Николай Юшкин - Оптический флюорит

Искусственные кристаллы флюорита идут на изготовление оптических деталей для приборов и технических устройств. Детали эти самые разнообразные: диски, пластины, линзы, призмы различной конфигурации и размеров. Номенклатура современного оптического предприятия составляет более 250 наименований флюоритовых деталей.

Изготовление деталей из кристаллов флюорита — сложный и трудоемкий процесс, включающий их резку, шлифовку и полировку. В целом эти операции разработаны довольно хорошо [Бонд, 1980], однако не все разработки, которые высокоэффективны для стекол и прочных кристаллов, можно перенести на флюорит. Флюорит характеризуется невысокой твердостью, резкой механической анизотропией, низкой термостойкостью, склонен растрескиваться и раскалываться по плоскостям совершенной спайности. Для его обработки нужны специальные приемы.

На различных предприятиях в зависимости от их технической оснащенности, от типов обрабатываемых кристаллов и номенклатуры изготовляемых деталей, а также от объема производства приняты различные технологические схемы изготовления деталей — от полностью ручной обработки кристаллов до полуавтоматической и автоматической [Научно-технический..., 1974].

Если кристаллы выращиваются в виде крупных кристаллических блоков-буль, то процесс обработки начинается о их распиловки на плоскопараллельные пластины, стержни, бруски, из которых изготовляются заготовки деталей. При этом приходится прибегать к склеиванию, круглению, нанесению сферы. Такая обработка сопровождается большими отходами, достигающими даже при самых «мягких» режимах 70%. Если кристаллы выращиваются в виде заготовок заданной формы и размеров, близких к форме и размерам изготовляемых деталей, то многие предварительные операции, в частности распиловка и кругление, исключаются, отходы сводятся к минимуму.

При ручной технологии наклеечные операции производятся в термостатах при очень медленном подъеме и снижении температуры. Обработка деталей производится поштучно. Вначале они обрабатываются по диаметру на металлической фольге свободным абразивом. Затем на станках осуществляется шлифовка плоскостей также свободным абразивом (карборунд и окись хрома) при малой скорости вращения шпинделя и низком удельном давлении. После этого склеенные детали разблокировываются в автоклавах и чистятся органическими растворителями.

Полуавтоматическая обработка заготовок проводится на станках, снабженных специальными фрезами из алюминиевого сплава, торцы которого соединены абразивными брусками из природного алмаза на металлической связке. Применение такого инструмента позволяет производить кругление флюоритовых заготовок по диаметру и плоскостям, не меняя установки в полуавтоматическом режиме. Подбирается оптимальный для обработки кристаллов температурный режим и состав охлаждающей смеси. В этих режимах удается обрабатывать даже кристаллы с внутренними напряжениями, характеризующимися двойным лучепреломлением до 120 нм/см, без нарушения их целостности. Дальнейшая обработка (тонкая шлифовка и полировка) кристаллов флюорита производится на полировально-доводочных станках. Обработка плоских поверхностей также проводится автоматически.

Для ускорения процессов сошлифовывания применяется поверхностный активатор на основе слабых растворов соляной и азотной кислот. Обработка производится алмазными пастами и порошками. Точность обработки с применением активатора значительно выше, чем без него. Удается довести местные ошибки до 1/2 интерференционной полосы.

Выращивание монокристаллов флюорита в виде заготовок заданной формы и размеров позволяет осуществить полную автоматизацию процесса обработки и создать автоматические линии для изготовления различных типов деталей. При этом открываются широкие возможности для использования наиболее эффективных наклеечных и полировочных смол, производительных абразивных порошков и алмазного инструмента. Многие операции удается вести на высоких скоростях. Резко повышается качество изготавливаемых деталей, в том числе и крупногабаритных.

Различные фирмы предлагают потребителям как необработанные кристаллы оптического флюорита, так и изделия из них.

Народное предприятие «Карл Цейс Йена» в ГДР продает флюоритовые були, прозрачные в диапазоне 125—900 нм, диаметром до 110 мм и высотой до 100 мм, а также различные линзы, призмы, окна [Künstlische...].

В продукции института для исследования, производства и использования монокристаллов («Монокристаллы», Турнов) в ЧССР также значительное место занимают монокристаллы оптического флюорита. Максимальный диаметр их 65 мм, высота 60 мм. По пропусканию они делятся на два сорта: 1) прозрачный в интервале 0,155—9,5 мкм и 2) прозрачный в интервале 0,2—9,5 мкм. Этот институт производит также призмы, линзы, окна, кюветы для УФ- и ИК-спектрометров, анализаторов, объективов, активированные редкими землями кристаллы для лазеров, фотохромные кристаллы для голографии [Monokristaly...].

Проспекты компании «Харшау», США, рекламируют оптические кристаллы достаточно высокого качества (пропускание 0,123—12 мкм), но с небольшой полосой поглощения 0,3 мкм. Выпускаются три типа цилиндрических кристаллов с максимальным диаметром 173 мм и высотой 120 мм. Фирма предлагает также оптические окна диаметром до 300 мм, призмы до 70 мм и другие детали [Smakula et al., 1967].

Примерно аналогичную продукцию реализуют и другие фирмы.

Оптические показатели качества искусственных кристаллов, судя по проспектам и каталогам, достаточно высокие и в большинстве случаев не хуже природных. Кристаллы совершенно бесцветны, хотя могут быть получены и окрашенные в любой цвет, если это необходимо. Светопропускание наиболее подвержено колебаниям и по этому показателю обычно устанавливается несколько марок кристаллов. В Советском Союзе приняты три марки:

ФК-У — кристаллы, прозрачные в УФ-области спектра, не исключая и другие области;

ФК-В — кристаллы, прозрачные в видимой области спектра; пропускание в других областях не гарантируется;

ФК-И — кристаллы, прозрачные в ИК-области спектра; могут быть непрозрачными в других областях.

Кристаллы наиболее высокой марки ФК-У должны иметь показатель поглощения (α λ, см -1) для λ = 0,140 мкм не более 1,0; для λ = 0,155 мкм — 0,60; λ = 0,205 мкм — 0,10; λ = 0,306 мкм — 0,10.

Кристаллы высокого качества характеризуются примерно следующими коэффициентами пропускания (τ λ, %) для пластинки толщиной 10 мм:

Компания «Харшау» (США) наряду с кристаллами обычного качества, с полосой поглощения в области 0,3 мкм, поставляет и специальные для ультрафиолетовой оптики, прозрачные во всем спектральном диапазоне.