Оптический флюорит

Трудно найти минерал более универсального применения, чем флюорит — природное соединение кальция и фтора, фтористый кальций. Он является главным источником фтора и фтористых соединений для химической промышленности, которые используются буквально везде: от фреона в холодильниках и высокооктанового топлива до производства алюминия и даже космической техники [Петров, 1976]. Без флюорита как лучшего флюса невозможен современный металлургический процесс. Он широко применяется в цементной промышленности, в стекольном и эмалевом производстве, используется в электродуговой сварке для электродных покрытий и приготовления флюсов. Кроме того, он является одним из важнейших оптических материалов, о чем будет идти речь ниже.

Флюорит (fluore, нем. — течь) получил свое наименование из-за своего важного свойства снижать температуру плавления металлов в смесях с ним и придавать текучесть шихте. Пожалуй, впервые под близким к современному названию «флюорес» флюорит описан в знаменитом «Диалоге о металлах» Г. Бауэра (Агриколы). У этого научного названия минерала много синонимов, по-разному звучащих на разных языках, но смысл их один и тот же, и лучше всего он выражен в русском бытовом названии «плавиковый шпат». Оно отражает сразу оба главных качества флюорита: и способность быть металлургическим флюсом-плавиком, и оптическое совершенство («шпат», а шпаты от немецкого «spalten» — раскалывать — неметаллические минералы с совершенной спайностью).

Исключительно важное значение флюорита в современной технике, особенно в оптическом приборостроении, определяется совокупностью его свойств, которые детально охарактеризованы в специальной литературе [Степанов, Феофилов, 1957; Воронкова и др., 1965; Справочник..., 1980]. Здесь мы остановимся лишь на оптических свойствах.

Рис. 1. Зависимость показателя преломления (n) от длины волны (λ) для флюорита и ряда других кристаллических материалов

Рис. 2. Спектральное пропускание (T) флюорита в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра

Флюорит оптически изотропен, т. е. все его оптические свойства не зависят от направления в кристалле. Он характеризуется относительно низким показателем преломления (n), который имеет (при 19° С) следующие значения для различных длин волн (λ):

n	λ, мкм	n	λ, мкм
1,6421	1,1311	1,47635	0,2288
1,5152	0,1819	1,30756	9,724

Показатель преломления мало зависит от длины волны (рис. 1), для него характерен типичный для щелочно-галоидных кристаллов ход частной дисперсии. Температурный коэффициент показателя преломления (dn/dt) варьирует от —6,2∙10^-6/°С для λ = 0,2288 мкм до —5,6∙10^-6/°С для λ = 9,724 мкм; минимальное значение установлено для λ = 0,852 мкм и равно —10,6∙10^-6/°С.

Рис. 3. Границы спектрального пропускания различных оптических материалов

Особенно важным свойством флюорита является его высокая прозрачность в широком спектральном диапазоне: от 0,125 мкм в вакуумной ультрафиолетовой (УФ) (шумановской) до 11 мкм в инфракрасной (ИК) областях спектра (рис. 2). На рис. 3 приведены сравнительные данные о диапазонах пропускания. Среди различных оптических материалов нет ни одного, для которого так удачно, как для флюорита, сочетались бы оптические характеристики. Только немногие искусственные кристаллы имеют более коротковолновую границу пропускания — это кристаллы фтористого лития LiF, фтористого магния MgF₂, дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄(ADP). Но они либо имеют двойное лучепреломление, либо характеризуются низкой твердостью, либо водо- и кислотонеустойчивы (табл. 1), что ограничивает их применение в оптическом приборостроении. Ряд материалов, имеющих в ИК-области более длинноволновую границу пропускания, чем у фтористого кальция, уступают ему по пропусканию в УФ-диапазоне и могут использоваться исключительно в спектральных приборах для ИК-области. Это бромистый калий KBr, бромистый цезий CsBr, йодистый калий KI, KRS-5 (состава TlBr — TlI).

Таблица 1. Оптические характеристики некоторых кристаллов

Кристалл	Показатель преломления nD	Твердость, кг/мм2	Растворимость в воде, г/100 г	Коэффициент линейного расширения α∙106
CaF2	1,4338	120	1,31∙10-3	19,5
NaF	1,336	60	4,2	—
NaCl	1,54432	18	26,0	42
LiF	1,3915	99	0,27	41
MgF2	n0 = 1,3777	415	7,6∙10-3	11
	ne = 1,3895

Все оптические характеристики флюорита высокостабильны. Эти особые свойства определяют незаменимость оптического флюорита при создании высококорректированных оптических систем (апохроматов, планапохроматов), обеспечивающих высокое качество изображения и ограничение хроматических аберраций. Вместе с тем прозрачность и достаточно большая дисперсия флюорита в УФ-области спектра обусловливают его использование в объективах современных ультрафиолетовых микроскопов и при изготовлении призменной оптики в вакуумных приборах (спектрографах, монохроматорах и др.).