Способ изготовления оптических элементов из щелочно-галоидных материалов Советский патент 1992 года по МПК G02B1/02 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технологии изготовления оптических элементов (03), и может быть использовано для изготовления проходных ОЭ из щелочно-галондных материалов (ШГМ). например окон, линз и выходных зеркал, работающих з условиях воздействия мощных лазерных пучков.

Такие ЩГМ, как хлористый натрия (Nad), хлористый калий (KCI). бромистый калии (КВг) и др., нашли широкое применение для изготовления проходных ОЭ для мощных лазерных систем работающих в ИК-ди- апазоне, в том числе для С02-лазеров и комплексов (см., например, препринт; B.C. Голубев, А.Н. Кокора и В,А. Ульянов, Практические аспекты применения ИК прозрачных материалов в технологических С02-ла- зерах, в. 14, 1986, г. Троицк). Благодаря малому объемному поглощению из этих материалов изготавливают выходные окна, выходные зеркало и линзы для фокусирующих объектиаоо.

Наиболее распространенная форма ОЭ из ЩГМ - это диск, плоские или сферические грани которого оптически отполированы. При эксплуатации ОЭ устанавливают с металлическую оправу с использованием теплопроводящей прокладки, заполняющей пространство между оправой и ОЭ. В процессе эксплуатации лазерный пучек (ЛП) направлен осесимметрично в центральную

О

4

СО

2«&

зону ОЭ, причем из-за поглощения части оптической энергии ЛП в обьеме и в защитно-интерференционном покрытии в центральной зоне выделяется тепло. В основном тепло из зоны воздействия отводится ради- ально к периферии ОЭ и далее через тепло- проводящую среду и оправу к теплообменнику (охладителю). Доля тепло- съема за счет конвекции воздухом с поверхностей ОЭ незначительна. В общем случае в таком оптическом элементе возникает характерное осесимметричное распределение температуры с максимальным значением в центре, причем разница температур между периферийной и центральной зонами тем выше, чем меньше теплопроводность ЩГМ и чем ниже температура оправы.

ЩГМ имеют специфические недостатки, например малое значение теплопроводности К 6,5. 8,5 и 4,8 Вт/МК для NaCI, KCI и КВг соответственно, достаточно высокое значение коэффициента линейного расширения «(42-45) , что почти на порядок превышает значения для ИК-полу- проводниковых материалов, таких как селе- нид цинка (ZnSe). арсенид галлия (GaAs) и германий (Ge). Кроме того, ЩГМ имеют низкое значение предела упругости сгс 39, 44 и 33 кГ/см2, полупроводниковые ИК-мате- риалы имеют величины ас по крайней мере, на порядок выше.

На основании наблюдений ОЭ из KCI, работающих в условиях воздействия мощных ЛП, складывается следующее модельное представление.

В процессе эксплуатации центральная часть ОЭ при нагреве ЛП стремится расшириться, причем расширению препятствует охлажденная оправой периферийная зона, в результате чего центральная (горячая) зона по отношению к периферии испытывает напряжение сжатия. По нормали к плоскости диска горяча зона имеет возможность расширяться в большей степени, что проявляется в вспучивании. Характер деформации ОЭ из KCI своеобразен и выражается в формировании на поверхностях центральной зоны решетчатой рельефной структуры, причем направление решетки совпадает с плоскостями спайности (в форме креста с углом 90°). Величина рельефа такой решетки составляла несколько микрон и приводила к сильному искажению фронта ЛП. Возникновение аналогичной решетчатой структуры в ОЭ из KCI при поглощенной энергии более 1.1 Вт/см2 описано в статье Hldem Takahashl и др. Оптические деформации в проходной оптике под воздействием высокомощных СО2-лазеров, Appl. Opt. 1989, v 28. № 9. p. 1727-1730.

В свою очередь, периферийная кольцевая зона ОЭ со стороны центральной горячей зоны испытывает тангенциальное напряжение растяжения, в результате чего в периферийной зоне возникает трещина, которая и раскалывает ОЭ диаметрально. Изложенные модельные представления качественно согласуются с теоретической работой авторов Б.Л. Тиман и В.М. Фесенко. Термоупругие напряжения в диске, возникающие при воздействии на него сосредоточенных или цилиндрических источников

тепла. В журнале Прикладная механика. 1989, т. 25, № 4. с. 128-131. Были исследованы расколотые таким образом линзы и окна и обнаружено, что после охлаждения до нормальной температуры в центральной

зоне остается несходящаяся трещина, величина которой для некоторых образцов достигла 0.1 мм. Зная сечение ЛП (средний диаметр) и величину а можно определить, что в центральной зоне максимальная температура достигла ЮОо С. В этой зоне возникала пластическая деформация, за счет чего часть материала центральной зоны перераспределилась на поверхность в виде рельефной решетки. Изложенные отрицательные последствия при эксплуатации ОЭ из KCI можно обобщить понятие низкой термомеханической прочности.

В ряде работ повышение (7с в ЩГМ достигают за счет высокотемпературного

прессования ОЭ, что (при механизме пластической деформации) преобразует монокристаллическую структуру ЩГМ в поликристаллическую. В статье А.Д. Брош- никова и др. Проходные оптические элементы для технологических С02-лазеров, Изв. АН СССР сер. физ.. 1983, т. 47, № 8, с. 1527-1532; в статье Anderson R.H. и др. Прессование линз для ИК оптических систем, Proc. Soc. Photo-Opt. Inst. mg. 1983.

306; в статье Newman Brian E. Оптические материал для мощных лазеров. Последние достижения. Laser Focus 1982, v. 18. N2 2. p. 53-56 описаны способы горячего прессования ОЭ из KCI, KBr, NaCI, CaF2 и LIF в

ограниченном объеме.

Основными недостатками аналогов являются термодинамическая неустойчивость пол и кристаллической структуры ОЭ и возникновение внутреннего напряжения сжатия.

Известно техническое решение (прототип), (патент США № 4171400 кл. G 02 В 5/00), в котором изложен способ получения ОЭ из ЩГМ с поликристаллической структурой высокотемпературным прессованием без ограничения деформации в направлении, перпендикулярном сжатию при температуре ниже плавления, но выше 0,5 ТПл по шкале Цельсия (что, например, для KCI соответствует более 330° С).

Основным недостатком прототипа является процесс старения, т. е. возврат поли- кристаплической структуры обратно в монокристаллическую, т. е. первая оказывается термодинамически неустойчивой. Процесс старения ускоряется при нагреве ОЭ, что имеет место в условиях воздействия мощных ЛП (см., например, препринт: С.Н. Вальковский, А.В. Горбунов. В.Н. Ерофеев. Влияние примесей на свойства ЩГМ, используемых в конструкционной оптике ИК диапазона. Черноголовка, 1983).

Целью изобретения является повышение термомеханической прочности.

Указанная цель достигается тем, что по сравнению с известными способами пуансон и матрица выполнены с кольцевыми рабочими зонами, поверхности которых имеют шероховатость Rz 10-100 мкм и внутренний диаметр не менее внутреннего диаметра оправы, при этом материал пуансона и матрицы имеет коэффициент линейного расширения, по крайней мере, в 10 раз меньший коэффициент линейного расширения щелочно-галоидного кристалла, причем нагревание заготовки производят в нереакционной атмосфере до температуры Т. причем Тэ Т 0,45 Тпл, где Тэ - температура оптического элемента в центральной зоне при эксплуатации оптического элемента; Тпл. -температура плавления материала заготовки, сжатие заготовки производят на величину, равную суммарной шероховатости пуансона и матрицы, охлаждение производят с сохранением сжатия до 20-25° со скоростью не более 30 К/ч.

Для реализации предложенного технического решения производят механическую обработку заготовки из ЩГМ в размер в соответствии с требованием чертежа. Затем устанавливают заготовку в пресс-форму, в которой внутренний диаметр пуансона и матрицы не менее внутреннего диаметра оправы, а рабочие поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость Rz 10-100 мкм. Нагревают пресс-форму до температуры Тэ, которая должна быть известна заранее из расчета или физического моделирования, однако предельная температура нагрева не должна превышать 0.45 Тпл ЩГМ. из которого изготовлена заготовка. Для обеспечения установившегося температурного режима прогревают пресс-форму в течение нескольких

часов в зависимости от массы пресс-формы и заготовки, после чего сжимают ее с помощью пуансона и матрицы на величину, равную их суммарной шероховатости, т. е

на 20-200 мкм. Затем остужают пресс-форму при сохранении сжатия до нормальной температуры со скоростью остывания не более 30 К/ч.

Извлекают заготовку из пресс-формы и

производят полировку оптических поверхностей и, если необходимо, наносят защит- но-интерференционные покрытия, например термическим испарением в вакууме. Устанавливают ОЭ в оправу, используя,

например, теплопроводящий компаунд. При эксплуатации осуществляют эффективное охлаждение оправы и направляют (юстируют) ЛП осе симметрично ОЭ.

Предложенное техническое решение

имеет следующие существенные признаки новизны. Первый - пуансон и матрица выполнены с кольцевыми рабочими зонами, что определяет в дальнейшем сжатиетолько периферийной кольцевой зоны заготовки.

Второй - внутренний диаметр кольцевых рабочих зон пуансона и матрицы не менее внутреннего диаметра оправы, в которой ОЭ устанавливается и эксплуатируется. Это условие означает, что после установки в оправу периферийная кольцевая область ОЭ находится непосредственно в зоне экранирования от ЛП и дополнительно охлаждается оправой, что предотвращает релаксацию предварительно напряженного состояния

ОЭ. Третий - пуансон и матрица изготовлены из материала, коэффициент линейного расширения которого а по крайней мере в 10 раз меньше, чем а ЩГМ. Именно это условие позволяет создавать

напряжение растяжения в заготовке при остывании пресс-формы. Четвертый - рабочие кольцевые поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость Rz 10-100 мкм, что необходимо для надежной (без проскальзывания) фиксации заготовки между пуансоном и матрицей в кольцевой зоне и удержания ее в расширенном состоянии при остывании. Пятый - нагрев пресс-формы вместе с заготовкой осуществляют до

температуры Тэ, которая достигается в центральной части ОЭ при эксплуатации. Следовательно,послесоздания предварительного напряжения растяжения при нагреве ОЭ в процессе эксплуатации

(при расширении центральной зоны) происходит взаимная компенсация этих напряжений. Шестой - предельная температура нагрева пресс-формы не превышает 0,45 Тпл. (К), т. к. выше этой температуры имеет

место режим пластической деформации и напряжения формироваться не могут (в то время как в аналогах и прототипе температура горячего прессования выбиралась выше). Седьмой - сжатие заготовки в пресс-форме равно суммарной шероховатости пуансона и матрицы. Следовательно, деформация в кольцевой зоне заготовки определена только на величину шероховатости пуансона и матрицы и не преследует цель деформации обьема по сравнению с аналогами. Восьмой - охлаждение пресс- формы осуществляют до нормальной температуры с сохранением сжатия заготовки. При относительно малой величине а пуансон и матрица тем самым удерживают коль- цевую периферийную зону ОЭ в расширенном состоянии, формируя напряжение растяжения в центральной зоне. Перечисленные существенные отличительные признаки образуют новую совокупность признаков, не обнаруженную в технической и патентной литературе.

На фиг. 1 условно показан ОЭ (базовый объект), установленный в оправу и нагруженный мощным ЛП; на фиг. 2 - принцип технического решения по предлагаемому изобретению; на фиг. 3 - пресс-форма (лабораторного образца) в сборе с ОЭ из KCI, с помощью которой реализовано предложенный способ.

На фиг. 1 ОЭ 1 установлен в металлическую оправу 2 с помощью теплопроводя- щей прокладки 3, Осесимметрично и нормально к плоскости ОЭ воздействует мощный ЛП А круглого сечения с произвольным законом распределения мощности. Условно в диаметральном сечении ОЭ показан профиль распределения температуры 5, где Топ - температура ОЭ в зоне оправы, Тэ - максимальная температура в центральной части ОЭ при эксплуатации. В сечении ЛП на ОЭ (фиг. 1, а) условно показаны направления деформаций, которые приводят к возникновению решетчатого рельефа 6. На фиг. 1, б радиально направленными стрелками показаны напряжения сжатия, действующие на центральную зону при ее нагреве со стороны более холодной периферийной зоны. Дуговыми стрелками в периферийной зоне ОЭ показаны тангенциальные напряжения растяжения, возникающие при расширении центральной зоны. Дополнительно в зоне воздействия ЛП показан рельеф и топология решетчатой структуры, направления которой совпадают с плоскостями спайности кристалла (изображены осесимметричным пунктирным крестом), там же показана несходящаяся трещина 7. Рассмотренные признаки искажения оптической формы и разрушения ОЭ из KCt говорят о том, что в центральной зоне при воздействии Л П в условиях радиального сжатия при повышенной температуре Тэ происходит пластическая деформация и часть материалаперераспределяется, выдавливается на оптические поверхности в виде решетчатой структуры.

На фиг. 2 показан принцип предложен0 ного решения, где ОЭ 1 установлен в пресс- форму, состоящую из матрицы 2 и пуансона 3, имеющих одинаковые кольцевые рабочие зоны 4. Рабочие поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость Rz 10-100

5 мкм. На фиг. 2, а вертикально-встречно направленные стрелки показывают направление сжатия ОЭ по нормали к его плоскости. На фиг. 2, б показан стрелками характер растягивающих напряжений в плоскости

0 ОЭ, созданных с помощью пресс-формы после остывания до нормальной температуры. На фиг. 3 показана пресс-форма и ОЭ из KCt в сборе, с помощью которой в лабораторных условиях реализовано предло5 женное техническое решение. ОЭ 1 установлен между пуансоном 3 и матрицей 2, причем матрица является одновременно корпусом пресс-формы. Сверху корпус закрыт крышкой 4, зафиксированной винтами

0 5, образуя прочную конструкцию. Сверху осесимметрично в крышку ввинчивается силовой винт 6 диаметром 16 мм с пагом резьбы 1,5 мм, который с помощью шарового шарнира 7 создает сжатие равномерно в

5 кольцевой зоне ОЭ. Рабочие поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость RI 30-50 мкм, а внутренние диаметры их одинаковы и равны внутреннему диаметру оправы. Все детали пресс-формы изготовле0 ны из инвара марки 32НКД, имеющего коэффициент линейного расширения а - (0,8-1,0) И О 6 К 1.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

5 Были изготовлены окна из КС в виде дисков $ 40 (6-8) и 80 (12-16) мм. для которых пуансон и матрица имели внутренний диаметр 32 и 70 мм, что соответствовало внутренним диаметрам оправ. После прове0 дения размерной обработки, включая шлифовку, ОЭ устанавливались в пресс-форму в соответствии с фиг. 3. Пресс-формуустанав- ливали в термошкаф СНОЛ-3.5 и нагревали до 130-150° С в установившемся режиме в

5 течение 2 ч, после чего кратковременно на 2-3 мин извлекали пресс-форму и с помощью силового винта создавали сжатие между пуансоном и матрицей. Для этого винт вначале доводился до упора к пуансону через шаровой шарнир, а затем доворачивался на угол 20-30°, что соответствовало величине сжатия 70-100 мкм на поверхности ОЭ. Далее пресс-форму вновь устанавливали в термошкаф, закрывали дверцу и выключали его нагрев. Через 10-15 ч шкаф остывал до нормальной температуры 20- 25° С, после чего ОЭ извлекали из пресс- формы и контролировали на отсутствие повреждений, с помощью полярископа ПКС-250 контролировали качественно возникновение осесимметричных напряжений. Затем проводили процесс полировки оптических поверхностей в соответствии с требованиями чертежа по форме поверхности и оптической чистоте. Далее термическим испарением в вакууме с двух сторон на ОЭ наносили защитно-просветляющие покрытия, причем температура подложки не превышала 50° С; коэффициент пропускания окон на рабочей длине волны (10,6 мкм) составил т 99%. Затем эти окна были установлена в оправы из дюралюминия с использованием теплопроводящего компаунда, заполняющего пространство между оправой и ОЭ. Компаунд был изготовлен на основе силиконового герметика марки СБ-1 (или ВГО-1) с теплопроводящим наполнителем из порошка окиси алюминия размером 5-10 мкм.

С целью определения предельной термомеханической прочности были прооеде- 1.ы сравнительные испытания окон из KCfe fy 40 и р 80 мм, на которые были нанесены защитно-просветляющие покрытия с увеличенным (в 2-3 раза) поглощением. 3 результате суммарные потери на поглощение окон составляли (5-7) г 10 , что позволило создать тепловую нагрузку в них при воздействии ЛП не менее 3 Вт/смг. После изготовления таких окон в соответствии с базовым объектом и по предложенному способу они были по очереди испытаны во внешних трактах лазеров ТЛ- 1,5 при воздействии мм с Гауссовым распределением мощности и ТЛ-5 при воздействии ЛП с кольцевым профилем распределения мощности 55/38 мм. Окна в дюралюминиевых оправах были установлены на массивные радиаторы из алюминиевого сплава.

Окна ф 40 мм нагружались Гауссовым ЛП ступенчато нарастающей мощностью 0,4-0,5. 0,8-1,0 и 1,3-1,5 кВт с выдержкой 15-20 мин на каждом уровне. Окна, изготовленные по базовому варианту, раскалывались через 5-10 мин при мощности 0,8-1,0 кВт или через 0,5-1,0 мин при мощности 1,3-1,5 кВт. Окна, изготовленные по предложенному способу не раскалывались при

мощности 1,3-1.5 кВт при трехкратном повторении цикла испарения.

Окна 0 80 мм нагружались кольцевым ЛП с нарастанием мощности по 1 кВт от 2

до 6 кВт с выдержкой на каждом уровне 5-10 мин. Окна, изготовленные по базовому варианту, раскалывались при мощности 3-4 кВт, а окна, изготовленные по предложенному техническому решению, не разрушались при 6 кВт при трехкратном повторении цикла испытаний. Рельефная структура на поверхности окон з зоне воздействия ЛП одинаковой мощности для образцов, изготовленных по предложенному способу, была существенно меньше по сравнению с базовым объектом.

Таким образом, испытания окон из КСР, изготовленных по предложенному техническому решению, в условиях воздействия

мощных ЛП на разработанных в НИЦТЛ АН СССР технологических С02-лазерах. работающих в непрерывных режимах с предельной мощностью излучения 1,5 и 6,0 кВт показали, что по сравнению с базовым обьектом предложенное техническое решение повышает термомеханическую прочность по крайней мере в два раза.

30

Формула из о бостон и я

Способ изготовлений оптических элементов из щелочно-галоидных материалов, заключающийся в том, что производят размерную обработку заготовки, установку ее в

5 пресс-форму, содержащую пуансон и матрицу, выполненные из нереэкциончого по отношению к щелочно-галлоидным кристаллам материала, нагревание заготовки, сжатие ее в пресс-форме, охлаждение

0 заготовки, полировку оптического элемента и установку ее в теплопроводную onpasy, отличающийся тем. что, с целью повышения термомеханической прочности, пуансон и матрица выполнены с кольцевы5 ми рабочими зонами, поверхности которых имеют шероховатость R 10-100 мкм и внутренний диаметр которых не менее внутреннего диаметра оправы, при этом материал пуансона и матрицы имеет коэффициент

0 линейного расширения, по крайней мере ь 10 раз меньший коэффициента линейного расширения щелочно-галоидного кристалла, причем нагревание заготовки производят в нереакционной атмосфере до

5 температуры Т. причем Тэ Т 0.45 Т™, где Тэ - температура оптического элемента б центральной зоне при эксплуатации оптического элемента. Тпл - температура плавления материала заготовки, сжатие заготовки производят нз величину, равную суммарной шероховатости пуансона и нением сжатия до 20-25° С со скоростью не матрицы, а охлаждение производят с сохра- более 30 К/ч.

Использование: изготовление оптических элементов, работающих в условиях воздействия мощных лазерных пучков. Сущность изобретения: производят нагревание и сжатие заготовки в пресс-форме, в которой пуансон и матрица имеют кольцевые рабочие поверхности с шероховатостью RZ 10-100мхм, внутренним диаметром не менее внутреннего диаметра оправы с коэффициентом линейного расширения а , величина которого по крайней мере в 10 раз меньше, чем а применяемого ЩГМ. Предварительное осесимметрич иое напряжение растяжения о плоскости ОЭ создают за счет того, что пресс-форму в сборе с ОЭ нагревают до температуры Тэ, но мэ более 0,45 пл, сжимают ОЭ с помощью пуансона и матрицы по нормали к плоскости 03 на величину, рачную суммарной шероховатости пуансона и матрицы, и остужаю с сохранением сжатия до нормальной температуры со скоростью не более 30 К/ч, где Тэ - температура ОЭ в центральной зоне при эксплуатации, ТПл - температура плавления ЩГМ (К). 3 ил. гл чюпв

Т,

Фиг.

Риг. 2