Способ получения менисков из кристаллов фтористого лития Российский патент 2020 года по МПК B29D11/00 C30B33/02 C30B29/12 G02B1/02 G02B3/00 

Изобретение относится к технологии получения менисков, оболочек и заготовок линз оптических систем современных оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектров, и может быть использовано для получения выпукло-вогнутых линз из кристаллов фтористого лития.

Кристаллы фтористого лития имеют полосу пропускания от 0,105-7,0 мкм, а предел прозрачности в ультрафиолетовой области спектра является рекордным для оптических материалов.

В России в области оптических материалов был разработан и опробован промышленный способ получения заготовок сложной формы (прессования колпаков) из монокристаллов фтористого лития - высокопрозрачного в широком диапазоне длин волн излучения кристаллического материала. Основную операцию технологического процесса - прессование разогретого монокристалла осуществляют на воздухе в предварительно разогретой пресс-форме, поверхность которой посыпают измельченным графитом, на пневматическом прессе. Отпрессованный колпак выталкивателем поднимается на пресс-формой и переносится в термостат. Затем партия колпаков охлаждается. Однако, данный процесс позволяет получать заготовки с дефектной структурой из-из больших скоростей деформации при центрально-кольцевом способе нагружения и большой концентрацией и неравномерностью распределения дислокаций, а также количеством залеченных микротрещин, особенно на периферии колпака.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является технология оптических линз из монокристаллов кремния или германия, заявленная в патенте РФ №2042518, опубликованном 27.08.1995 по индексам МПК B29D 11/00, С30В 33/00, G02B 1/00. Данная технология заключается в деформировании дисков монокристаллов кремния или германия, вырезанных перпендикулярно кристаллографическим осям 3-го или 4-го порядка, которые деформируют с постоянной скоростью не более 2×10^-2 мм/с в матрице, рабочая поверхность которой образована вращением кривой, состоящей из двух сопряженных дуг окружностей с радиусами R_з и r_м, величины которых определяются из соотношений:

[(r_м+R₃)(r_м+R₃-h_max)-r_m√(r_m-R_З)²-r²]²=R²₃(r_м+R₃)²-r²R²₃,

где Rз=R-δ;

h≅h_max≅R, где R - радиус полусферического пуансона;

r - радиус исходной заготовки;

r_м - радиус плеча матрицы;

δ - толщина заготовки;

h_max - глубина матрицы;

h - заданная стрела прогиба заготовки или линзы.

Однако указанный способ не позволяет получать мениски из фтористого лития в связи с высокой пластичностью кристалла и необходимостью его специальной обработки.

Задача изобретения заключается в получении менисков и заготовок выпукло-вогнутых линз кристаллов фтористого лития высокого оптического качества путем пластической деформации.

Поставленная цель достигается способом, заключающимся в использовании дисков кристаллов фтористого лития, вырезанных из пластин, перпендикулярных кристаллографическим осям 3-го или 4-го порядка, которые деформируют в вакууме полусферическим пуансоном с радиусом R_п в изотермических условиях при температуре 680-710°С с постоянной скоростью 2-5 мм/с в матрице с радиусом рабочей поверхности R=(R_п+r_м)sin β, где r_м - радиус плеча матрицы, а β - центральный угол - половина угловой апертуры заготовки, причем стрела прогиба деформированной заготовки должна быть h≤(1-cos β)⋅(R_п+r_м), далее охлаждают до температуры 400°С со скоростью не более 5°С/мин.

Форма рабочей поверхности оснастки (матрицы и пуансона) обуславливает необходимый уровень возникающих напряжений в критическом сечении в заданном температурном интервале при неоднородной пластической деформации и исключает образование сбросов и неоднородности в материале на периферии заготовки, наличие которых может резко снижать оптическую однородность оптической детали. Также позволяет получать заготовки из блочных кристаллов, т.к. напряжения на растянутой поверхности заготовки меньше предельных напряжений сдвига блока по его границе. Регулируемое охлаждение со скоростью не более 5 град/мин позволяет снизить напряжение в материале деформированного кристалла и, как следствие, двулучепреломление в детали. Использование оснастки позволяет получать заготовки оптических деталей со стрелой прогиба меньше или равной радиусу полусферического пуансона. Проведение процесса неоднородной пластической деформации в вакууме снижает окисление поверхности кристалла и предотвращает образование дефектов структуры в заготовке.

Представленный технологический процесс разработан и опробован опытным путем.

Пример №1. Диск из кристалла LiF диаметром 90,0 мм и толщиной 6,0 мм (кристаллографической плоскостью [100]) загружали в матрицу и затем в установке собирали прессоснастку (матрица, пуансон ∅ 34 мм, надставка) для пластической деформации. Затем вакуумировали установку до 10^-3 мм. рт.ст. и нагревали со скоростью нагрева 10°С/мин до температуры 700°С. После технологической выдержки 0,1 часа деформировали со скоростью 5 мм/с на стрелу прогиба 19,0 мм. Деформированную заготовку охлаждали со скоростью 5°С/мин до температуры 400°С и далее инерционно охлаждали до комнатной температуры. После разгрузки установки заготовку механически обрабатывали на необходимые радиусы заготовки детали, а затем готового мениска или линзы.

Пример №2. Диск, полученный из пластины, ориентированной по плоскости [100] кристалла LiF, диаметром 120,0 мм толщиной 12,0 мм загружали в прессоснастку в установке для пластической деформации, которую вакуумировали до 10^-3 мм рт.ст., затем нагревали со скоростью нагрева 10°С/мин до температуры 705°С, выдерживали в изотермических условия 0,5 часа и деформировали со скоростью 4 мм/мин. Деформированную заготовку выдерживали при температуре деформирования 0,5 часа и охлаждали со скоростью 5°С/мин до температуры 400°С и далее инерционно охлаждали до комнатной температуры.

Данный технологически прием позволил получить заготовки менисков внутреннего радиуса (34±1)(49±1) мм высокого оптического качества, оптическая однородность которых на периферии подобна параметру в центральной области деформированной заготовки и в целом не ухудшает оптическую однородность кристалла.

Изобретение относится к технологии получения менисков, оболочек и заготовок линз оптических систем современных оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектров, и может быть использовано для получения выпукло-вогнутых линз из кристаллов фтористого лития. Способ заключается в изготовлении заготовок путем пластической деформации дисков кристаллов фтористого лития, вырезанных из пластин, перпендикулярных кристаллографическим осям 3-го или 4-го порядка, при этом пластическую деформацию осуществляют в вакууме полусферическим пуансоном с радиусом R_п в изотермических условиях при температуре 680-710°С с постоянной скоростью 2-5 мм/с в матрице с радиусом рабочей поверхности R=(R_п+r_м)sin β, где R_п - радиус пуансона, r_м - радиус плеча матрицы, а β - центральный угол - половина угловой апертуры заготовки, до стрелы прогиба h≤(1-cos β)⋅(R_п+r_м), далее охлаждают до температуры 400°С со скоростью не более 5°С/мин. Технический результат - получение менисков из кристаллов фтористого лития высокого оптического качества. 2 пр.

Способ получения менисков из кристаллов фтористого лития, включающий изготовление заготовок путем пластической деформации дисков кристаллов фтористого лития, вырезанных из пластин, перпендикулярных кристаллографическим осям 3-го или 4-го порядка, при этом пластическую деформацию осуществляют в вакууме полусферическим пуансоном с радиусом R_п в изотермических условиях при температуре 680-710°С с постоянной скоростью 2-5 мм/с в матрице с радиусом рабочей поверхности R=(R_п+r_м)sin β, где R_п - радиус пуансона, r_м - радиус плеча матрицы, а β - центральный угол - половина угловой апертуры заготовки, до стрелы прогиба h≤(1-cos β)⋅(R_п+r_м), далее охлаждают до температуры 400°С со скоростью не более 5°С/мин.