碳化硅镜面的光学加工工艺
作者:管理员    发布于:2018-11-18 18:00:27    文字:【】【】【
摘要:碳化硅镜面的光学加工工艺
碳化硅镜面的光学加工工艺

碳化硅材料由于其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数、耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性及热性能与机械性能的各向同性等一系列优良的物理性质,受到越来越多的重视。碳化硅介质的光学镜面也越来越广泛的应用于空间光学系统和激光元器件中。一般认为,当碳化硅介质的表面粗糙度的均方根值小于工作波长的—在可见红外区内一般为,面形精度均方根值达到光学加工要求,就认为该表面为碳化硅光学镜面。碳化硅作为光学材料的研究大约开始于世纪年代,月。目前,碳化硅材料的制造技术已经比较成熟,但是由于其光学加工非常困难,因此,碳化硅光学表面的光学加工技术仅被美国、俄罗斯等国家所掌握。

碳化硅材料特性
碳化硅是一种具有较低的密度和热膨胀系数、高的弹性模量和热导率的材料。表列出了碳化硅材料与其他常用光学材料的主要物理性质。从表可以看出,的密度户,比刚度户,弹性模量,热膨胀系数。和热导率等主要物理性质均优于其它光学材料,这说明碳化硅材料与其他材料相比具有非常明显的优势。有关资料表明碳化硅质反射镜与微晶玻璃镜体相比,其轻量化程度大于,重量减轻近一半,面形变化比微晶玻璃小倍,且可进一步进行优化,叼。目前,国际上用于制造碳化硅光学元件方法主要有种热等静压技术,、化学气相沉积技术,和反应烧结制造技术。其中,和技术,被广泛应用于制造激光器件中的碳化硅光学元件而技术和技术应用于空间光学系统轻型碳化硅质反射镜镜体的制造。

光学加工
碳化硅光学元件的镜坯制造成型后,就进人光学加工阶段。光学加工过程一般分为粗磨、细磨和抛光个阶段。但由于那些在激光晶体上用化学气相沉积技术外延生长的碳化硅薄膜的厚度极小,只有微米级,其面形由基底面形决定,因此并不需要进行粗磨和细磨,只需要进行抛光。

粗磨
镜坯成型后,其光学面的光学加工余量很大且其粗糙度极大,因此首先需要进行粗磨光学加工。粗磨方法有两种,一种是通过金刚石车床进行光学加工另一种是研磨法。用金刚石车床进行粗磨具有速度快的优点,但由于光学加工过程中产生的应力很大,金刚石刀头会在光学面上留下较深的划痕和破坏层〕。这些划痕和破坏层为细磨和抛光带来较大的困难,所以这种方法较少采用。在采用研磨法时,磨具一般采用铸铁盘或碳化硅盘。铸铁盘在制造方面比较容易,但由于其硬度为一比碳化硅的硬度的。硬度为要小,其面形在光学加工过程中会随粗磨磨料一般是采用粒径在。拜试之间的碳化硅粉或碳化硼粉。两者主要差别在于碳化硅粉价格便宜,但硬度差,光学加工效率低而碳化硼粉价格较贵,但硬度高,光学加工效率高。粗磨前,先将磨料与水按质量比,混合调匀,在研磨过程中不断的将调好的磨料加人磨具与工件之间,并以一定的压力和相对运动速度进行研磨。在理想状态下,研磨的效率与研磨压力和相对速度成正比。但是,在实际操过程中压力过大会造成磨料的磨粒被压碎,反而使效率降低当相对速度过大时,会使磨料被甩离磨具,同样造成效率下。粗磨后,工件光学面面形精度的均方根值,应低于拌。细磨为了进一步提高面形精度,降低表面粗糙度,并去除粗磨阶段产生的下表面破坏层,粗磨后还要对碳化硅镜体的光学面进行细磨。细磨阶段一般采用研磨法。磨具沿用粗磨阶段磨具,磨料一般选用粒径在一。拌之间的碳化硼粉或金刚石微粉。虽然用碳化硼粉研磨的效率要低于金刚石微粉,但是它产生的下表面破坏层较浅且价格远比金刚石微粉便宜,因此被广泛采用。与粗磨相似,细磨过程中的压力与相对速度也不宜过大。但是由于细磨阶段磨具与工件之间接触更紧密,接触面积变大,因此压力与速度可以比粗磨阶段相应加大。细磨后,工件光学面的面形精度均方根值应低于产,粗糙度均方根值小于.

抛光
为了使面形精度达到要求,最大程度降低表面粗糙度,并去除细磨阶段产生的下表面破坏层,以形成良好的光学表面,必须对工件进行抛光。目前,普遍采用的对碳化硅光学表面抛光的方法有古典抛光法和计算机控制光学成形法,前者一般应用于平面和中小口径。球面碳化硅工件的抛光而后者则应用于非球面和大口径球面的抛光。无论使用哪种方法对碳化硅工件进行抛光,其去除量都符合表面材料去除的数学模型方程一川一其中为磨具与工件接触区域单位时间内的材料去除量为磨具与工件间的相对压力为磨具与工件间的相对运动速度为参数。由此可以看出压力与相对运动速度是影响抛光效率的主要因素。在抛光阶段的初期,宜于采用较大的压力和较高的速度,以提高抛光效率当细磨阶段的下表面破坏层被完全去除后,就应当逐渐降低压力与速度,以便于更好的控制面形精度。同时,也有利于降低工件的表面粗糙度。参数岛是与工件材料、磨具材料和光学加工温度等因素相关的常数,一般认为它的理论值与工件材料的氏模量成反比。抛光盘的材料一般有种聚氨醋和沥青。聚氨酷抛光盘硬度较高,去除率较好,但与工件接触不密合,去除不是很均匀,而且光学加工后工件表面粗糙度不理想,因此多在抛光初期采用沥青抛光盘硬度低,去除率也相应较低,但与工件接触密合,去除均匀,光学加工后工件表面粗糙度低,多在抛光的最后阶段采用。常用的抛光剂有金刚石微粉和金刚石研磨膏。金刚石研磨膏中的油质载体会与沥青反应,造成沥青硬化,因此多与聚氨醋抛光盘共同使用。金刚石微粉则没有这个限制。抛光完成后,碳化硅工件的最佳表面粗糙度与其材料的制备方法有关。化学气相沉积制备的碳化硅的表面粗糙度均方根值可以达到。,而反应烧结制备的碳化硅为一总之,各国研究人员在碳化硅材料的光学加工方面已经进行了许多探索,但是还存在很多问题。光学加工中的问题大多存在于大口径碳化硅光学镜面的光学加工和碳化硅薄膜的抛光中。在大口径碳化硅光学镜面的光学加工中,由于镜体材料大多是反应烧结制备的碳化硅,其光学加工完成后表面粗糙度比较大,一般在左右。解决方法主要是对镜体的光学面进行表面改性。美国公司采用在抛光后的。口径反应烧结制备的碳化硅反射镜光学面上镀。的硅膜,然后再对硅膜进行抛光,使表面粗糙度均方根值下降到〕美国公司采用的是在口径反应烧结法制备的碳化硅反射镜光学面上用化学气相沉积法生长厚的,然后对这层膜抛光,使表面粗糙度均方根值达到川。在碳化硅薄膜的抛光过程中,由于薄膜厚度极薄一拜,而基底又多为激光晶体,极易破损,又易溶于水,因此用传统的抛光方法进行抛光困难很多,但是,解决办法也不多。目前有报道的只有美国的公司进行了离子束抛光的试验。

碳化硅反射镜
随着空间应用技术的迅猛发展,对空间光学系统提出了更高的要求,对系统本身光学镜面的要求也越来越高。为了保证反射镜在工作条件下和光学加工、检测过程中结构的稳定性,并考虑到空间光学系统对反射镜轻量化的求,对反射镜材料提出了一系列物理指标低密度、高弹性模量、低热膨胀系数、无热应力、高热导率热性能与机械性能的各向同性咖传统材料已经不能满足这些要求,而碳化硅材料恰好满足了这些要求。所以,世界各航天大国的研究者均将其列为空间光学遥感器优选的反射镜材料,并在碳化硅反射镜的光学加工方面进行了大量研究。目前,碳化硅反射镜镜坯的制造技术已经比较成熟,但是由于其光学加工难度很大,其光学加工技术仅被美、俄罗斯等航天大国所掌握,一。碳化硅介质反射镜光学加工的研究是从世纪年代开始的,而应用发展研究最快的是在年以后,这些研究主要集中在美国和俄罗斯个国家。近年来,他们已经光学加工了许多拟量级的大型反射镜。并且美国将碳化硅介质反射镜作为下一代空间望远镜的首选方案,正在加紧研究制备工作。

美国
美国在各种碳化硅质反射镜制备技术和光学加工技术方面均进行了深人的研究并取得了惊人的成绩。已经实现了碳化硅平面光学反射镜的产品化。

俄罗斯
俄罗斯的研究主要集中在空间光学研究院,该院制造的碳化硅晶面直接抛光达到一的表面粗糙度均方根值及几的面形精度均方根值。
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脚注信息
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