Optische Eigenschaften von Glas

Die wesentliche Eigenschaft von Glas ist seine Lichtdurchlässigkeit im für den Menschen optisch sichtbaren Spektralbereich von 380 nm bis 780 nm. Dringt Licht in ein Medium ein, so wird ein Teil des Lichts von dem Medium absorbiert. Dieser Anteil wird bei der Wechselwirkung des Lichts mit anregbaren Bestandteilen des Mediums in anderer Energieform (z.B. Wärme, elektrische oder chemische Energie) umgewandelt. Die größte Wechselwirkung zwischen Photon und Medium tritt auf, wenn in dem Medium freie Elektronen vorhanden sind. Daher sind Metalle für Licht undurchlässig. In Glas hingegen sind alle Elektronen fest gebunden und können somit in der Regel nicht mit dem eindringenden Photon wechselwirken. In Kalk-Natron-Silikatgläsern ist die Bindung der Sauerstoffatome mit dem Silizium so stabil, dass die Anregung der Elektronen nur durch Licht mit hoher Energie erfolgen kann. Das handelsübliche Flachglas ist daher im energiereichen ultravioletten (UV) undurchlässig.

Gallerie

Glas besitzt ein amorphes Molekulargefüge ohne Grenzschichten und verhält sich, solange keine Eigenspannungszustände oder äußere Belastungen vorliegen, optisch isotrop. Glas ist aber nur für einen Teil des gesamten Lichtspektrums durchlässig. Ein Teil des Lichtes wird durch Absorption im Glas zurückgehalten, ein weiterer durch Reflexion an der Grenzfläche zurückgeworfen. Für den Transmissionsgrad t, den Absorptionsgrad a und den Reflexionsgrad r gilt:

t + a + r = 1

Bei handelsüblichem Flachglas beträgt der Transmissionsgrad in Abhängigkeit von der Glasdicke 83% – 90%; bei senkrechtem Lichteinfall wird etwa 8% des Lichtes an den Grenzflächen reflektiert. Handelsübliche Gläser besitzen eine Brechzahl von ca. 1,5. Ursache für die Brechung ist die Geschwindigkeitsänderung des Lichtes in der Grenzfläche. Die Frequenz des Lichtes bleibt konstant, es ändert sich lediglich die Wellenlänge.

Das Reflexionsvermögen kann gezielt durch entspiegelnde Beschichtungen mit definierter Brechzahl oder durch eine Feinätzung der Oberfläche beeinflusst werden. Durch die Streuungen des Lichtes geht die spiegelnde Reflexion dann in eine diffuse über. Das Absorptionsvermögen des Glases ist stark abhängig von seiner Zusammensetzung. Normalerweise sind Gläser im sichtbaren Spektralbereich völlig farblos. Enthält das Glas geringe Mengen von Bestandteilen aus Nebengruppenelementen (Cu, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co oder Ni), so treten schon bei Licht mit einer relativ geringen Energie Elektronensprünge auf, bei denen Energie absorbiert wird. Das Glas zeigt damit im sichtbaren Bereich Verfärbungen, die von der Art des Elementes abhängen. Durch spezielle Beimengungen kann durch Ausnutzung dieses Effektes eine gezielte Einfärbung des Glases erreicht werden.

Das handelsübliche Flachglas ist daher im ultravioletten Bereich (UV) nahezu lichtundurchlässig. Es zeigt sich eine ausgeprägte Absorptionskante im Bereich von Wellenlängen λ =150-250 nm. Die Lage dieser Absorptionskante verschiebt sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Alkaligehalt in den langwelligeren Bereich. Im infraroten Bereich (IR) zeigen sich bei normalem Glas mehr oder minder ausgeprägte Absorptionsbanden, die durch eine Wechselwirkung des Lichtes und Bestandteilen des Glases hervorgerufen werden. Für Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge oberhalb von λ =5.000 nm sind alle Silikatgläser undurchlässig.

Durch spezielle Zusammensetzungen des Glases oder Beschichtungen kann das Absorptionsvermögen in bestimmten Spektralbereichen gezielt beeinflusst werden. Ein Beispiel hierfür sind Sonnenschutzgläser mit möglichst geringen Transmissionswerten im schädlichen infraroten und ultravioletten Spektralbereich.

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