Неодимовое стекло

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.

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.

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

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

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:

• стекло и искусственные гранаты, содержащие неодим, применяются в качестве активной среды в лазерах, генерирующих излучение в ближней инфракрасной области спектра с длиной волны около 1,06 мкм[16] (см. например, статью Nd:YAG-лазер).

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:

• пурпурное, фиолетовое и серо-зелёное стекло со смесью неодима и празеодима (ACE и Green ACE glass) применяется в линзах защитных дидимовых очков (didymium glasses) для стеклодувов, лампворкеров и сварщиков[24]: оно поглощает узкоспектральное эмиссионное излучение атомов натрия при работе со стеклодувными горелками. Яркое оранжевое пламя через такие очки почти невидимо, не раздражает глаза и не мешает видеть нагреваемое стекло[25][26]. Иногда эти линзы покрываются зеркальным слоем, отражающим вредные для глаз тепловые лучи;
• свинцовые стёкла с примесью неодима применяется в рентгеновских аппаратах для наблюдения за процессами при ярком свете натриевых ламп[27];
• светло-фиолетовое стекло применяется в светофильтрах к телескопам для снижения засветки ночного неба в районах, где в уличных фонарях преимущественно используются натриевые лампы, а также для изменения цвета астрономических объектов с целью улучшения видимости;
• иногда применяется для автомобильных зеркал заднего обзора, так как оно частично поглощает солнечные блики и отражённый ослепляющий свет фар, улучшает контрастность[4][28][29];
• может применяться для изготовления оконных и автомобильных стёкол с целью придания им светозащитных свойств и улучшения цветопередачи[30][31];
• из этого стекла изготовляются колбы некоторых видов ламп накаливания для отфильтровывания из спектра их свечения избытка жёлтых лучей с целью создания света, близкого к белому дневному свету со слегка розовым оттенком; ранее для этой цели из неофанового стекла изготовляли плафоны самих светильников. Такие лампы используются для более красивого и полезного для растений освещения аквариумов, террариумов и торговых помещений. Свет неодимовых ламп благоприятно сказывается на зрении людей с некоторыми глазными заболеваниями, такими как альбинизм, атрофия зрительного нерва, ахроматопсия, близорукость, глаукома, диабетическая ретинопатия, катаракта, корковая аноксия, первичный патологический нистагм, пигментная дегенерация сетчатки, пигментный ретинит[32][33].

История исследований и производства

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

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

Александритовый эффект

• 
  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

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

1. Charles Bray. Dictionary of glass: materials and techniques (англ.). — University of Pennsylvania Press, 2001. — P. 102. — ISBN 0-8122-3619-X.
2. Chameleon Glass Changes Color  (неопр.). Дата обращения: 6 июня 2009. Архивировано 3 апреля 2008 года.
3. Günther Georgens Rätsel-Ergänzungs-Lexikon  (неопр.). Дата обращения: 30 января 2015. Архивировано 5 марта 2016 года.
4. Motor vehicle rearview mirror. Patent US 5844721 A  (неопр.). 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  (неопр.). 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  (неопр.). Дата обращения: 27 сентября 2015. Архивировано 28 января 2016 года.
10. Optical filter combination for improving color discrimination. US3877797 A  (неопр.). 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. 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  (неопр.). Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 29 января 2016 года.
19. Polarized contrast enhancing sunglass lens. Patent US 7597441 B1  (неопр.). Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 30 января 2016 года.
20. Enhanced color contrast lens US 7372640 B2  (неопр.). Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 31 января 2016 года.
21. Color-enhancing polarized lens US 6145984 A  (неопр.). Дата обращения: 17 января 2016. Архивировано 29 января 2016 года.
22. 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  (неопр.). Дата обращения: 30 сентября 2017. Архивировано 12 декабря 2017 года.
26. Andrea Sella — Glassblowing and Didymium Glasses  (неопр.). Дата обращения: 30 сентября 2017. Архивировано 11 августа 2017 года.
27. 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  (неопр.). Дата обращения: 23 октября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
29. Thin sheet mirror and Nd2O3 doped glass. US 6881489 B2  (неопр.). 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  (неопр.). 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