Оптический флюорит

Тройная смесь должна иметь состав (мол. %): CaF₂ — 10; NaF — 35; LiF — 55.

Эти смеси используются как шихта в стокбаргеровском методе. Они закладываются в тигли, расплавляются в горячей зоне печи и опускаются в холодную. При определенных режимах кристаллизуется эвтектика, представляющая композиционный материал с закономерной ориентировкой субиндивидов трех фаз.

Полученные материалы прозрачны в области от 1,5 до 25 мкм, причем в интервале от 3 до 9 мкм пропускание выше 60%, а в остальной области спектра — выше 20% (для пластинок толщиной 5 мм). Полосы поглощения отсутствуют. Прочность и твердость выше, чем у кристаллических материалов, растворимость низкая. Образцы без видимых изменений претерпевают 10 циклов нагревания от 300 до 0°С.

Конечно, рассмотренными выше не ограничиваются направления поисков по созданию новых технологий и новых материалов на основе флюорита.

Флюорит в оптической технике

Область применения кристаллов флюорита охватывает практически всю оптическую технику. Спектральные приборы, микроскопы, телескопы, фото- и кинотехника, приборы для космических исследований, для люминесцентного и поляризационного анализа, голографические системы, лазерные установки обязательно содержат детали из оптического флюорита, особенно если они предназначены для работы в широком спектральном диапазоне или в одной из «труднодоступных» его областей — далекой ультрафиолетовой и инфракрасной [Воронкова, Гречушников, 1965; Новые..., 1975; Никогосян, 1977]. Номенклатура этих деталей очень разнообразна: линзы, объективы и окуляры, оптические окна, призмы, фильтры, кюветы и т. д.

Наиболее давним и наиболее крупным потребителем оптического флюорита является микроскопия.

Современные микроскопы — это несравнимо более сложные оптические системы, чем те, которые были на вооружении науки несколько десятков лет назад и с которыми мы хорошо знакомы по учебникам физики. Современный микроскоп не только обеспечивает многократное увеличение изображения объекта, но и дает возможность всестороннего его исследования, получения широкого набора точных характеристик, установления закономерностей изменения этих характеристик в процессе функционирования объекта. А если еще учесть исключительное разнообразие изучаемых объектов (жидкости и твердые тела, аморфные и кристаллические, прозрачные и непрозрачные вещества, микроорганизмы и органы макроорганизмов, живые клетки и т. д.), то можно представить те высокие требования, которые предъявляются к оптическим системам современных микроскопов [Скворцов и др., 1969; Суворов, 1981]. Важнейшие из этих требований: высокая разрешающая способность, обеспечение исправленного вторичного спектра, возможность работы в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, малая дисперсия, отсутствие люминесценции.

Особую ценность флюориту, как материалу для микроскопной оптики, придает специфический характер дисперсии, позволяющий создавать оптические системы с исправленным вторичным спектром, дающие совершенно неискаженные наложенными оптическими эффектами изображения объектов в их естественном цвете.

Вторичным спектром называется такое явление, когда изображения осевой точки, создаваемые лучами F и C, совпадают между собой, но не совпадают с изображением для желтых лучей (D) [1], которые приняты за основной цвет. Разность отрезков между параксиальными изображениями осевой точки составляет величину вторичного спектра. Для двухлинзовых систем она пропорциональна отношению разности частных относительных дисперсий к разности коэффициентов средней дисперсии, т. е. пропорциональна коэффициенту K:

где p₁ и p₂ — относительная частная дисперсия

Для большинства оптических стекол, используемых в микроскопии, существует линейная функциональная зависимость p = f(v), и величина вторичного спектра для них постоянна. Специальные сорта стекол отличаются по ходу дисперсии v от обычных стекол на несколько единиц при тех же значениях р, а флюорит — более чем на 30 единиц! Это значит, что на базе флюорита можно создавать оптические системы, вторичный спектр которых в десятки раз меньше вторичного спектра систем из обычных и даже специальных сортов стекол.

На рис. 26 показана зависимость коэффициента К от длины волны для оптической системы из пары обычных оптических стекол (кривая 1) и из пары флюорит—стекло (кривая 2). Сравнение кривых показывает, что вторичный спектр оптической системы, содержащей флюорит, в ультрафиолетовой области спектра примерно в 5 раз, а в ближней инфракрасной области примерно в 20 раз меньше вторичного спектра системы, составленной из обычных сортов оптических стекол. Большой интерес представляет пара флюорит—кварцевое стекло. Для нее зависимость коэффициента К от длины волны даже в ультрафиолетовой области значительно слабее, чем для пар обычных стекол в видимой области. Это позволяет разработать оптические системы с областью пропускания, простирающейся далеко в коротковолновую часть спектра, недоступную для наблюдения невооруженным глазом.

Рассмотрим эффективность использования флюорита в различных типах объективов.

Объективы-ахроматы, конструктивными особенностями которых исправлена сферическая аберрация, т. е. нарушение резкости по краям изображения при фокусировке на его центр, но остается неисправленным вторичный спектр и сохраняется сферохроматическая аберрация при больших увеличениях, не требуют обязательного использования флюоритовых линз. Специальные ахроматические кварц-флюоритовые объективы (ОК-5, ОК-50, ОК-58, ОК-120, ОК-10-3 и др.) применяются только в микроскопах, работающих в УФ-области спектра (рис. 27, a, б). Объектив ОК-58 с дополнительной коррекционной системой позволяет, например, работать в области 365—546 нм без перефокусировки.

Рис. 26. Кривые, характеризующие зависимость величины вторичного спектра (коэффициент К) от длины волны оптических систем стекло—стекло (1) и флюорит—стекло (2)

Рис. 27. Оптические объективы с флюоритовыми линзами (заштриховано), выпускаемые ЛОМО им. В. И. Ленина

Объяснение в тексте

Рис. 28. Кривые, характеризующие хроматизм положения, область резкого изображения в различных системах объективов микроскопов

1 — ахромат;

2 — флюоритовый объектив;

3 — апохромат из системы флюорит—стекло

Объективы-апохроматы не имеют хроматической аберрации и дают изображение объекта с неискаженной окраской. Это достигается исправлением вторичного спектра именно благодаря введению деталей из оптического флюорита в паре с кварцевым и другими стеклами. Оптические схемы обычного и масляного объективов апохроматов даны на рис. 27, в, г. Апохроматы дают резкое изображение в наибольшем по сравнению с другими системами диапазоне спектра (рис. 28), отличаются высоким уровнем коррекции аберраций и позволяют получать высококачественные контрастные изображения с неискаженной цветопередачей мельчайших (до 0,25 мкм) элементов биологических структур.

Объективы-планапохроматы были созданы в 50-х годах благодаря появлению особых сверхтяжелых стекол, близких по значению частных относительных дисперсий к флюориту. Они позволили повысить эффективное поле наблюдения по сравнению с апохроматами от 5—10 до 25—28 мм. В его пределах сохраняется неискаженное изображение объекта. Схемы и конструкции двух планапохроматов приведены на рис. 27, д, е. Один из них, ОПА-3, трехкомпонентный. Его первым компонентом служит менисковый компенсатор. Второй компонент состоит из двух двойных или тройных линз, положительные из них выполнены из оптического флюорита, отрицательные — из особых стекол. Третий компонент — отрицательный мениск относительно небольшой силы для исправления астигматизма. Применение планапохроматов исключает необходимость перефокусировки микроскопа для исследования периферийных участков. Оно резко улучшило качество микрофотографий и открыло возможности для внедрения машинных методов обработки изображений.