|
|
|
|
|
|
||
(По материалам статьи в "Оптическом журнале" [29]*)
Традиционные оптические материалы (ТОМ) обладают умеренной удельной жесткостью и чрезвычайно малой теплопроводностью.
Единственной возможностью повысить температурную стабильность зеркал из ТОМ является уменьшение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Многолетние усилия разработчиков на этом направлении привели к созданию таких сверхнизкорасширяющихся материалов, как легированный плавленый кварц ULE (США), церодур (Германия) и ситалл (Россия). Следует помнить, однако, что экстремально малый ТКЛР этих материалов реализуется только в узком температурном диапазоне.
Величина термодеформаций при квазистационарном режиме (медленно меняющихся тепловых потоках) определяется отношением a / l , где a - ТКЛР, l - теплопроводность. Поэтому металлы и другие теплопроводные материалы позволяют реализовывать альтернативный подход к решению проблемы температурной стабильности за счет теплопроводности, на два порядка более высокой.
Из табл.1 видно, что кремний и карбид кремния не уступают по температурной стабильности даже такому рекордсмену среди ТОМ, как ULE.
Таблица 1. Свойства материалов, применяемых для изготовления зеркал
| Параметры | Материалы | |||||||||
| нетрадиционные | традиционные | |||||||||
| Be | Si | Al | Cu | Mo | SiC* | SiO2 | Ситалл СО-115М | Церодур | ULE | |
| Плотность r, 103 кг/м3 | 1,85 | 2,3 | 2,7 | 8,9 | 10,2 | 3,05 | 2,2 | 2,5 | 2,5 | 2,21 |
| Модуль упругости Е, Гпа | 280 | 157 | 69 | 115 | 325 | 390 | 70 | 92 | 92 | 67 |
| Удельная жесткость Е/ g , 106 м | 15,1 | 6,8 | 2,7 | 1,3 | 3,2 | 13 | 3,2 | 3,7 | 3,7 | 3,1 |
| Теплопроводность l Вт/(м Ч К) | 159 | 160 | 220 | 400 | 145 | 185 | 1,38 | 1,2 | 1,67 | 1,3 |
| ТКЛР a , 10-6 К-1 | 11,4 | 2,5 | 23,9 | 16,5 | 5 | 2,5 | 0,55 | 0,15 | 0,05 | 0,03 |
| a / l , 10-8 м/Вт | 7,2 | 1,6 | 11 | 4,1 | 3,5 | 1,4 | 40 | 12,5 | 3 | 2,3 |
Решающим аргументом в пользу нетрадиционных материалов является принципиально более высокая удельная жесткость последних. Бериллий, карбид кремния, кремний превосходят ТОМ по этому параметру в 2-5 раз.
Особенно следует отметить карбид кремния, который сочетает удельную жесткость бериллия с температурной стабильностью лучших сверхнизкорасширяющихся материалов, что позволяет создавать из этого материала зеркала с качественно новыми служебными свойствами.
В интересах создания легких жестких опорных конструкций большое внимание уделяется композиционным материалам (КМ) различной природы. Так, на основе углерод-алюминиевых КМ созданы опорные конструкции для зеркал из кремния и карбида кремния, согласованные с последними по ТКЛР. Разработанные математические модели описания свойств волокнистых КМ с учетом неупругого поведения компонент позволяют эффективно управлять состоянием этих материалов с целью обеспечения максимальной размерной стабильности.
В отличие от ТОМ, которые являются аморфными, однородными, относительно твердыми материалами, нетрадиционные материалы вследствие особенностей структуры, физических и химических свойств не во всех случаях дают возможность получения оптических поверхностей с требуемой шероховатостью при их непосредственной обработке. Кроме того, например, в случае использования бериллия вообще нежелательна непосредственная оптическая обработка из-за очень больших трудностей обеспечения экологической безопасности работающих и окружающего пространства. Для преодоления этих трудностей широко и плодотворно применяются конструкционные покрытия, представляющие собой слой инородного материала, соединяемый с основой зеркала и подвергающийся оптической обработке, толщина которого, как правило, 0,5?5 мм.
Различные технологии дают возможность получать в качестве конструкционных покрытий медь, никель, кремний, бериллий и другие материалы. В ГОИ разработана уникальная технология создания металлических зеркал с использованием конструкционных стеклянных покрытий.
Выбор стекла представляется вполне оправданным вследствие указанных выше положительных свойств последнего. Кроме того, изменяя состав стекла, можно в широком диапазоне менять температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), добиваясь его согласования с ТКЛР основы. И, наконец, применение стеклянных покрытий позволяет использовать накопленный богатый опыт оптической обработки материалов.
Технология нанесения конструкционного покрытия включает следующие основные операции:
В результате на металлическом основании образуется прочно соединенный с последним сплошной стеклянный слой. При последующей оптической обработке (шлифовке) толщина слоя уменьшается и в готовых изделиях составляет 0,5?1 мм.
В настоящее время разработаны стекла и технология нанесения покрытий на зеркала из бериллия, титана и богатых кремнием алюминиевых сплавов. Изготовлены, исследованы и испытаны зеркала размером до 1200 мм. Зеркала со стеклянным покрытием выдерживают охлаждение до температуры -60 ° С без разрушения последнего. Технические возможности позволяют наносить стеклянные покрытия на зеркала диаметром до 1500 мм.
Различное функциональное назначение зеркал (информационные, в том числе глубоко охлаждаемые, лазерные), большой набор материалов и различие их теплофизических, химических, электрических свойств, широкий спектральный диапазон - от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного - определяют необходимость разработки оригинальных конструкций и технологий нанесения отражающих и защитных оптических покрытий.
К настоящему времени разработан широкий спектр оптических покрытий, имеющих высокие коэффициенты отражения, климатическую стойкость и механическую прочность.
Для крупногабаритных информационных зеркал диаметром до 1500 мм разработаны покрытия с высокой механической прочностью, выдерживающие климатические испытания при температуре 50 ° С и влажности 98% в течение 10 суток со следующими значениями коэффициента отражения:
Разработаны, испытаны и используются отражающие и защитные покрытия для глубоко охлаждаемых зеркал из алюминия и кремния, работающие при температурах 15:20 ° С с коэффициентом отражения до 99% в спектральном диапазоне 8:16 мкм.
Для зеркал, работающих на длинах 0,308 и 1,064 мкм, разработана конструкция и технология нанесения многослойного диэлектрического покрытия на ненагреваемую подложку.
Для зеркал, работающих на длинах волн 5,1 и 10,6 мкм, разработана технология металлодиэлектирических покрытий, состоящих из слоя аморфной меди с устойчивым значением коэффициента зеркального отражения не менее 99,1%.
Зеркала с таким покрытием успешно используются в качестве резонаторных зеркал лазеров Spectra - Physics, модель 973 (США) с выходной мощностью 2 кВт в течение 1000 ч и "Хебр" (Болгария) с выходной мощностью 1,3 кВт.