Fluorite optique : le guide de référence
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La fluorite optique désigne une fluorite, ou plus largement un cristal de fluorure de calcium CaF₂, possédant une pureté, une transparence et une homogénéité suffisantes pour être utilisé dans des composants optiques. Contrairement à la fluorite violette, verte ou bleue, l’expression « fluorite optique » ne correspond donc pas à une variété définie par sa couleur. Le matériau recherché est généralement incolore, très transparent et pratiquement dépourvu d’inclusions, de fractures et de défauts susceptibles de perturber le passage de la lumière.
La fluorite possède des propriétés optiques particulièrement inhabituelles : son indice de réfraction est relativement faible, sa dispersion est très faible et sa dispersion partielle diffère de celle des verres optiques conventionnels. Ces caractéristiques permettent notamment de réduire fortement l’aberration chromatique dans certains objectifs photographiques, télescopes et microscopes. Le fluorure de calcium transmet également une gamme de longueurs d’onde exceptionnellement étendue, depuis l’ultraviolet jusqu’à une partie importante de l’infrarouge.
Les cristaux naturels suffisamment purs ont historiquement été utilisés pour certains instruments d’optique. Ils sont toutefois rares, souvent trop petits et contiennent généralement davantage d’impuretés et de défauts que les cristaux produits industriellement. La majorité du CaF₂ optique moderne est donc synthétique et cultivée sous forme de grands monocristaux à très haute pureté.
La fluorite optique en bref
| Propriété | Donnée |
|---|---|
| Nom | Fluorite optique |
| Nature du nom | Désignation de qualité ou d’utilisation, pas une espèce distincte |
| Espèce minérale naturelle | Fluorite |
| Matériau | Fluorure de calcium |
| Formule chimique | CaF₂ |
| Classe minérale | Halogénures |
| Système cristallin | Cubique |
| Couleur recherchée | Généralement incolore |
| Transparence | Très élevée pour le matériau de qualité optique |
| Dureté | 4 sur l’échelle de Mohs |
| Densité | Environ 3,18 |
| Indice de réfraction | Environ 1,434 à 588 nm |
| Biréfringence intrinsèque | Aucune |
| Caractère optique | Isotrope |
| Dispersion | Très faible |
| Dispersion partielle | Anormale par rapport à de nombreux verres optiques |
| Plage de transmission du CaF₂ optique | Environ 0,13 à 10 µm selon la qualité et l’application |
| Clivage | Parfait suivant {111} |
| Formes naturelles fréquentes | Cubes et octaèdres |
| Applications | Objectifs, télescopes, microscopes, fenêtres UV/IR, prismes, spectroscopie, lasers |
| Fluorite naturelle utilisée historiquement | Oui |
| Matériau optique moderne | Principalement CaF₂ synthétique de haute pureté |
| Présence de fluorite au Québec | Oui |
| Production québécoise documentée de qualité optique | Non clairement établie dans les principales références consultées |
Le CaF₂ possède une plage de transmission extrêmement large. Les données techniques de Crystran indiquent une transmission approximative de 0,13 à 10 µm, avec des grades particuliers destinés à l’ultraviolet, à l’infrarouge et aux lasers excimères. Son indice de réfraction est d’environ 1,4339 à 0,588 µm et sa densité de 3,18.
Qu’est-ce qu’une fluorite optique?
Une fluorite optique est avant tout une fluorite dont les propriétés permettent à la lumière de traverser le matériau avec très peu d’absorption, de diffusion ou de distorsion.
Cela exige beaucoup plus qu’une simple apparence transparente.
Un cristal naturel peut sembler parfaitement limpide à l’œil nu tout en contenant :
des inclusions microscopiques;
des défauts cristallins;
des éléments traces;
des zones de couleur;
des fractures internes;
ou des variations d’indice de réfraction.
Ces imperfections peuvent être presque invisibles pour un collectionneur, mais devenir problématiques lorsqu’un cristal doit être transformé en élément optique de précision.
Fluorite optique naturelle
Historiquement, des cristaux naturels exceptionnellement transparents étaient sélectionnés directement dans certains gisements.
Un ancien critère industriel décrivait notamment la qualité optique comme constituée de fragments cristallins transparents, exempts d’inclusions visibles et suffisamment grands pour être taillés.
De la fluorite naturelle claire de qualité optique a été signalée dans certains anciens districts miniers américains. Des publications géologiques de l’Illinois mentionnent notamment du matériel transparent de haute pureté provenant de certaines mines du district de Cave-in-Rock.
Fluorure de calcium synthétique
Aujourd’hui, lorsqu’un fabricant parle de CaF₂ optique, il s’agit le plus souvent d’un cristal synthétique.
Le fluorure de calcium purifié est fondu puis recristallisé dans des conditions contrôlées afin d’obtenir un grand monocristal homogène.
La technique Stockbarger ou des procédés apparentés permettent de fabriquer des cristaux atteignant plusieurs dizaines de centimètres de diamètre. Crystran indique par exemple produire du CaF₂ par croissance sous vide jusqu’à environ 250 mm de diamètre.
Cette fabrication contrôlée permet d’obtenir une pureté et une homogénéité difficiles à rencontrer dans un cristal naturel.
Fluorite minérale et CaF₂ optique
D’un point de vue chimique, le matériau reste fondamentalement le même :
CaF₂.
La distinction est principalement liée à l’origine et au niveau de qualité.
Une belle fluorite transparente de collection n’est donc pas automatiquement une fluorite de qualité optique industrielle.
Inversement, un bloc synthétique parfaitement incolore utilisé dans un objectif photographique possède peu d’intérêt comme spécimen minéralogique, même si ses propriétés optiques sont extraordinaires.
Pourquoi la fluorite est-elle utilisée en optique?
Le fluorure de calcium possède une combinaison de propriétés difficile à reproduire avec un verre optique conventionnel.
Trois caractéristiques sont particulièrement importantes :
son faible indice de réfraction;
sa faible dispersion;
et sa transmission sur une très grande plage de longueurs d’onde.
Faible dispersion
Lorsqu’une lumière blanche traverse une lentille, ses différentes couleurs ne sont pas réfractées exactement de la même façon.
Le bleu, le vert et le rouge peuvent donc converger à des positions légèrement différentes.
Ce phénomène est appelé aberration chromatique.
Il peut produire des contours colorés autour des objets et réduire la netteté d’une image.
La fluorite possède une dispersion particulièrement faible et surtout une dispersion partielle inhabituelle comparativement aux verres optiques ordinaires. Associée à d’autres éléments de verre dans un système optique, elle peut faire converger différentes longueurs d’onde beaucoup plus près du même point focal.
Correction de l’aberration chromatique
Cette propriété est particulièrement intéressante dans les téléobjectifs.
Plus la focale augmente, plus certaines aberrations chromatiques deviennent difficiles à corriger.
Canon explique que l’association d’une lentille convexe en fluorite à un élément en verre à forte dispersion permet de réduire fortement le spectre secondaire résiduel et de rapprocher les foyers rouge, vert et bleu.
C’est aussi pourquoi le CaF₂ est associé aux objectifs dits apochromatiques.
Dans un système apochromatique bien conçu, plusieurs longueurs d’onde sont corrigées simultanément beaucoup plus efficacement que dans un objectif achromatique simple.
Faible indice de réfraction
À environ 588 nm, l’indice de réfraction du CaF₂ est proche de 1,434.
Cette valeur est relativement faible comparativement à de nombreux verres optiques.
L’indice lui-même ne suffit pas à expliquer les performances de la fluorite, mais sa combinaison avec sa dispersion particulière offre aux concepteurs d’objectifs des possibilités de correction difficiles à obtenir autrement.
Transmission dans l’ultraviolet
Le CaF₂ de haute pureté est remarquablement transparent dans l’ultraviolet.
Les grades spécialement préparés peuvent transmettre jusqu’à environ 130 nm dans l’UV profond, bien au-delà de la capacité de nombreux verres classiques.
Cette propriété permet son utilisation dans :
la spectroscopie UV;
les fenêtres optiques;
certains lasers;
les systèmes scientifiques;
et différentes applications utilisant l’ultraviolet profond.
Transmission dans l’infrarouge
La même matière reste transparente sur une grande partie de l’infrarouge.
Le CaF₂ peut donc également être utilisé dans certains systèmes infrarouges, notamment pour des fenêtres, lentilles et prismes.
Cette combinaison d’une bonne transmission dans l’UV, le visible et l’IR représente l’un des principaux avantages du matériau.
Absence de biréfringence intrinsèque
La fluorite appartient au système cubique.
Un cristal idéal de CaF₂ est donc optiquement isotrope.
La lumière ne rencontre pas naturellement des indices différents selon son orientation comme dans le quartz ou le saphir.
Cette absence de biréfringence intrinsèque est particulièrement intéressante pour certaines applications nécessitant une transmission indépendante de la polarisation.
Composition chimique et structure cristalline
La formule chimique de la fluorite est :
CaF₂
Le matériau est constitué d’ions calcium Ca²⁺ et d’ions fluorure F⁻.
Dans sa structure cristalline, chaque ion calcium est entouré de huit ions fluorure tandis que chaque fluorure possède quatre ions calcium voisins.
Cette organisation appartient au groupe spatial cubique Fm3̅m et est tellement caractéristique qu’elle a donné son nom à la structure dite « fluorite ».
Une structure cubique
La très forte symétrie du réseau explique pourquoi le CaF₂ idéal est isotrope.
Cela constitue une différence importante avec des matériaux optiques cristallins comme :
le quartz;
le saphir;
ou le fluorure de magnésium.
Ces matériaux appartiennent à des systèmes cristallins anisotropes et possèdent donc plusieurs indices de réfraction selon la direction de propagation de la lumière.
Impuretés et défauts
Dans une fluorite naturelle, le calcium peut être partiellement remplacé par différents éléments.
Les terres rares, notamment l’yttrium et différents lanthanides, sont particulièrement importantes.
Le réseau peut également contenir des lacunes et des défauts créés ou modifiés par l’irradiation naturelle.
Ces imperfections expliquent une grande partie des couleurs spectaculaires observées dans les fluorites de collection.
Pour une fluorite optique, elles représentent toutefois généralement un problème.
Un matériau destiné à transmettre fidèlement la lumière doit idéalement présenter le moins possible :
d’absorption;
de coloration;
de diffusion;
de fluorescence parasite;
et d’inhomogénéité.
Cristaux naturels
Dans la nature, la fluorite forme très souvent des cubes.
Elle peut également développer des octaèdres et différentes combinaisons de formes cubiques.
Le clivage parfait se produit suivant les plans {111} et peut produire des fragments octaédriques.
Cristaux synthétiques
Le CaF₂ optique synthétique ne cherche généralement pas à reproduire la forme extérieure d’un cube naturel.
Le but est plutôt de produire un grand monocristal homogène à partir duquel seront découpés des disques, lentilles, fenêtres ou prismes.
L’orientation du cristal, les contraintes internes et la distribution des impuretés peuvent être contrôlées pendant la fabrication.
Propriétés physiques et optiques
La fluorite optique conserve la dureté caractéristique de la fluorite naturelle : 4 sur l’échelle de Mohs.
Il s’agit d’un matériau relativement tendre.
Cette faible dureté représente l’un de ses principaux désavantages comparativement à certains autres cristaux optiques.
Densité
La densité est d’environ :
3,18 g/cm³
Cette valeur est constante pour du CaF₂ de haute pureté, avec seulement de faibles variations possibles lorsque des éléments étrangers sont incorporés au réseau.
Indice de réfraction
L’indice dépend de la longueur d’onde.
Crystran fournit notamment les valeurs approximatives suivantes :
à 486 nm : 1,4370;
à 588 nm : 1,4339;
à 656 nm : 1,4325;
à 1 µm : environ 1,429;
à 5 µm : environ 1,399.
Cette évolution avec la longueur d’onde correspond à la dispersion du matériau.
Très faible dispersion
La faible dispersion constitue l’une des caractéristiques les plus importantes du CaF₂ visible.
Elle explique son utilisation historique dans les objectifs apochromatiques et son emploi moderne avec différents verres optiques afin de contrôler les aberrations chromatiques.
La propriété la plus remarquable n’est cependant pas seulement une dispersion faible : la dispersion partielle inhabituelle de la fluorite permet de corriger certaines couleurs que les combinaisons de verres classiques contrôlent difficilement.
Transmission spectrale
Le CaF₂ peut transmettre une plage approximative de :
0,13 à 10 µm
selon le grade utilisé.
Cette plage couvre :
l’ultraviolet;
la totalité du visible;
le proche infrarouge;
et une partie importante de l’infrarouge moyen.
Peu de matériaux optiques possèdent à la fois une telle étendue de transmission et des propriétés de dispersion aussi intéressantes.
Isotropie
La fluorite idéale est isotrope.
Elle ne possède donc aucune biréfringence intrinsèque.
Dans les très grands cristaux synthétiques, des contraintes internes peuvent toutefois provoquer une faible biréfringence induite.
Pour les applications optiques les plus exigeantes, cette caractéristique doit être contrôlée pendant la croissance et le recuit du cristal.
Fluorescence
Les fluorites naturelles peuvent présenter une fluorescence spectaculaire.
Pour un spécimen de collection, cette propriété est intéressante.
Pour un composant optique, elle peut devenir indésirable lorsqu’elle introduit une émission parasite dans les mesures.
La présence de terres rares et de défauts augmente généralement la complexité du comportement luminescent.
Les matériaux synthétiques de qualité optique permettent de réduire fortement ces contaminants.
Comment se forme la fluorite optique?
La question doit être divisée en deux parties : la fluorite optique naturelle et le CaF₂ optique synthétique.
La fluorite naturelle se forme géologiquement.
Le matériau synthétique est cristallisé industriellement.
Formation naturelle
La fluorite naturelle apparaît fréquemment dans les systèmes hydrothermaux.
Des fluides chauds contenant du calcium et du fluor circulent dans les fractures et cavités des roches.
Lorsque les conditions de température, de pression et de composition chimique évoluent, le CaF₂ précipite et forme des cristaux.
Les veines peuvent contenir de la fluorite accompagnée notamment de :
quartz;
calcite;
barytine;
galène;
sphalérite;
et différents autres minéraux.
Pour produire une véritable fluorite de qualité optique, les conditions doivent toutefois être exceptionnellement favorables.
Le cristal doit se développer avec très peu d’inclusions, de fractures et d’impuretés responsables de coloration.
Pourquoi la fluorite naturelle de qualité optique est-elle rare?
Une grande partie des fluorites naturelles possède précisément les caractéristiques que les collectionneurs apprécient :
des couleurs;
des fantômes;
des inclusions;
des associations minérales;
et des zonages.
Pour un opticien, plusieurs de ces caractéristiques deviennent des défauts.
Un cristal destiné à fabriquer une lentille doit présenter une zone suffisamment grande et homogène pour permettre la découpe d’un élément transparent.
C’est pourquoi la quantité de matériel naturel réellement utilisable a toujours été faible.
Croissance synthétique
Pour résoudre cette limitation, l’industrie a développé des méthodes permettant de recristalliser artificiellement le CaF₂.
Une méthode importante est la croissance de type Stockbarger.
Le matériau de départ est placé dans un creuset et fondu sous des conditions contrôlées, généralement sous vide ou dans une atmosphère adaptée.
Le refroidissement est ensuite soigneusement contrôlé pour permettre à un monocristal de se développer progressivement.
Crystran indique aujourd’hui utiliser une technique Stockbarger sous vide pour produire du CaF₂ destiné aux applications optiques.
La croissance de grands cristaux
Cette technique permet de dépasser l’une des principales limites de la nature : la taille.
Canon explique que les cristaux naturels disponibles étaient trop petits et trop impurs pour fabriquer les grandes lentilles requises par la photographie moderne.
L’entreprise a donc développé dans les années 1960 une technologie permettant de fabriquer de grands cristaux artificiels de fluorite à haute pureté.
En 1969, Canon commercialisait le FL-F300mm f/5.6, premier téléobjectif grand public de la marque utilisant des éléments en fluorite synthétique.
Où trouve-t-on la fluorite optique dans le monde?
La fluorite naturelle existe dans de très nombreuses régions, mais seule une faible proportion des gisements a produit du matériel historiquement considéré comme de qualité optique.
Il faut également distinguer les anciennes sources de fluorite naturelle des centres modernes de fabrication de CaF₂ synthétique.
Italie
La mine de Corvara, également connue sous le nom de Rabenstein, dans le Tyrol du Sud, est une localité historique remarquable.
La mine a notamment été exploitée au XXe siècle pour de la fluorite de qualité optique.
Les meilleurs cristaux sont pratiquement incolores et remarquablement transparents. Des cubes clairs provenant de cette mine sont aujourd’hui conservés dans des collections minéralogiques européennes.
Le gisement constitue un bon exemple d’une localité où une partie du matériel naturel possédait réellement une qualité suffisante pour dépasser le simple intérêt minéralogique.
États-Unis
Les États-Unis ont historiquement produit de la fluorite de qualité optique dans plusieurs districts.
Illinois
Certaines mines du district de Cave-in-Rock ont produit de la fluorite transparente de haute pureté.
Une publication récente de l’Illinois State Geological Survey, reprenant les anciens travaux miniers, indique que de la fluorite claire de qualité optique avait été signalée dans certaines mines.
Le même district est pourtant beaucoup plus connu des collectionneurs pour ses magnifiques fluorites violettes, jaunes et multicolores.
Cela montre qu’un même district peut produire à la fois du matériel très coloré et des zones exceptionnellement limpides.
Kentucky
Des occurrences américaines du Kentucky ont également fourni historiquement du matériel de qualité optique.
Ces cristaux naturels transparents étaient recherchés avant que la fabrication de grands monocristaux synthétiques ne rende l’approvisionnement beaucoup plus régulier.
Canada – Ontario
Au Canada, la région de Madoc, en Ontario, constitue un exemple particulièrement intéressant.
Un inventaire consacré à la fluorite ontarienne indique explicitement que de petites expéditions de cristaux de fluorite de qualité optique ont été réalisées depuis le secteur de Madoc.
Le rapport précise également que les matériaux clairs et incolores pouvaient être séparés manuellement pour ce marché spécialisé.
Cette occurrence est particulièrement pertinente dans un contexte canadien puisqu’elle démontre que le pays a réellement fourni historiquement du matériel naturel commercialisé pour ses propriétés optiques.
Production moderne
Aujourd’hui, les composants de précision sont principalement fabriqués à partir de CaF₂ synthétique.
La localisation d’une « fluorite optique » moderne dépend donc moins d’un gisement naturel que des entreprises capables de purifier le matériau, de faire croître de grands monocristaux puis de les polir avec suffisamment de précision.
Le fluorure de calcium synthétique est notamment produit pour :
la photographie;
les télescopes;
la microscopie;
les lasers;
la spectroscopie;
et différentes applications scientifiques.
La fluorite optique au Québec
La fluorite est bien présente au Québec.
Géologie Québec documente des occurrences dans plusieurs régions de la province et mentionne explicitement l’utilisation des variétés très pures et limpides de fluorite pour certains instruments d’optique.
Cette phrase décrit cependant l’usage général de la fluorite de haute qualité.
Elle ne signifie pas automatiquement qu’une exploitation québécoise a produit commercialement de la fluorite de grade optique.
Où trouve-t-on la fluorite au Québec?
Les anciennes publications de Géologie Québec mentionnent notamment de la fluorite dans :
l’ouest du Québec;
la région de Labelle;
Hull;
Pontiac;
Portneuf;
et le Saguenay.
D’autres occurrences sont aujourd’hui documentées dans de nombreux environnements géologiques de la province.
La fluorite québécoise peut être :
incolore;
blanche;
jaune pâle;
verte;
bleue;
violette;
rose;
ou présenter plusieurs zones de couleur selon la localité.
Existe-t-il de la fluorite transparente au Québec?
Oui.
La fluorite québécoise peut être transparente à translucide, et des cristaux incolores sont connus dans certaines localités.
Cette transparence ne suffit toutefois pas à leur attribuer automatiquement la désignation qualité optique.
Pour atteindre réellement ce niveau, il faut également tenir compte :
de la taille de la zone transparente;
de l’absence d’inclusions;
des fractures;
de l’homogénéité du cristal;
des éléments traces;
de l’absorption dans les longueurs d’onde recherchées;
et des contraintes internes.
Production de fluorite optique québécoise
Dans les principales références géologiques consultées, aucune production commerciale québécoise de fluorite naturelle de qualité optique comparable à celle historiquement documentée à Madoc, en Ontario, n’a pu être clairement confirmée.
Cette distinction est importante.
La fluorite est bien présente au Québec et certains cristaux peuvent être remarquablement limpides, mais cela ne permet pas d’affirmer qu’ils ont été exploités ou certifiés comme matériau optique.
À proximité du Québec, l’exemple ontarien de Madoc est beaucoup mieux documenté : de petites quantités de fluorite optique naturelle y ont réellement été expédiées.
À quoi ressemble une fluorite optique naturelle?
La fluorite naturelle de qualité optique est généralement beaucoup moins spectaculaire qu’une belle fluorite violette ou arc-en-ciel.
Elle doit idéalement être :
incolore;
transparente;
homogène;
et presque exempte d’inclusions visibles.
Incolore
Une forte couleur représente généralement une absorption sélective de certaines longueurs d’onde.
Elle n’est donc pas souhaitable lorsque l’objectif consiste à transmettre fidèlement un large spectre lumineux.
La fluorite optique naturelle classique est par conséquent généralement incolore ou très légèrement teintée.
Transparence exceptionnelle
Un bon cristal peut donner l’impression d’être presque comparable à du verre.
Les objets observés à travers la partie transparente restent clairement visibles.
Une simple transparence visuelle ne constitue toutefois qu’un premier critère.
Absence de zonage
Les magnifiques bandes violettes et vertes appréciées chez les fluorites de collection sont indésirables pour les applications optiques.
Elles révèlent des différences dans la structure ou la composition du cristal et peuvent entraîner des variations d’absorption.
Le matériau idéal est donc beaucoup plus uniforme.
Peu d’inclusions
Les inclusions solides et fluides dispersent la lumière.
Même de minuscules inclusions peuvent devenir problématiques lorsqu’un faisceau traverse plusieurs millimètres ou centimètres de cristal.
Une fluorite optique naturelle doit ainsi présenter de grandes zones pratiquement dépourvues d’inclusions.
Peu de fractures
Les fractures internes sont également indésirables.
Elles réfléchissent et diffusent la lumière, réduisent l’homogénéité du matériau et fragilisent la pièce pendant la taille et le polissage.
Cristaux naturels ou fragments?
Un morceau destiné à l’optique n’a pas besoin de conserver un beau cube parfaitement formé.
Ce qui importe surtout est le volume intérieur utilisable.
Un fragment transparent extrait au cœur d’une masse de fluorite peut donc présenter davantage d’intérêt industriel qu’un superbe cube violet parfaitement cristallisé.
Comment identifier une fluorite optique?
La première étape consiste à confirmer que le matériau est bien du CaF₂.
Il faut ensuite déterminer s’il possède réellement les caractéristiques nécessaires pour être qualifié d’optique.
Ces deux questions sont différentes.
Dureté
La fluorite possède une dureté de 4 sur l’échelle de Mohs.
Elle est donc nettement plus tendre que le quartz ou le verre de silice.
Un test de dureté peut contribuer à identifier un spécimen brut, mais il ne doit pas être réalisé sur un composant optique poli puisqu’il provoquerait une rayure.
Clivage
Le clivage octaédrique parfait est caractéristique de la fluorite naturelle.
Un morceau cassé peut présenter plusieurs surfaces parfaitement planes correspondant aux plans {111}.
Indice de réfraction
Une valeur d’environ 1,434 dans le visible constitue un excellent indice d’identification.
Elle est sensiblement inférieure à celle de nombreux verres et cristaux optiques.
Caractère isotrope
La fluorite est normalement isotrope.
L’absence de biréfringence intrinsèque constitue donc un critère important.
Une mesure au polariscope peut aider à distinguer le CaF₂ d’un cristal anisotrope comme le quartz.
Spectroscopie
Pour déterminer la qualité optique réelle, il faut aller beaucoup plus loin qu’une identification minéralogique classique.
La transmission doit être mesurée sur les longueurs d’onde correspondant à l’utilisation prévue.
Un matériau destiné à l’infrarouge n’est pas nécessairement suffisamment pur pour l’ultraviolet profond.
Crystran souligne d’ailleurs que les cristaux destinés à l’IR peuvent être fabriqués à partir de fluorite naturelle comme matière première, mais que leur performance UV est plus limitée en raison des impuretés. Pour les applications UV et VUV, des matières premières préparées chimiquement de plus haute pureté sont privilégiées.
Homogénéité optique
Une véritable qualification industrielle peut également inclure :
la mesure de l’homogénéité de l’indice;
la biréfringence induite par les contraintes;
les inclusions;
la diffusion;
l’absorption;
la planéité;
et la qualité de surface après polissage.
Une fluorite transparente observée à l’œil nu ne peut donc pas être déclarée « qualité optique » avec certitude uniquement à partir d’une photographie.
Fluorite optique naturelle, synthétique et traitements
La distinction entre fluorite naturelle et CaF₂ synthétique est particulièrement importante dans ce cas.
Pour la majorité des minéraux de collection, le matériau naturel est généralement le produit recherché.
Dans le domaine optique, la situation est presque inversée : le matériau synthétique offre généralement de meilleures performances.
Fluorite optique naturelle
La fluorite naturelle a historiquement été utilisée lorsque de grands fragments transparents et suffisamment purs pouvaient être extraits.
Ces cristaux possédaient déjà naturellement les caractéristiques fondamentales du CaF₂ :
faible dispersion;
faible indice de réfraction;
et excellente transmission.
Leur principal problème était leur disponibilité.
Les gros cristaux parfaitement purs sont rares et leurs défauts sont difficiles à contrôler.
Fluorite synthétique
La fabrication de CaF₂ synthétique permet de produire des cristaux beaucoup plus gros et homogènes.
Canon explique que la petite taille et la pureté insuffisante des cristaux naturels limitaient leur utilisation dans les objectifs photographiques. L’entreprise a donc développé la croissance artificielle de grands cristaux de fluorite dans les années 1960.
Le matériau synthétique possède toujours la structure cristalline du CaF₂.
Il ne s’agit donc pas de verre imitant la fluorite.
Purification
Pour les applications particulièrement exigeantes dans l’UV et le VUV, la matière première est préparée chimiquement afin de réduire au maximum les contaminants.
Les impuretés capables d’absorber dans l’ultraviolet deviennent problématiques même lorsqu’elles sont présentes en concentrations extrêmement faibles.
Recuit
Après la croissance, le cristal peut être soumis à un recuit contrôlé.
L’objectif n’est pas de modifier son apparence comme lors d’un traitement gemmologique, mais de réduire les contraintes internes susceptibles de provoquer une biréfringence ou des déformations.
Polissage
Le CaF₂ est beaucoup plus tendre et délicat que plusieurs verres optiques.
Son polissage exige donc des procédés particuliers.
Canon indique que le polissage de ses éléments en fluorite peut demander considérablement plus de temps que celui du verre optique ordinaire.
Irradiation
L’irradiation peut créer des défauts et centres colorés dans le CaF₂.
Pour une fluorite gemme, cela peut produire des couleurs intéressantes.
Pour un cristal optique, ces défauts sont généralement indésirables puisqu’ils peuvent créer des bandes d’absorption ou de fluorescence.
Les fluorites naturelles possèdent généralement davantage de défauts liés à leur longue exposition à l’irradiation géologique que les cristaux synthétiques récents.
Fluorite optique, quartz, silice fondue, saphir ou fluorure de magnésium?
Le CaF₂ n’est pas le seul matériau utilisé pour transmettre la lumière dans les systèmes optiques. Chaque matériau possède une combinaison différente de transmission, résistance mécanique, indice de réfraction et comportement optique.
| Propriété | Fluorite / CaF₂ | Quartz cristallin | Silice fondue | Saphir | Fluorure de magnésium |
|---|---|---|---|---|---|
| Composition | CaF₂ | SiO₂ | SiO₂ amorphe | Al₂O₃ | MgF₂ |
| Structure | Cubique | Trigonale | Amorphe | Trigonale | Tétragonale |
| Dureté Mohs | 4 | 7 | Env. 5,5–6,5 | 9 | Env. 5–6 |
| Densité approximative | 3,18 | 2,65 | 2,2 | 3,98 | 3,15 |
| Indice visible approximatif | 1,43 | 1,54–1,55 | Env. 1,46 | Env. 1,76–1,77 | Env. 1,38 |
| Biréfringence intrinsèque | Aucune | Oui | Aucune | Oui | Oui |
| Transmission UV | Excellente pour grades adaptés | Bonne selon grade | Excellente pour qualité UV | Bonne | Excellente |
| Transmission IR | Étendue | Plus limitée | Plus limitée | Étendue dans certaines régions | Étendue |
| Résistance aux rayures | Faible | Bonne | Moyenne | Excellente | Moyenne |
| Principal avantage | Faible dispersion et très large fenêtre spectrale | Stabilité et propriétés piézoélectriques | Homogénéité et bonne transmission UV | Très grande dureté | Excellente transmission UV et IR |
| Principal inconvénient | Tendre et clivable | Biréfringent | Transmission IR plus limitée | Biréfringent et indice élevé | Biréfringent |
Le quartz cristallin est nettement plus dur que la fluorite, mais il est biréfringent. Cette propriété peut être recherchée dans certains composants polarisants mais constitue un désavantage dans d’autres systèmes.
La silice fondue est amorphe et isotrope. Elle constitue l’un des matériaux les plus importants en optique UV et visible grâce à sa grande homogénéité et à sa stabilité. Elle ne possède toutefois pas exactement la même plage de transmission ni les mêmes propriétés de dispersion que le CaF₂.
Le saphir synthétique est extraordinairement résistant aux rayures grâce à sa dureté de 9. Il convient donc très bien aux fenêtres devant résister à des environnements difficiles. Son indice de réfraction est cependant beaucoup plus élevé et il est biréfringent.
Le fluorure de magnésium, MgF₂, constitue un autre cristal fluoré très important en optique. Sa transmission s’étend profondément dans l’UV et dans l’infrarouge. Contrairement au CaF₂ cubique, il est toutefois biréfringent.
La fluorite se distingue donc particulièrement par l’association :
faible indice + très faible dispersion + dispersion partielle inhabituelle + isotropie + large transmission UV-visible-IR.
Qualité, rareté et valeur de la fluorite optique
La qualité d’une fluorite optique ne se juge pas de la même manière que celle d’un spécimen minéralogique.
Une fluorite violette parfaitement cristallisée peut posséder une grande valeur auprès d’un collectionneur tout en étant complètement inutilisable pour fabriquer une lentille.
Inversement, un bloc incolore sans forme cristalline intéressante peut être beaucoup plus précieux comme matière optique.
Pureté
La pureté chimique constitue un critère fondamental.
Les éléments traces peuvent provoquer :
de la coloration;
des bandes d’absorption;
de la fluorescence;
ou différentes pertes optiques.
Pour les applications UV extrêmes, des niveaux de pureté très élevés sont indispensables.
Transparence
Le matériau doit présenter une transmission élevée dans la plage de longueurs d’onde désirée.
Un cristal destiné à l’infrarouge peut tolérer certaines impuretés qui seraient inacceptables pour l’UV profond.
La notion de « qualité optique » dépend donc en partie de l’application.
Taille
La taille des zones sans défaut représente historiquement l’une des principales limites de la fluorite naturelle.
Les petits cristaux pouvaient être utilisés dans certains microscopes, mais les grands téléobjectifs nécessitaient des éléments beaucoup plus importants.
Canon explique précisément que cette contrainte a motivé le développement de grands cristaux artificiels.
Inclusions et fractures
Les inclusions doivent être aussi rares que possible.
Les fractures constituent également un problème majeur puisqu’elles peuvent diffuser la lumière et provoquer une rupture pendant la fabrication.
Homogénéité
Un cristal peut sembler parfaitement clair tout en possédant des variations microscopiques de composition ou de contraintes.
Pour les applications de haute précision, l’homogénéité de l’indice de réfraction devient donc un critère essentiel.
Valeur des cristaux naturels historiques
Les anciennes fluorites naturelles réellement identifiées comme qualité optique possèdent aujourd’hui un double intérêt.
Elles peuvent témoigner de l’histoire industrielle du matériau tout en constituant des spécimens minéralogiques.
Des localités comme Corvara en Italie sont aujourd’hui surtout recherchées par les collectionneurs parce que l’exploitation est terminée et que les grands cubes naturels transparents sont devenus difficiles à obtenir.
Valeur industrielle du CaF₂ synthétique
Pour les matériaux modernes, la valeur dépend davantage des spécifications techniques que de l’esthétique.
Deux blocs visuellement identiques peuvent avoir des valeurs très différentes selon :
leur transmission UV;
leur homogénéité;
leur biréfringence résiduelle;
leur diamètre;
leur orientation;
et les tolérances requises.
La notion classique de qualité minéralogique A, AA ou AAA n’a donc aucune pertinence pour le CaF₂ optique industriel.
Utilisation en joaillerie et entretien
La fluorite optique n’est pas principalement destinée à la joaillerie.
Son importance vient plutôt de ses applications scientifiques, photographiques et industrielles.
Une fluorite naturelle exceptionnellement transparente peut néanmoins être facettée comme gemme de collection.
Objectifs photographiques
L’utilisation la plus connue du grand public concerne les objectifs photographiques haut de gamme.
Une lentille de fluorite associée à des éléments de verre adaptés permet de réduire considérablement l’aberration chromatique.
Canon a commercialisé dès 1969 des téléobjectifs grand public contenant des éléments de fluorite synthétique et continue d’utiliser les propriétés particulières du matériau dans des systèmes optiques spécialisés.
Télescopes
Les objectifs astronomiques apochromatiques peuvent également incorporer un élément en CaF₂.
La correction chromatique devient particulièrement importante lorsqu’on cherche à observer ou photographier des détails très fins à fort contraste.
Une mauvaise correction produit notamment des franges colorées autour des étoiles et des objets brillants.
Microscopes
La fluorite naturelle a historiquement trouvé une utilisation dans de petits éléments optiques, notamment pour les microscopes.
La petite taille des éléments nécessaires rendait davantage possible l’utilisation de cristaux naturels sélectionnés.
Canon souligne d’ailleurs que les dimensions limitées des fluorites naturelles permettaient surtout leur emploi dans de petits équipements avant le développement des grands cristaux synthétiques.
Spectroscopie
La large plage de transmission du CaF₂ est particulièrement utile pour fabriquer :
des fenêtres;
des lentilles;
des prismes;
et différents composants destinés aux spectromètres.
Crystran propose notamment le matériau pour des fenêtres spectroscopiques, prismes et lentilles utilisés dans l’UV et l’infrarouge.
Lasers
Les grades extrêmement purs peuvent servir de fenêtres dans certains systèmes utilisant des lasers UV, notamment les lasers excimères.
Ces applications exigent une qualité beaucoup plus élevée que celle nécessaire pour une simple lentille visible.
Joaillerie
Une fluorite naturelle transparente peut être facettée.
Elle reste cependant très fragile pour un usage quotidien.
Sa dureté de 4 signifie qu’elle se raye beaucoup plus facilement qu’un quartz, une topaze ou un saphir.
Son clivage octaédrique parfait augmente encore le risque de cassure.
Elle convient donc principalement :
aux collections gemmologiques;
aux pendentifs très protégés;
aux boucles d’oreilles;
ou aux pierres conservées sans monture.
Nettoyage d’une fluorite naturelle
Une fluorite de collection doit être nettoyée doucement.
De l’eau à température ambiante ou légèrement tiède et un savon doux suffisent généralement lorsque le spécimen ne contient aucun autre minéral sensible à l’eau.
Les chocs thermiques doivent être évités.
La vapeur n’est pas recommandée.
Les ultrasons devraient également être évités pour les cristaux fracturés ou présentant des plans de clivage.
Entretien d’un composant optique
Une lentille ou une fenêtre en CaF₂ ne doit pas être manipulée comme un simple morceau de verre.
Le matériau est tendre et sa surface polie peut facilement être rayée.
Les fabricants utilisent donc des techniques de nettoyage spécialisées et évitent tout contact abrasif.
La faible dureté du CaF₂ représente d’ailleurs l’une des principales difficultés de fabrication des lentilles de fluorite. Canon a dû développer des procédés de polissage spécifiques parce que les méthodes utilisées pour le verre classique ne convenaient pas au matériau.
La fluorite optique illustre ainsi un aspect inhabituel de la minéralogie : un minéral relativement tendre et chimiquement simple peut posséder des propriétés suffisamment exceptionnelles pour devenir un matériau de haute technologie utilisé dans la photographie, l’astronomie, la microscopie, la spectroscopie et les systèmes laser.
