способ изготовления металлооптических элементов

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий изготовление заготовки, механическую и термическую обработку, старение, шлифование, полирование и контроль качества оптической поверхности элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности стабилизации формы оптической поверхности при работе в условиях вакуума и криогенных температур, заготовку элемента вырезают так, что термический коэффициент линейного расширения металла в плоскости оптической поверхности изготавливаемого элемента во всех направлениях одинаков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность с термическим коэффициентом линейного расширения металла, одинаковым по всем направлениям, получают вырезанием заготовки перпендикулярно направлению проката.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность с термическим коэффициентом линейного расширения металла, одинаковым по всем направлениям, получают вырезанием заготовки из литья.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для создания металлооптических элементов различного назначения (зеркала, призмы, многогранные отражатели и т.п.), входящих в состав оптических систем, например объективов для глубокоохлаждаемых оптико-электронных приборов, или работающих при криогенных и более низких температура.

Необходимость измерения чрезвычайно малых потоков излучения требует создания охлаждаемой оптики для уменьшения теплового фона собственно оптико-электронного прибора до приемлемого уровня отношения сигнал/шум. Это, в свою очередь, предъявляет жесткие требования к искажениям волнового фронта внешнего излучения после взаимодействия с каждой конкретной поверхностью охлаждаемого металлооптического элемента системы. Любое искажение формы поверхности элемента, используемого в сочетании с другими подобными элементами в объективе, приводит к его разъюстировке и дефокусировке и, как следствие этого, к уменьшению его разрешающей способности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления металлооптических зеркал [1], заключающийся в изготовлении заготовок, механической и термической обработке, старении, шлифовке, полировке и контроля качества поверхности зеркала. Основным недостатком этого способа является низкая надежность из-за нестабильности формы оптической поверхности зеркала при работе в условиях глубокого вакуума и криогенных температур.

Целью изобретения является повышение надежности путем стабилизации формы оптической поверхности металлооптического элемента при работе в условиях вакуума и криогенных температур.

Цель достигается тем, что в способе изготовления металлооптических элементов, заключающемся в том, что изготавливают заготовку, осуществляют ее механическую и термическую обработку, старение, шлифование, полирование и контроль качества оптической поверхности элемента, заготовку элемента вырезают так, что значения термического коэффициента линейного расширения металла в плоскости оптической поверхности во всех направлениях одинаково, для этого вырезают перпендикулярно плоскости оптической поверхности изготавливаемого элемента или вырезают из отливки.

В процессе экспериментальных исследований динамики изменения формы оптической поверхности сферических и асферических металлооптических элементов, изготовленных из металлов и их сплавов, при их глубоком охлаждении, была выявлена взаимосвязь формы оптических зеркальных поверхностей, работающих в условиях вакуума и криогенных температур, от физико-химических свойств собственно металлической заготовки. Вопреки ожидаемому высококачественные сферические и асферические зеркала, изготовленные по технологическому процессу, предусматривающему весь комплекс операций старения, отжига и термообработки с качеством оптической поверхности ( _w= 0,1 ), в условиях глубокого вакуума и охлаждения повели себя аномально. Так, например, форма их оптических поверхностей ухудшилась в 10-15 раз (фиг.1, кривая 1). В результате многократно проведенных экспериментов однозначно было показано, что причина этого в анизотропии термического коэффициента линейного расширения заготовки.

Заготовку зеркала из алюминиевого сплава 1201 нарезают из прутка перпендикулярно его оси, т.е. таким образом, что направление оси будущего зеркала совпадало с направлением оси прутка. В этом случае направление анизотропии термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) сплава перпендикулярно плоскости оптической поверхности изготавливаемого зеркала. Затем осуществляют традиционные для изготовления металлооптических элементов технологические операции: выполняют токарную обработку заготовки зеркала, механическую и термическую обработки, старение, термоциклирование, шлифование, полирование. В данном случае выполняют в сочетании с несколькими циклами обработки отжиг и закаливание при различных температурах, нагрев до (535 5)^оС в течение часа и охлаждение, затем нагрев до (185-195)^оС в течение 20-36 ч с охлаждением и последующим повышением температуры до (280-290)^оС в течение 20-30 мин, охлаждением и вновь повышением температуры до (120 5)^оС, поддержанием этой температуры в течение 4-6 ч с последующим охлаждением элемента вновь до комнатной температуры. Термоциклирование будущего зеркала проводят с охлаждением до температуры жидкого азота и жидкого гелия с последующими нагревом до (80-100)^оС и охлаждением до комнатной температуры. В дальнейшем выполняют полировку зеркала, один термоцикл по описанному режиму и осуществляют контроль состояния оптической поверхности.

Контроль качества оптической поверхности сферических и асферических металлических зеркал проводился на криогенно-вакуумном стенде с помощью неравноплечного интерферометра типа Физо. Интерференционная картина формировалась при взаимодействии двух фронтов от одного источника на длине волны = 0,6328 мкм излучения, один из которых отражался от эталонной полупрозрачной поверхности, а другой - от исследуемой поверхности. Качество поверхности зеркала контролировалось в нормальных условиях вне вакуумной камеры стенда. После установки зеркала в камеру проводился повторный контроль. Это позволяло исключить появление возможных искажений поверхности зеркала при закреплении его в испытательном оборудовании и установке термометров сопротивления ТСУ-2, по результатам показаний которых определялась температура на зеркале и в камере. Влияние вакуума и охлаждения оснастки на эталонную поверхность находилось в пределах погрешностей интерферометра (0,08 ). Градиентов температуры в направлении радиусов зеркала, отстоящих друг от друга на 120^о, в пределах точности регистрации температуры (0,5^оС) в течение всего процесса охлаждения не было установлено. Достигнутые значение температуры на зеркале поддерживались стабильными с точностью 1^оС.

Оценка качества оптической поверхности зеркала проводилась по величине среднеквадратичного отклонения _W между волновыми фронтами излучения, отраженными от эталонной поверхности и поверхности исследуемого зеркала. Для исключения влияния формы и конструкции зеркала на результаты исследований все зеркала, подвергнутые контролю, были одинаковой конструкции и имели одинаковые геометрические параметры: диаметром 170 мм с радиусом кривизны отражающей поверхности 500 мм. Все технологические операции, связанные с изготовлением зеркал из алюминиевого сплава 1201, были идентичными. Это позволило проследить за влиянием метода изготовления заготовки на качество зеркала.

На фиг. 1 изображен график методов изготовления заготовки и его влияние на качество оптической поверхности зеркала при его охлаждении.

Кривая 1. Динамика изменения значений _W зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры Т (К).

Кривая 2. Динамика изменения значений _W зеркала, изготовленного из заготовки в виде прутка с изменением температуры Т (К).

Кривая 3. Динамика изменения величины астигматизма А зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры Т (К).

Кривая 4. Динамика изменения значений _{W - A} зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры Т (К).

Кривая 5. Температурная зависимость термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) алюминиевого сплава 1201.

На фиг. 2 показаны интерферограммы зеркальной поверхности металлооптических сферических элементов, изготовленных из заготовок прутка (а, б, в) и плиты (г, д, е) при температурах Т = 293 К (а, в, и г, е) и Т = 10 К (б и д).

Испытания изготовленных по предлагаемому способу металлооптических элементов с исключением всех возможных источников погрешностей методики исследований не выявило деформаций их поверхности при глубоком охлаждении и вакууме.

Действительно, сравнение среднеквадратичных отклонений волновых фронтов излучения _W (кривая 2) и значений его отклонений _{W - A} (кривая 4) за вычетом искажений формы поверхности, вносимых астигматизмом А (кривая 3) показывает, что основной вклад в искажение волнового фронта излучения, отраженного от охлаждаемого зеркала, заготовка которого вырезалась из прокатанной плиты, определяется развитием астигматизма. Астигматизм проявляется после достижения температуры на зеркале ниже 265 К и определяет около 80% величины всего искажения волнового фронта излучения при охлаждении зеркала. Для исследованных зеркал, изготовленных из плиты, при их охлаждении до минимальной в наших исследованиях температуры (10 К) величина астигматизма возрастала более, чем в 10 раз. После отогрева зеркала до нормальной температуры (293 К) величина и направление астигматизма принимали первоначальное значение и ориентацию, которые имело зеркало после изготовления. Для того, чтобы убедиться, что развитие астигматизма не вызвано условиями закрепления зеркала на испытательном оборудовании, зеркало внутри своей оправы было повернуто на 120^о и повторно охлаждено. При этом направление главной оси астигматизма также изменилось на 120^о и во всех случаях в охлажденном состоянии зеркало принимало направление, совпадающее с направлением проката материала заготовки, из которого изготавливались зеркала.

Корреляция характера изменения оптической деформации _W (кривая 2) и развития астигматизма А (кривая 3) с одной стороны и динамики искажения оптической поверхности зеркала без учета астигматизма _{W - A} (кривая 4) с другой указывает на существенный вклад астигматизма в искажение оптической поверхности зеркала. Астигматизм оптической поверхности зеркала вызывается развитием линейных деформаций материала по его направлениям, связанных с изменением температуры. Если направление проката материала, из которого изготавливается зеркало, находится в плоскости оптической поверхности, то в процессе охлаждения зеркала появляется астигматизм, обусловленный именно различием термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материала в направлениях проката и перпендикулярно этому направлению. Изменение величины астигматизма не существенно при высоких температурах: 0,1 мкм при нормальных условиях по сравнению с 2 мкм при температуре зеркала 10 К.

В этих условиях наиболее простым способом борьбы с астигматизмом, проявляющимся при охлаждении зеркал, является использование в качестве заготовки для зеркал материала с направлением проката, перпендикулярном оптической поверхности, т.е. в общем случае материала изотропного во всех направлениях (литья) или же в плоскости оптической поверхности. На фиг. 1 (кривая 1) представлены данные по динамике изменения значений _W для зеркала, заготовка которого вырезалась из прутка алюминиевого сплава 1201 перпендикулярно его оси, т.е. таким образом, что направление оси будущего зеркала совпадала с направлением оси прутка. В этом случае направление анизотропии ТКЛР сплава перпендикулярно плоскости оптической поверхности изготавливаемого зеркала. Сравнение интерферограмм, приведенных на фиг. 2, наглядно демонстрирует высокое качество (фиг.2,б) изготовленного таким образом зеркала, не изменяющегося при глубоком охлаждении, в то время как зеркало, заготовка которого вырезалась из плиты прокатанного сплава 1201, при охлаждении значительно деформировалось (фиг.2,д). Все исследованные зеркала восстанавливали свою первоначальную форму (фиг.2, а и г) зеркальной поверхности после охлаждения (фиг.2, в и е).

Таким образом, новый подход к технологии изготовления металлооптических элементов из сплавов металла позволил избежать значительных деформаций оптической поверхности элементов, проявляющихся при снижении температуры, и повысить в широком температурном диапазоне надежность использования металлооптических элементов при сохранении стабильной формы их оптической поверхности.

Предлагаемый способ изготовления металлооптических элементов по совокупности существенных признаков заявляемого технического решения позволил получить качественно новый эффект, следовательно, техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия".