Оптический флюорит - [2]
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 MgF>2, дигидрофосфата аммония NH>4H>2PO>4(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 n>D | Твердость, кг/мм>2 | Растворимость в воде, г/100 г | Коэффициент линейного расширения α∙10>6 |
|---|---|---|---|---|
| CaF>2 | 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 |
| MgF>2 | n>0 = 1,3777 | 415 | 7,6∙10>-3 | 11 |
| n>e = 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.).
Благоприятные механические, технические и эксплуатационные характеристики кристаллов флюорита в сочетании с прозрачностью в широком спектральном диапазоне, высокой оптической однородностью, отсутствием двойного лучепреломления, люминесценции, высокой радиационной устойчивостью и лучевой прочностью определяют и ряд новых его практических применений в тепловидении и фурье-спектроскопии, астрономии, космической технике, в квантовой и силовой оптике и т. д.
Области практического применения оптического флюорита непрерывно расширяются, в связи с чем энергично возрастают и потребности в этом уникальном оптическом материале.
Свойства флюорита, в том числе и оптические, определяются его конституцией, т. е. химическим составом и кристаллической структурой.
Рис. 4. Различные модели кристаллической структуры флюорита
Объяснение в тексте
Флюорит (по химической номенклатуре — фтористый кальций CaF>2) состоит из атомов кальция (51,33%) и фтора (48,67%), закономерно упакованных по принципу гранецентрированной кубической кристаллической решетки. Это значит, что если мы соединим мысленно все взаимодействующие друг с другом атомы по кратчайшим расстояниям между ними прямыми линиями, то получим регулярную пространственную решетку, которая состоит из бесконечного множества совершенно одинаковых элементарных ячеек, как бы размножающихся в пространстве. Кристаллохимики называют такие ячейки параллелепипедами повторяемости.
Элементарная ячейка флюорита представляет собой куб, разделенный на восемь маленьких кубиков — октантов. Ионы кальция (Ca>2+) располагаются по вершинам большого куба и по центрам каждой из его граней, а ионы фтора (F>-) — в центрах каждого октанта. Каждый ион фтора оказывается, таким образом, окруженным четырьмя ионами кальция (FCa>4), располагающимися по вершинам тетраэдра, который называется координационным, а каждый ион кальция находится внутри координационности куба, образованного восемью ионами фтора (CaF
