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), 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:

где p1 и p2 — относительная частная дисперсия первой и второй линз; nF, C, D — показатели преломления оптического материала для лучей F, C, D соответственно; v1, v2 — коэффициенты средней дисперсии первой и второй линз.

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.

Рис. 26. Кривые, характеризующие зависимость величины вторичного спектра (коэффициент К) от длины волны оптических систем стекло—стекло (1) и флюорит—стекло (2)

Рис. 27. Оптические объективы с флюоритовыми линзами (заштриховано), выпускаемые ЛОМО им. В. И. Ленина

Объяснение в тексте

Рис. 28. Кривые, характеризующие хроматизм положения, область резкого изображения в различных системах объективов микроскопов

1 — ахромат;

2 — флюоритовый объектив;

3 — апохромат из системы флюорит—стекло

Объективы-апохроматы не имеют хроматической аберрации и дают изображение объекта с неискаженной окраской. Это достигается исправлением вторичного спектра именно благодаря введению деталей из оптического флюорита в паре с кварцевым и другими стеклами. Оптические схемы обычного и масляного объективов апохроматов даны на рис. 27, в, г. Апохроматы дают резкое изображение в наибольшем по сравнению с другими системами диапазоне спектра (рис. 28), отличаются высоким уровнем коррекции аберраций и позволяют получать высококачественные контрастные изображения с неискаженной цветопередачей мельчайших (до 0,25 мкм) элементов биологических структур.

Объективы-планапохроматы были созданы в 50-х годах благодаря появлению особых сверхтяжелых стекол, близких по значению частных относительных дисперсий к флюориту. Они позволили повысить эффективное поле наблюдения по сравнению с апохроматами от 5—10 до 25—28 мм. В его пределах сохраняется неискаженное изображение объекта. Схемы и конструкции двух планапохроматов приведены на рис. 27, д, е. Один из них, ОПА-3, трехкомпонентный. Его первым компонентом служит менисковый компенсатор. Второй компонент состоит из двух двойных или тройных линз, положительные из них выполнены из оптического флюорита, отрицательные — из особых стекол. Третий компонент — отрицательный мениск относительно небольшой силы для исправления астигматизма. Применение планапохроматов исключает необходимость перефокусировки микроскопа для исследования периферийных участков. Оно резко улучшило качество микрофотографий и открыло возможности для внедрения машинных методов обработки изображений.

Нелюминесцирующие объективы, или «неофлюоры» (новые флюоритовые системы), представляют собой новый класс объективов, отличающихся улучшенной коррекцией вторичного спектра и кривизны изображения по сравнению с ахроматическими объективами, простотой оптической конструкции и, что самое важное, отсутствием собственной люминесценции [Иванова, 1979, 1980]. Последнее достигается тем, что эти объективы создаются на основе нелюминесцирующих разностей природного флюорита. Этот тип объективов используется при исследовании в свете люминесценции особо тонких биологических структур, требующих высокой разрешающей способности, какими являются, например, хромосомы. Схема ряда разработанных в СССР нелюминесцирующих объективов приведена на рис. 27, ж, з. Это только основные типы флюоритовых объективов, главные особенности которых определяются именно особыми свойствами флюорита как оптического материала. Кроме того, флюоритовые детали используются в объективах-монохроматах, объективах для ИК-области спектра, зеркальных и зеркально-линзовых объективах, в окулярах и других оптических системах.

Объективами с флюоритовой оптикой комплектуются различные классы современных микроскопов: биологические, металлографические, минералогические и петрографические поляризационные и многие другие. В последнее время широкое распространение получили универсальные микроскопы, приспособленные для исследования любых объектов. Среди них наиболее известны микроскопы Nu-2E и Neophot-2 производства предприятия «Карл Цейс Йена» в ГДР. Они снабжены всеми типами флюоритовых объективов и окуляров.

Наиболее полно широкие возможности флюоритовой оптики раскрываются при исследовании биологических объектов и явлений. Биологические микроскопы имеются не только в биологических, но и в медицинских, химических, физических и других лабораториях.

Отечественная промышленность на базе Ленинградского оптико-механического объединения им. В. И. Ленина в настоящее время выпускает биологические микроскопы серии «Биолам» четырех классов: С — студенческие, Д — дорожные, Р — рабочие и Л — лабораторные. Каждый из них изготовляется в нескольких вариантах.

Микроскопы «Биолам-С,-Д,-Р» относительно упрощенные и укомплектованы в основном ахроматическими объективами. Однако в комплекте рабочей модели «Биолам Р-17», который применяется в основном в клинических лабораториях, есть четыре апохроматических объектива, резко расширивших его возможность. Столь богатое оснащение крупносерийного рабочего прибора оказалось возможным благодаря хорошо налаженной индустрии искусственных кристаллов флюорита. Более совершенные агрегатные лабораторные микроскопы «Биолам Л-211» и «Биолам Л-212» имеют по шесть апохроматических объективов ×10—90.

Микроскопом наиболее широких возможностей является универсальный исследовательский биологический микроскоп МБИ-15, хорошо оснащенный разнообразной флюоритовой оптикой (как апохроматами, так и планапохроматами), в том числе и обеспечивающей наблюдение в свете видимой люминесценции, которая возбуждается сине-фиолетовым участком спектра 400—440 нм и ультра-фиолетовыми лучами 360 нм. Апохроматическими объективами укомплектованы также исследовательские микроскопы МБИ-6 и МББ-1А.

Создание новых биологических микроскопов с флюоритовой оптикой позволило внедрить в практику биологических и медицинских исследований ряд новых эффективных методов. Благодаря применению высококачественной апохроматической оптики микроскопов значительно повысилась роль клинико-лабораторных анализов, при которых выясняется теперь не только характер заболеваний, но и устанавливаются стадии и фазы болезни, определяется оптимальность выбранного способа лечения в зависимости от защитных реакций организма.

В современных научных исследованиях широкое развитие получила люминесцентная (флюоресцентная) микроскопия. Благодаря исключительно высокой чувствительности и пространственной избирательности, позволяющей исследовать объекты размером около 0,25 мкм, этот метод применяется в биологии, медицине, минералогии, геохимии. В минералогических препаратах по характеру люминесценции диагностируются микровыделения различных минералов, изучается внутреннее строение минеральных зерен и кристаллов, структура горных пород. С помощью люминесцентного анализа определяется содержание, состав и природа битумов.

Однако наиболее мощным исследовательским средством люминесцентная микроскопия стала в биологии. Многие ткани и органы живых организмов являются люминесцирующими или легко окрашиваются флюоресцирующими веществами. Под люминесцентным микроскопом их можно изучать не разрушая. Более того, разработаны методики и аппаратура для микролюминесцентного изучения живых биологических объектов. Люминесцентная микроскопия эффективно используется для экспресс-диагностики ряда заболеваний, а также в бактериологии, онкологии, иммунопатологии и других областях.

Для люминесцентных исследований на базе нелюминесцирующей флюоритовой оптики создана и выпускается серия люминесцентных микроскопов «Люмам» различного назначения. Для наблюдения и фотографирования изображений биологических и других объектов в свете их люминесценции, возбуждаемой излучением 360—440 нм, предназначены рабочие модели «Люмам-Р1, -Р2, -Р3». Специальные рабочие модели микроскопов «Люмам-Р4, -Р5» приспособлены для изучения вирусов гриппа и гриппоподобных заболеваний. Микроскопы «Люмам И-1, -2, -3» являются исследовательскими и отличаются более широкими возможностями. Для исследования структуры тканей органов человека и животных разработан контактный люминесцентный микроскоп МЛК-1 с оптической головкой, которую можно вводить в малодоступные для исследования органы, проводить их наблюдение и фотографирование во время операции и после нее. Другой контактный люминесцентный микроскоп «Люмам К-1» предназначен для прижизненных исследований клеток и тканей на различной глубине в органах экспериментальных животных. Он позволяет изучать живые объекты в свете собственной люминесценции и в поляризованном свете методами светлого и темного поля. У микроскопов серии «Люмам» спектральная область исследуемой люминесценции 450—650 нм, область возбуждения люминесценции 360—440 нм. Кроме того, промышленность выпускает микроскопы-флюориметры «Люмам-ИУФ-1» и «Люмам-ИУФ-3», позволяющие измерять интенсивность люминесценции. У них область исследуемой люминесценции шире — от 300 до 750 нм.

Спектрофотометрия и микроспектрофотометрия — еще одна очень крупная область потребления флюорита.

Любой современный прибор для записи спектров газообразных, жидких и твердых веществ в широком спектральном диапазоне не может обойтись без флюоритовых кювет или окон (фото 20, см. вкл.). Только в номенклатуру инфракрасного спектрофотометра Specord 75IR производства «Карл Цейс Йена» в ГДР входит около 20 различных газовых и жидкостных кювет с окошками из флюорита и около десятка отдельных флюоритовых окошек. Микроспектрофотометрические методы позволяют получать очень важную количественную информацию о структуре и функциях микрообъектов.

Однако для проведения высокоточных спектральных измерений микрообъектов требуются объективы не только с низким уровнем коррекции хроматических аберраций, в том числе и за пределами видимой области спектра, но и с повышенной прозрачностью, особенно в ультрафиолетовой части спектра. Потери света на поглощение в оптическом приборе, как известно, определяются в основном прозрачностью оптических сред и их толщиной в оптической системе. Эти потери уменьшают величину полезного сигнала, особенно в ультрафиолетовой области, и влияют тем самым на точность измерений.

Высокая прозрачность в интервале до 200 нм искусственных кристаллов, выращенных из природного флюорита, позволила создать класс объективов для ультрафиолетовой и видимой областей спектра, отличающихся повышенной точностью измерений. На их основе были разработаны и освоены в серийном производстве такие высокоточные приборы, как микроспектрофотометр МУФ-5, цитофотометры для видимой области спектра МЦФВ-1, видимой и УФ-области МЦФУ-1.

Одним из весьма эффективных методов многопараметрического количественного изучения микрообъектов является люминесцентно-абсорбционный анализ. Для его проведения на ЛОМО им. В. И. Ленина разработаны и выпускаются серийно микроспектрофлюориметры МЛИ-1 и МЛИ-3, микротауметр МЛТ-1. Возбуждение люминесценции в этих приборах осуществляется областью спектра 240—550 нм, наблюдение и измерение — в области 300—700 нм.

Все современные микроспектрофотометрические приборы позволяют включать их в комплексы с другими приборами и ЭВМ с целью автоматизации процессов измерения и обработки результатов измерений. В медицинских научно-исследовательских центрах такие комплексные исследования по поиску новых лекарственных соединений обеспечивают изучение процессов на клеточном уровне вместо применения традиционных классических приемов оценки действия лекарственных соединений на животных, позволяют ускорить исследование в десятки раз и значительно повышают надежность получаемых результатов.

На базе оптического флюорита оказалось возможным широкое развитие методов оптико-структурного машинного анализа изображений микрообъектов (ОСМА). Основу его составляет устройство съема информации (УСИ) «Протва-С», которое сканирует изучаемые объекты методами фазового и темнопольного контраста, люминесцентно-абсорбционной микроскопии и передает данные о них в специализированные устройства обработки информации или в универсальные ЭВМ [Беляй и др., 1971; Богданов, 1971]. Подобные устройства используются в качестве датчиков в автоматических системах управления техническими процессами (АСУТП) на химических, биохимических и микробиологических производствах.

В любых автоматических или неавтоматических оптических исследовательских системах кристаллы флюорита выполняют наиболее важную роль. Они находятся в непосредственном контакте с объектом исследования и передают в систему информацию о нем. Количество и качество этой информации определяется в первую очередь оптическими свойствами флюорита. Все прочие элементы системы, какой бы она ни была сложной, не увеличат количества информации. Они лишь помогают избавиться от наложенных «шумов», организуют информацию в наиболее удобную для исследователя форму.

Возможности оптического флюорита как средства исследования микрообъектов еще далеко не исчерпаны, и конструкторы работают над созданием новых оптических систем, новых микроскопов и микроскопных комплексов.

Перечислим еще несколько направлений технического использования флюорита.

Любые кристаллы флюорита, даже не очень высокого качества, отличаются хорошим пропусканием в ИК-области, поэтому оптический флюорит широко применяется в различной инфракрасной технике. Это приборы для инфракрасной термографии, различные тепловизоры, камеры для фото- и киносъемки в инфракрасном диапазоне и т. п.

Перспективной областью применения оптического флюорита является лазерная техника и силовая оптика. Активированный различными примесями флюорит используется в качестве элементов лазеров, генерирующих остронаправленные световые пучки различных длин волн. Все же генерационные параметры флюорита пока еще не очень высоки, и тут он уступает первенство многим другим кристаллам. Однако в качестве пассивных (фототронных) затворов, управляющих потерями в резонаторе лазера, кристаллы флюорита, особенно с высокой плотностью стабильных центров окраски, применяются достаточно широко.

Кристаллы флюорита прямо противоположного качества, с очень неустойчивыми центрами окраски, высокофотохромные, изменяющие цвет под действием ультрафиолетового и даже видимого освещения находят применение в голографии как материал для записи голограмм с помощью гелий-неонового лазера. Перед записью кристаллы предварительно активируются действием равномерного ультрафиолетового освещения. Такие кристаллы флюорита, например, предлагают фирмы «Монокристаллы, Турнов» в ЧССР [Photochromic...]

Среди кристаллических материалов, пожалуй, нет равного флюориту по разнообразию характера люминесценции и по возможности управлять люминесценцией. Это определяет широкое применение флюорита в различной люминесцентной технике. На основе флюорита создаются монохроматоры для рентгеновских и нейтронных лучей.

Мы рассмотрели лишь некоторые из многочисленных областей применения оптического флюорита. Эти области с развитием оптической техники, с повышением качества самих кристаллов и появлением новых данных о технических возможностях флюорита как оптического материала постоянно расширяются. На основе флюорита создаются новые приборы и технические устройства. Потребность в высококачественном оптическом флюорите непрерывно повышается, стимулируя дальнейшее развитие индустрии искусственных кристаллов.