。这两者的关系可以用如下公式表示：

${\mathrm{\ω}}_r^2={\mathrm{\ω}}_p^2/(1+2n^2)---\left(1\right)$

换算成波长(1)式关系变为

${\mathrm{\λ}}_r^2={\mathrm{\λ}}_p^2(1+2n^2)---\left(2\right)$

λ_p是等离子体振荡波长，λ_r表面等离子体振荡波长，n是折射率。

（2）λ_p测试步骤：

银溶胶与水按摩尔比1:10制备银纳米粒子水溶液。利用仪器为日本岛津的UV3101可见紫外分光光度计测得其吸收光谱的吸收峰位置为385nm（图1所示），则λ_r=385nm，而水的折射率已知为1.33，则利用上述公式(2)可求得λ_p。

实施例2

按本发明的方法测试玻璃样品的折射率

①待测玻璃样品的准备：

按下述组分及硝酸银含量以常规制备工艺制取待测玻璃样品

锗铅玻璃1（玻璃组分以摩尔比计：GeO₂∶Pb∶BaO∶K₂O∶AgNO₃=70∶10∶10：10∶0.0002；简写为70GeO₂-10Pb-10BaO-10K₂O-0.0002AgNO₃；掺杂硝酸银的摩尔分数为0.02%，下同）；

锗铅玻璃2（玻璃组分以摩尔比计：60GeO₂-20Pb-10BaO-10K²O-0.0002AgNO₃）；

锗铅玻璃3（玻璃组分以摩尔比计：50GeO2-30Pb-10BaO-10K₂O-0.0002AgNO₃）；

②所述玻璃样品分别经400-500℃退火0.5-1小时至玻璃样品产生淡黄色为止,得含银纳米粒子的玻璃样品；

③利用日本岛津的UV3101双光束可见紫外分光光度计测试第②步所得玻璃样品的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r，具体步骤是：

（Ⅰ）制备两个开有通孔的金属片，并分别附着于双光束可见紫外分光光度计的样品测试架；

（Ⅱ）将待测玻璃样品附着于其中一金属片并使其遮盖通孔；

（Ⅲ）测试玻璃样品的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r。

如图1所示，测得三个玻璃样品的吸收波长即表面等离子体振荡波长λ_r分别为430nm、457nm、490nm，并按实施例1中测试所得λ_p值，据如下公式（2）计算得到各玻璃样品的折射率n分别为：1.563,1.699和1.86。

${\mathrm{\λ}}_r^2={\mathrm{\λ}}_p^2(1+{2n}^2)---\left(2\right)$

实施例3

验证本发明方法的准确率

按下与实施例2相同的组分及制备工艺制取待测玻璃样品

锗铅玻璃①（玻璃组分为：70GeO₂-10Pb-10BaO-10K₂O）

锗铅玻璃②（玻璃组分为：60GeO₂-20Pb-10BaO-10K₂O）

锗铅玻璃③（玻璃组分为：50GeO₂-30Pb-10BaO-10K₂O）

将所制玻璃样品用法国JobinYvon公司的UVISELSPME光谱型椭偏仪测量折射率，结果如图2、图3、图4所示，其折射率分别是锗铅玻璃①1.565(在430nm处)，锗铅玻璃②1.70(在457nm处)和锗铅玻璃③1.868（在490nm处）。

通过将实施例3和实施例2所得数据进行对比可以看出，用本发明的方法测试折射率比较准确，误差小于1%。

实施例4

所制备的玻璃样品及硝酸银的掺杂量如下：

玻璃组分：50GeO₂-30Pb-10BaO-10K₂O

硝酸银的掺杂量以摩尔分数计分别为：0.01%，0.05%，0.1%和0.5%

按与实施例2相同的制备方法和测试方法测试吸收光谱。

所测得的吸收光谱图如图5所示，从图中可以看出，硝酸银掺杂浓度过高，也会出现谱线展宽和信号减弱。因此，适宜的硝酸银掺杂量以摩尔分数计为0.01-0.1%。

Claims (2)

1.一种玻璃折射率的测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

①将需要测试的已经成型的玻璃样品捣碎，再用研磨机研磨成粉末；向玻璃组分内添加摩尔分数为0.01-0.1％的硝酸银,再经熔融退火制得玻璃样品a；

②所述玻璃样品a经400-500℃退火0.5-1小时,得含银纳米粒子的玻璃样品b；

③测试玻璃样品b的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r；

④利用下式计算待测玻璃样品的折射率n，其中λ_p为银纳米粒子等离子体振荡波长， ${\mathrm{\λ}}_r^2={\mathrm{\λ}}_p^2(1+2n^2)\mathrm{..}$

2.根据权利要求1所述的玻璃折射率的测量方法，其特征在于，所述第③步中测试玻璃样品b的吸收光谱，得到表面等离子体振荡波长λ_r的步骤是：

(Ⅰ)制备两个开有样品孔的金属片，并分别附着于双光束可见紫外分光光度计的样品测试架；

(Ⅱ)将待测玻璃样品附着于其中一金属片并使其完全遮盖样品孔；

(Ⅲ)测试玻璃样品的吸收光谱，即得到表面等离子体振荡波长λ_r。