Оптический флюорит

Волкова Наталия

Третий тип — включения пластинчатых кристалликов графита размером 0,1—10 мкм, определяющие светорассеяние и зеленую или зеленовато-серую вплоть до серой окраску кристаллов флюорита [Кузьмин, 1975]. Они появляются в кристаллах при нарушении режима кристаллизации, например при резком увеличении скорости роста.

Пузырность. Пузырями в кристаллотехнологии называют полости любой формы, размеров и природы, образующиеся в теле кристалла в процессе его роста. Пузырность является одним из показателей качества кристаллов [Юшкин и др., 1977]. Пузыри в искусственных кристаллах флюорита в 50—60-е годы представляли один из наиболее распространенных дефектов, определяющих пригодность кристаллов в качестве оптического материала. Различаются следующие типы пузырей: усадочные

раковины, «заморозочные» пузыри, пузыри вязкостного характера, структурные пузыри.

Усадочные раковины и «заморозочные» пузыри представляют собой скопление крупных и мелких полостей, расположенных вблизи верхней поверхности кристалла (фото 10, см. вкл.). Появление этого типа пузырей характерно для случаев быстрой кристаллизации расплава.

Пузыри вязкостного характера обычно наблюдаются в нижней части тигля; их образование объясняется заниженной температурой расплава. Эти пузыри рассматриваются как следствие пор и пустот, которые были в материале и не могли удалиться из расплава из-за повышенной его вязкости вблизи точки плавления. Нередко зона вязкостных пузырей в кристаллах переходит в явные «непроплавы» исходного материала в виде мутных зон на донной стороне кристаллов.

Структурные пузыри обычно образуют закономерно пространственную, определенным образом ориентированную решетку. Пузыри этого типа могут занимать весь объем кристалла или какую-нибудь зону внутри него. Поверхность пузырей образована гранями октаэдра. В пределах различных блоков ориентировка граней неодинакова. О природе этих пузырей высказываются разные мнения. Э. Г. Черневская считает, что они связаны с дендритным ростом кристаллов. По мнению В. М. Рейтерова и З. Н. Корневой [1966], эти пузыри имеют сложную физико-химическую природу и образованы при коагуляции точечных микродефектов, возникающих при кристаллизации в случае нарушения стехиометрии состава или при насыщении расплава кислородсодержащими примесями.

Избавиться от пузырности можно, если строго выдерживать режим кристаллизации и применять чистый исходный материал.

Поликристалличность. Блочность. Кристаллы фтористого кальция оптически изотропны, поэтому блочность даже с большими углами разориентировки блоков сама по себе не является препятствием для их использования в качестве оптических сред.

Исследование влияния блочности на оптические свойства флюорита проведено В. С. Доладугиной [1969]. Она показала, что вредное влияние блочной структуры в кристаллах флюорита сказывается в анизотропии механических свойств и проявляется при изготовлении точных оптических поверхностей. На поверхности оптических деталей в местах границ блоков происходит излом световой волны («срыв» интерференционных полос). Величина «срыва» зависит от угловой разориентировки блоков.

Границы блоков во флюорите хорошо просматриваются визуально в отраженном или поляризованном свете. В некоторых случаях они проявляются как свилеподобные дефекты при просмотре полированных образцов на теневой установке. Скачок показателя преломления на границах блоков может достигать значений (1—5)•10^{– 4}, что приводит к дефектности самого оптического материала.

Проблема получения монокристаллов флюорита с малой разориентировкой блоков мозаики не была решена и в 60-е годы. Исследователи встретились с целым рядом технологических трудностей, связанных с несовершенством ростовых установок. На блочность кристаллов влияют асимметрия теплового поля, особенности конструкции тигля, чистота ростовой оснастки, материал тигля и т. д. В целом выход моноблочных кристаллов в производственных условиях составлял 30%, и только в последние годы он заметно снизился.

Остаточные напряжения. Важной характеристикой оптической однородности кристаллов флюорита являются также остаточные напряжения, которые проявляются в виде участков с аномальным двойным лучепреломлением при просмотре в поляризованном свете.

В поисках путей снижения остаточных напряжений рядом исследователей были опробованы различные температурно-временные режимы выращивания кристаллов. Особое внимание уделялось температурно-временным параметрам отжига.

В первые годы кристаллотехнологи при получении кристаллов флюорита оптического качества для снижения величины остаточных напряжений стремились приблизить температуру отжига к температуре плавления. В соответствии с этим температура отжига была принята равной 1200° С. Охлаждение кристаллов также старались вести как можно медленнее. Обычно скорость охлаждения определялась предельно допустимыми возможностями терморегулирующей системы ростового оборудования и составляла 2—4 град/ч. Отожженные кристаллы имели величину двулучепреломления 60—80 нм/см при размерах кристаллов 160—180 мм.

Как показали последующие исследования Э. Г. Черневской с сотрудниками [Черневская и др., 1971], такой затяжной отжиг приводит к ухудшению других оптических характеристик кристаллов. В них увеличивалось светорассеяние, снижалась прозрачность, наводилось дополнительное поглощение. Это объясняется интенсивным испарением фтора из решетки CaF₂ в вакууме при высоких температурах. В результате анализа упругих и термомеханических характеристик флюорита был сделан вывод о том, что остаточные напряжения должны снижаться в области более низких температур отжига (до 1000°С). На основании данных по коэффициентам упругости, удельной теплоемкости, теплопроводности, пределу текучести флюорита был произведен расчет оптимальных температур и скоростей их снижения на стадии отжига кристаллов. Э. Г. Черневской с сотрудниками были предложены в качестве оптимальных следующие параметры отжига: температура 800—900° С, выдержка 10 ч, скорость охлаждения в зависимости от размера кристалла от 3 до 30 град/ч. Все эти параметры были выведены для кристаллов с максимальным размером 270x60 мм; для более крупных кристаллов они, очевидно, будут несколько иными.

Таким образом, задача получения искусственных кристаллов оптического флюорита благодаря усилиям многих исследователей была в конце концов успешно решена. Были найдены пути получения кристаллов, по размерам и свойствам не уступающих природным и даже их превосходящих. Искусственные кристаллы прочнее, чище, однороднее и прозрачнее природных, у них ниже степень макро- и микродефектности (например, плотность дислокаций может быть на три порядка ниже, чем в лучших природных кристаллах). А самое главное — можно управлять свойствами, вводя определенные добавки в кристаллы или изменяя режим роста; можно получать кристаллы с такими свойствами, каких нет у природных.

Индустрия искусственных кристаллов флюорита

Высокое качество искусственных кристаллов оптического флюорита и не очень высокая их стоимость вполне удовлетворяют требованиям оптической промышленности, и спрос на них стал быстро возрастать. Выращивание кристаллов из кристаллизационных предприятий стало переходить на промышленные предприятия, в первую очередь на оптико-механические, которые были главными потребителями оптического флюорита.

В СССР первое промышленное производство кристаллов оптического флюорита было создано в 1954 г. на бывшем заводе «Прогресс» в Ленинграде, вошедшем позднее в состав Ленинградского оптико-механического объединения им. В. И. Ленина (ЛОМО) [Итигин, 1976; Панфилов, 1981]. В основу были положены собственные технологические разработки, разработки Всесоюзного института минерального сырья и Государственного оптического института им. С. И. Вавилова [Научно-технический..., 1974; Панфилов, 1981].

Возникала индустрия оптического флюорита и в других странах. Уже в 1968 г. почти все мировые потребности в оптическом флюорите покрывались за счет искусственных кристаллов [Kaspar, 1968]. В настоящее время более двух десятков фирм в наиболее развитых странах производят флюоритовые монокристаллы. Большим спросом пользуется продукция советских предприятий, отмеченная высокими наградами ВДНХ и многих международных выставок. Широко известны и высоко ценятся монокристаллы флюорита, производимые Народным предприятием «Карл Цейс Йена» в ГДР, предприятием «Монокристаллы» в ЧССР, химического концерна «Харшоу» в США, фирмами «Мерк», «Дармштадт» в ФРГ, рядом английских, французских и других фирм.