Оптический флюорит
Шрифт:
В настоящее время различные фирмы предлагают широкую номенклатуру оптической керамики. В ней есть и несколько типов флюоритовой керамики, среди них «Иртран-3» и КО-3 (США) и JRG-12 (ФРГ).
Различные исследователи изучали оптические и другие физические свойства оптической кристаллокерамики и проводили ее сравнительный анализ со свойствами монокристаллов [Волынец, 1973; Ressler, M"oller, 1966; Browder, Ballard, 1969]. Внешне оптические детали из кристаллокерамики совершенно однородны, прозрачны и не отличаются от монокристаллических (фото 18, см. вкл.). Показатель преломления n = 1,4289 ( = 1 мкм) имеет то же значение, что и показатель преломления кристаллического флюорита. Оптическая однородность керамики не уступает однородности монокристаллов, это подтверждает голографический контроль (фото 19, см. вкл.). Градиент показателя преломления n не превышает 1,0•10– 5 см– 1; относительный градиент n/(n—1)
Конечно, кристаллокерамика еще далека по своим показателям от того состояния, чтобы заменить оптический флюорит в тех устройствах, для которых главное значение имеет пропускание в УФ-области. Но она может и уже вытесняет флюорит в инфракрасной технике. Из флюоритовой керамики делают оптические кюветы для работы с агрессивными фторсодержащими средами. Она используется в качестве активной среды в оптических квантовых генераторах, излучающих в ИК-области спектра [Волынец, 1973], а также в ракетной технике [Swinehart, Shligoj, 1973].
Технологические исследования в области создания кристаллокерамики интенсивно ведутся сейчас во всех странах.
Композиционные материалы, в которых флюорит используется как один из компонентов двойной или тройной композиции, подобно кристаллокерамике находят в последнее время широкое применение, поскольку наряду с неплохими оптическими характеристиками отличаются высокой прочностью, износостойкостью.
Одна из технологий получения композиционных материалов [Swinehart, Shligoj, 19731 предлагает использовать в качестве исходных следующие смеси:
| Состав смеси, мол. % | Точка плавления смеси, °C |
|---|---|
| 14 CaF2 + 86 LiF | 765 |
| 32 CaF2 + 68 NaF | 810 |
| 63 CaF2 + 37 MgO | 1340 |
| 43 CaF2 + 57 MgF2 | 945 |
| 21 CaF2 + 79 BaCl2 | 791 |
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:
1
Длины волн (нм): C = 656,3; D = 589,3; F = 486,1.
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.