Brevet FR2552554A1 — publié le 19850329

Miroirs pour faisceaux lumineux, notamment les faisceaux asers de puissance. Les applications industrielles des lasers font usage de rîroirs plans et de miroirs paraboliques hors-axe Par rapport aux lentilles, ces miroirs présentent l'avantage d'être parfaitement achromatiques et de focaliser parfaitement, ponctuellement, tout faisceau lumineux tombant sur le miroir parallèlement à l'axe du paraboloide La figure 1 rappelle que le miroir parabolique hors-axe 1 défléchit et focalise le faisceau lumineux 2 incident parallèlement à l'axe 3 du parabololde 4; les rayons réfléchis convergent au foyer F du paraboloide. Toute l'énergie reçue par le miroir n'est pas réfléchie par ce miroir: une partie de l'énergie incidente est absorbée et doit tre transmise, évacuée à travers le substrat du miroir 5 i la conductivité thermique de ce substrat est insuffisante, des gradients thermiques s'établissent dans le miroir et le déforment Les miroirs utilisés habituellement 15 pour des faisceaux lumineux peu intenses, constitués de silice ou de verres à coefficients de dil&tation thermique faibles, ne peuvent être utilisés ici: les contraintes induites par le faisceau lumineux intense les feraient exploser Pour les applications des lasers de puissance, les miroirs utilisés actuellement sont constitués soit de cuivre, 20 soit d'acier, soit encore de molybdène Le cuivre a l'avantage d'être excellent conducteur thermique mais présente l'inconvénient d' être trop facilement rayable L'acier est assez dur mais conduit mal la chaleur Le molybdène offre actuellement le meilleur compromis entre les nécessaires conduction thermique et dureté élevées. 25 La présente invention, telle qu'elle est caractérisée dans les revendications, est un excellent compromis entre la dureté superficielle du miroir et la transmission de la chaleur à travers le miroir Le gain résulte de l'emploi du graphite pour matériau du substrat sur lequel 30 est déposé quelques centaines de microns d'6 paisseur de mltal; ce métal peut être du tungstène, du molybdène, du rhénium ou du rhodium; ces métaux déposés soit par électrolyse, soit par décomposition d'une phase vapeur ( vapodéposition) sont extrêmement purs, donc meilleurs conducteurs thermiques que les mêmes métaux tels que les fournisseurs 35 les proposent à l'état massif, sous forme de barres; ces métaux -2 vapodéposés présentent aussi l'avantage d'être exempts de cavités, fissures, retassures Ces qualités métallurgiques des métaux déposés font que la qualité optique de la surface n'est jamais imnitée par le matériau, mais par la qualité de son usinage. Le graphite garantit la meilleure stabilité à long terme de la forme du miroir, la meilleure conservation de la qualité optique dans les conditions d'emploi sévères de ces miroirs, les déformations étant réduites à la fois par la faiblesse des gradients thermiques qui se 10 créent au sein du miroir ( bonne conductivité thermique) et par la faiblesse du coefficient de dilatation thermique par ailleurs, l'ensemble graphite-tungstène vapodéposé ( avec une couche intermédiaire de rhénium de cinq microns d'épaisseur pour barrer la diffusion du carbone dans le tungstène) résiste remarquablement bien à la 15 fatigue thermique comme l'ont prouvé les anticathodes de rayons X capables de résister à plusieurs millions de chocs thermiques induisant des gradients de l'ordre de 3000/cm Comme pour tous les autres miroirs, la surface peut être dorée ( le coefficient réflecteur de l'or atteignant 98 %), voire revêtue d'une couche diélectrique amenant le 20 coefficient réflecteur à une valeur très proche de l'unité. Les optiques pour rayons X constituent un autre type de miroir susceptible d'un certain développement Le point important ici est la très haute qualité de la surface du miroir: le critère de Rayleigh impose 25 une tolérance d'usinage de l'ordre du centième de micron Pour les télescopes mis en orbite autour de la Terre, la stabilité dimensionnelle à long terme est une nécessité; la masse totale du miroir est un autre souci majeur; la surface du miroir doit être un métal de numéro atomique élevé La solution actuelle est l'aluminium doré. Là encore, le graphite recouvert de tungstène ou de rhénium apparaît comme une possibilité offrant une qualité largement supérieure à celle de la solution actuelle sur le double plan de la légèreté et de la stabilité dimensionnelle. Au total, les miroirs ici décrits se distinguent par une qualité supérieure et une consommation de métal importé réduite au strict minimum ( 20 fois moins de métal employé que pour un miroir habituel). -3 L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode d'exécution,en prenant l'exemple non limitatif du miroir parabolique déjà explicité et représenté sur la figure 1. La fabrication de ce miroir se décompose en cinq phases: 1 réalisation d'un substrat en graphite; la forme de la surface finale du miroir est ébauchée; la face arrière du miroir, avec les trous taraudés (système Hélicoil) pour la fixation de ce miroir est 10 achevée. 2 déposition du métal (ou des métaux). 3 reprise de la surface du métal à l'outil (rectification mécanique). 4 finition électrolytique de la surface de ce métal. revêtement superficiel final (dorure). 15 Les phases 1, 2, et 5 ne posent aucun problème particulier: la vapodéposition des métaux est bien connue; le dépôt électrolytique est également très bien connu Le seul point à souligner est le choix du graphite; celui-ci doit avoir un coefficient de dilatation thermique 20 très voisin de celui du métal vapodéposé Pour le molybdène ou le tungstène, une nuance de graphite qui convient très bien est le " 5890 " ou " 1116 " de "Carbone Lorraine" ou encore la nuance FE 9 E de SCHUNK-EBE La façon classique de réaliser les miroirs paraboliques hors-axe ( 90 de déflexion) est représentée-sur la figure 2: on usine simultanément une série de miroirs solidarisés sur la couronne 5 et montée sur le mandrin du tour, dont l'axe sera l'axe 3 du paraboloide 4 Il faut utiliser une machine de haute qualité pour réaliser des miroirs acceptables, la tolérance d'usinage étant de l'ordre de 1 micromètre 30 ( 4 micromètres pour satisfaire le critère de Rayleigh avec un faisceau laser C 02; 0,1 micromètre en lumière visible) Cette méthode est ici d'autant plus utilisable que le matériau vapodéposé est très pur, donc plus ductile, mieux usinable que le matériau massif habituel. Une autre façon de procéder consiste à finir le miroir grâce à une usinage électrolytique par jets avec un courant d'électrolyse asservi. La surface finale du miroir ainsi obtenu présente une microrugosité exceptionnellement faible (quelques nanomètres d'amplitude) Mais un autre avantage essentiel de cette méthode est que ce type spécial d'usinage électrolytique autorise une profondeur d'usinage variable contin Oment de point en point de la surface usinée L'ébauche du miroir peut donc avoir une forme légèrement différente de celle finalement recherchée On peut choisir n'importe quelle surface d'ébauche; mais la surface qui présente, au centre E du miroir, les mêmes rayons de courbure principaux que ceux de la surface finale a le mérite de nécessiter les plus faibles retouches Pour le cas particulier pris en exemple, cette surface d'ébauche remarquable est le tore dont l'axe est confondu avec l'axe du paraboloide et dont le cercle générateur est confondu avec le cercle osculateur de la parabole génératrice, cercle osculateur 7 pris au point central E du miroir. Cette nouvelle méthode d'usinage, tout à fait générale pour tous les 15 métaux et les semi-conducteurs, permet de réaliser des surfaces asphériques de qualité excellente, pour un prix de revient particulièrement intéressant, notamment parce qu'un déplacement de haute précision est supprim: la profondeur d'usinage est variable contin Oment par simple variation de l'intensité du courant d'électrolyse ou par variation des 20 vitesses de balayage du jet d'électrolyte sur la surface usinée Un autre atout de ce type d'usinage est l'absence de contrainte appliquée: la seule contrainte appliquée est l'impact du jet d'électrolyte sur l'objet usiné; or la pression de l'électrolyte est quelques centaines de millibars; le diamètre du jet étant situé typiquement entre quel25 ques dixièmes de millimètres et quelques millimètres, l'impact du jet n'engendre qu'une force infime, qui peut être quasi totalement annulée par l'emploi de jets diamétralement opposés L'absence de réaction d'outil facilite la réalisation de mouvements purs Quant à la précision des usinages ainsi effectués, elle n'est plus limit&e ni par les 30 déformations ou les vibrations de l'objet usiné (ou de la machine d'usinage) ni par les échauffements faibles et de plus très bien contrôlables Enfin, la notion de profondeur minimale de passe n'a pas de sens avec ce type d'usinage Ces qualités exceptionnelles sont particulièrement intéressantes pour la r&alisation des optiques X selon ce 35 procédé. Revenons cependant à l'exemple ici choisi du miroir parabolique horsaxe défléchissant de 90 le rayon moyen du faisceau incident Le centre O de ce miroir est le point de la parabole 6 dont la projection sur l'axe 3 est le foyer F de la parabole 6 Dans le systeme d'axes orthonormé (X, Y, Z) d'origine S, sommet du paraboloide, et d'axe Z 2 2 confondu avec l'axe du paraboloide est: x + y = 4 a Z Les coordonnées du foyer sont ( 0, O, a) Dans le plan (Y, 5, Z) qui est celui de la figure 3, les coordonn 6 es du centre du miroir (O) et celles du centre (_) du cercle osculateur 7 en O à la parabole 6 sont respectivement ( 0, 2 a, a) pour le point O et ( 0, -2 a, 5 a) pour le point L; le cercle 8, de centre (A), a un rayon R légèrement inférieur à celui du cercle osculateur 7; ce rayon R est choisi de sorte que, en tout 10 point du miroir centr 6 en O et de diamètre D, sa distance à la para-'bole 6 excède une valeur pr 6 détermine: par exemple, la vingtaine de microns qui est la profondeur minimale de matière à enlever électrolytiquement pour éliminer la couche de métal 6 crouie par l'usinage m 6 canique Les distances A R () entre le cercle 8 et la parabole 6 15 sur des rayons faisant l'angle c avec la droite O Qse calculent aisément; à titre d'exemple, les valeurs en sont donn 6 es dans les tableaux 1, 2, et 3 pour des frontales OF respectivement égales à 50 mm, 3,5 pouces = 88,90 mm et 125 mm et des diamètres D de miroirs respectivement 6 gaux à 30, 40, et 50 mm Les r 6 sultats montrent que la distan20 ceentre la parabole g 6 N 6 ratrice et le cercle 8 varie de 2 Oum (ce qui définit le rayon R du cercle 8) à 188, 1 Vm, 146,3 Fm et 144,8 Pm pour les trois cas envisagés Pour passer du tore au pareboloide sur la portion correspondant au miroir de diamètre D, le volume de matière 3 3 à dissoudre électrolytiquement est 78,19 mm 3 109,26 mm et 166,43 mm; 25 c'est la somme des volumes bil)istés dans les tableaux 1, 2, et 3. Ces valeurs num 6 riques montrent qu'il suffit, de déposer électrolytiquement ou vapod 6 poser une couche de métal 6 paisse de 250 Cm à 300 rm. Rappelons que l'épaisseur du d 6 pôt de tungstène pour les anticathodes de rayons X est de l'ordre de 500 m et que ce dép 6 t est achev 6 en 30 4 heures par Comurhex. L'appareil qui permet la rectification m 6 canique, puis la finition électrolytique, sans d 6 montage du miroir, est shématisé sur la figure 4: le miroir seul ou la couronne de miroirs sont mobiles en rota35 tion autour de l'axe Z (broche 9): à chaque frontale OF correspond un bras porte-miroir 10 ou une couronne porte-miroirs 5 Le bras 14, porte-meule pour la rectification mécanique ou porte-outil d'usinage électrolytique, est mobile en rotation autour de l'axe X, dont la -6 position est matérialiséepar la broche 13; cette broche 13 peut être déplacéele long de l'axe 12 (T) du plan horizontal, par translation sur le bâti 11 La broche 9 est calée à 26,56 (arctg 1/2) de l'axe T; les deux axes se coupent au point F, Pour un miroir donné (longeur OF donnée: f = 2 a), la broche 13 est bridée sur le plateau 11 au point 1 tel que J o = 2 r OF, c'est-à-dire à la distance f\r du point F Le bras 14, mobile en rotation autour de l'axe X, permet aussi une translation radiale de faible amplitude de son extrémité porte-outil Cette translation assure l'avance de la meule de recti10 fication de l'ébauche du miroir Après cette rectification mécaniques, l'ébauche du miroir a la forme du tore d'axe 3 (z) et de zénératrice une portion du cercle centré enfa et de rayon R. La finition électrolytique, chargée de transformer le tore en parabo" 15 lolde, est assurée par un jet d'électrolyte véhiculant une intensité constante, i, optimisée pour le meilleur polissage électrolytique. La profondeur d'usinage t R (o) est variable en fonction de l'anglet X que fait la direction t P (P étant le point de stagnatiorn du jet d'électrolyte sur le miroir) avec l'axe O on Cette variation de pro20 fondeur d'usinage A R () est obtenue par variation du pas o ( d'avance du bras 14 autour de l'axe x: }\ la) IC Avec AR (i) est l'ensemble des valeurs tabulées (cf les tableaux 1, 2, 3) y est la distance à l'axe 3 du point d'intersection P de la parabole 25 génératrice et de la droite Q P qui fait l'angle K avec 1 a droite O On, M ast le masse atomique du métal usiné, v, la valence avec laquelle ce métal se dissout, Y, sa masse spécifique, F est le Faraday, c'est-à-dire 96500 Coulombs, k est le rendement de la réaction électrochimique de dissolution du métal; sa valeur numérique, comprise entre O et 1, est ohtenue expérimentalement pour les conditions précises de l'usinage: mrme électrolyte, même intensité, même température, 6 j est la vitesse angulaire de la broche porte-miroir 9; cette vitesse 35 angulaire est constante quand le jet d'électrolyte tombe sur le miroir; c'est-à-dire que la rotation de la broche 9 est à vitesse uniforme dans -7 le cas de la couronne de miroirs; dans le cas du miroir unique, cette vitesse angulaire est alternée, mais alors les plages d'accélération et de décélération sont situées en dehors de la zone o le jet d'électrolyte tombe sur le miroir On pourrait bien sûr obtenir la même varia5 tion de profondeur d'usinage AR(a) nécessaire pour passer du tore au paraboloide en jouant sur un ou plusieurs autres paramètres intervenant dans la formule: t, g, ( d) = t t M; par exemple, en pilotant l'intensité A(k) selon la loi de consigne: M)= R(o x R -Y e a x d o d est l'incrément angulaire en radian du bras porte-outil 14 entre 2 passages successifs du jet sur le miroir,les autres paramètres gardant la même signification qu'avant. La rugosité spécifiquement induite par l'usinage électrolytique est une 15 onde de fréquence spatiale égale au pas d'avance du jet d'électrolyte, soit P(C), et d'amplitude 0,5 P()2 x t R( 4 Jc'est pratiquement toujours le cas; Par exemple, et pour rester homogène avec l'amplitude des défauts de forme laissés par la rectification mécanique ( étape 3 du procédé) si on veut limiter la rugosité à la borne supérieure ú = 0,2 Vm, la formule précédente montre que le diamètre minimum de jet dans les 3 -6 6 -6 cas envisages à titre d'exemple est 3 x 106, 1,5 x 106 et 1,lx O 1 mm 30 pour les frontales respectives de 50 mm, 3,5 pouces et 125 mm; ces diamètres minima de jet d'électrolyte n'ont pas de sens physique; cette condition est toujours réalisée et la rugosité d'usinage électrolytique est toujours négligeable. Table 1 Profondeur d'usinage A R (c Table 2 Profondeur d'usinage AR (a) et coordonnées de la parabole génératrice ( y(K) et z(ó)) pour une distance frontale 2 a = B 8,90 mm et un miroir de diamètre D = 40 mm Le rayon R vaut 251,359 mm l C,(degrés) y (mm) J z(mm) A R (hm) -4,547 -4,092 -3,63 B -3,183 -2,728 -2,273 -1,E 19 -1,364 -0,909 -0,454 0,000 0,454 0, 909 1,364 1,819 2,273 2,728 3,183 3,638 4,092 102,482 101,169 99,846 98,514 97,172 95,819 94,457 93,084 91,700 90,305 88,9 87,483 86,054 84,615 83,163 81,700 80,224 78,736 77,236 75,723 59,069 57,565 56,070 54,484 53,107 51,639 50,180 48,732 47,294 45,866 44,45 43,044 41,650 40,268 38,898 37,541 36,197 34,867 33,551 32,250 146,2 130, E 118,3 108,5 101,0 095,6 092,0 089,7.088,5 088,1 088,0 088,0 087,5 086,3 083,9 079,9 073,8 065,3 053,7 038,8 Table 3 Profondeur d'usinage AR (') et coordonnées de la parabole g 4 nératrice ( y(o) et z(,')) pour une distance frontale 2 a = 125 mm et un miroir de diamètre D = 50 mm Le rayon R vaut 353,467 mm - Revendications 1 Miroir pour faisceau lumineux (laser de puissance, optiques notamment de rayons X) caractérisé en ce que le corps du miroir est réalisé en graphite sur lequel est déposé une couche d'un métal ou de plusieurs métaux; ce métal déposé sur le graphite peut être du 5 molybdène, du tungstène, du rhodium ou du rhénium; l'épaisseur de cette-couche de métal est typiquement 100 à 500 microns; le dépôt est effectué préférentiellement par vapodéposition, communément appelée CVD (chemical vapor deposition) par les Anglo-Saxons; le dépôt peut également être réalisé électrolytiquement Les dépfts de 10 molybdène ou de tungstène sont avantageusement effectués sur une sous-couche de faible épaisseur (typiquement 5 micromètres) de rhénium: ce métal, dans lequel le carbone est insoluble, sert de barrière de diffusion du graphite dans le métal et autorise l'emploi du miroir à température élevée ( 1 5000 centigrades par exemple) si 15 le miroir travaille en atmosphère neutre ( non oxydante), ou si le métal déposé sur toute la surface du graphite est inoxydable (rhodium). Le graphite doit avoir un coefficient de dilatation thermique aussi voisin que possible de celui du métal déposé: pour le tungstène par exemple, les nuances de graphite qui conviennent bien sont le "FE 98 " 20 de Schunk-Ebe ou le " 5890 " ou le " 1116 " de Carbone-Lorraine. 2 Machine d'usinage de la surface réfléchissante du miroir selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface est d'abord ébauchée par rectification mécanique au moyen d'une meule ou d'un 25 rodoir, puis finie au moyen d'un jet d'électrolyte avec courant d'électrolyse asservi A la rectification mécanique, il n'est pas demandé d'accomplir la forme finale du miroir: c'est une surface géométriquement précise qui est souhaitée à cette étape; cette surface précise ne peut être c 4 un plan, un cylindre, une sphère ou 30 un tore, c'est à dire une surface rodable La finition électrolytique permet de transformer cette surface rodable en une autre qui ne l'est plus 1 gr Sce à la profondeur d'usinage contin Oment variable du procédé d'usinage électrolytique par jet d'électrolyse asservi. Cet usinage électrolytique assure en outre une rugosité finale extrêmement faible et une surface dans un état métallurgique rigoureusement non écroui Le passage de la forme rodée de l'ébauche à la surface finale est effectue en contr'olant, en tout point de la surface balayée par le jet d'électrolyte, l'intensité du courant 5 d'électrolyse, la vitesse de défilement et le pas d'avance de la cathode tubulaire définissant le jet par rapport à la surface balayée par ce jet: la profondeur d'usinage variable est réalisée en modifiant tout ou partie de ces trois paramètres.