Зеркало и способ его изготовления
MIRROR AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области оптического машиностроения, а более конкретно - к области изготовления оптических зеркал, и может быть использовано в области лазерной техники, оптоэлектроники, информационной и силовой оптики, в системах оптической локации и поиска.
Для получения высококачественных изображений в широком диапазоне рабочих температур и термических воздействий с обеспечением высоких требований к массогабаритным параметрам, зеркало должно обладать высокой удельной жесткостью, теплопроводностью, низким коэффициентом температурного расширения (КТР) и высокой степенью отражения в требуемом интервале длин волн. Поэтому конструкция эффективных зеркал предусматривает формирование тонкого отражающего слоя, с требуемой степенью отражения в заданном спектральном диапазоне. Отражающий слой наносится на поверхность подложки, изготовленной из материала с высокой удельной жесткостью, высокой теплопроводностью и малым КТР. Однако не всегда качество поверхности материала подложки соответствует качеству, требуемому для нанесения зеркального покрытия. Для сопряжения отражающего слоя с подложкой между ними формируется разделительный слой, который должен обеспечивать, после оптической обработки, высокие требования к качеству оптической поверхности.
Известны зеркала и способы их изготовления (а.с. СССР SU 1452804 А1, кл. С 03, 27/02, 27/06, опубл. 23.01.1989 г.), где для обеспечения требуемого качества поверхности подложек зеркал, даже из материала, не совсем подходящего для оптической обработки, перед нанесением отражающего слоя наносят на поверхность подложки разделительный слой из материала, обеспечивающего после его обработки высокое оптическое качество поверхности. Такими материалами являются, например, стекла (патент РФ №2522448 кл. G02B 5/08, опубл. 10.07.2014 г.), кристаллы, а также кремний, широко используемый при изготовлении зеркал в качестве материала с высоким оптическим качеством поверхности после обработки, а также в микроэлектронике.
Недостатками этих способов являются сложности их реализации, связанные с формированием разделительного слоя на основе веществ, отличных по физико-химическим параметрам от материала подложки, созданием таких специальных и трудоемких условий процесса, как высокие температуры и глубокий вакуум, необходимостью приготовления сложных композиций веществ. Кроме того, они не учитывают изменения плотности веществ (в частности, кремния) при их переходе в другие агрегатные состояния.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является зеркало, описанное в патенте РФ №2403595 (кл. G02B 5/08, опубл. 27.03.2010 г.). Данный аналог выбран в качестве прототипа заявляемой группе изобретений - устройству и способу его изготовления, образующих единый изобретательский замысел. Известное зеркало включает подложку, выполненную из углеродосодержащего композиционного материала, разделительный слой, состоящий из композиционного материала - карбида кремния и кремния, а также отражающий слой.
Способ изготовления зеркала включает операцию создания разделительного слоя на подложке, выполненной из углеродсодержащего композиционного материала путем помещения на поверхность подложки пористой углеволокнистой заготовки, пропитки ее жидким кремнием и образования в результате взаимодействия углеродных волокон с жидким кремнием разделительного слоя. Разделительный слой содержит композицию веществ (кремний и карбид кремния). После обработки разделительного слоя наносится отражающий слой.
Недостатками данного зеркала является недостаточно высокая удельная жесткость разделительного слоя и его низкая теплопроводность. Это связано с достаточно большой толщиной слоя (несколько миллиметров), что является результатом используемой технологии его нанесения. Кроме того, изготовление разделительного слоя довольно сложно, трудоемко и требует длительного времени, в связи со сложностью изготовления пористой углеволокнистой заготовки и пропитки ее жидким кремнием.
При получении подложки зеркала из современных материалов не избежать недостатков, связанных с неоднородностью поверхности (шероховатость, отклонение формы поверхности и др.), характерных для материала подложки. Исправление этих недостатков практически невозможно в связи с неоднородным композиционным составом материала и различной твердостью его компонент. Для их исправления на подложку, перед нанесением отражающего слоя, наносят разделительный слой, который обрабатывают до получения оптической поверхности с требуемыми параметрами. В случае технических решений, предложенных в прототипе, разделительный слой формируется при взаимодействии сетки из углеродных волокон, помещаемых на поверхность подложки и заливаемых жидким кремнием. Эта операция трудоемкая, затратная и технологически сложная. Она проводится в вакуумной высокотемпературной печи (более 1500°С) и ее реализация требует достаточно много времени, материальных и технических ресурсов. Получаемый в результате разделительный слой содержит в своем составе композицию веществ (кремний и карбид кремния), что отрицательно сказывается на возможности прецизионной оптической обработки поверхности. Кроме этого, при переходе из жидкой фазы в твердую кремний существенно изменяет свою плотность, что неизбежно приводит к возникновению внутренних напряжений в создаваемом разделительном слое. Толщина разделительного слоя, выполненного по технологии, предложенной в прототипе, составляет не менее единиц миллиметра, что снижает параметры создаваемого зеркала по величине удельной жесткости и теплоемкости по отношению к материалу подложки.
Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик зеркала в сочетании с существенным упрощением технологии его изготовления.
Поставленная задача решается за счет того, что на подложку зеркала из углеродосодержащего композиционного материала наносится тонкий (несколько микрометров) разделительный слой чистого кремния, образованного в результате фотохимической реакции.
Способ изготовления такого зеркала включает в себя получение подложки из углеродсодержащего композиционного материала, формирование на ее поверхности разделительного слоя, последующую его оптическую обработку и нанесение отражающего слоя. При этом разделительный слой формируют путем обеспечения контакта подложки со светочувствительным веществом, содержащим кремний и облучения его УФ-излучением, что приводит к фотохимической реакции, в результате которой на поверхности подложки образуется слой из чистого кремния.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на которой изображен поперечный разрез зеркала.
Зеркало представляет собой трехслойную конструкцию, включающую в себя отражающий слой 1, разделительный слой из чистого кремния 2 и подложку из углеродсодержащего композиционного материала 3.
Выбор кремния в качестве материала разделительного слоя обусловлен несколькими причинами.
Кремний имеет высокую адгезию к поверхности подложки. Это связано с тем, что в структуру углеродосодержащего композиционного материала подложки также входит кремний, который обеспечивает прочное закрепление разделительного слоя на подложке.
Однородность материала - кремния в разделительном слое обеспечивает низкий КТР разделительного слоя, который практически равен КТР подложки. Это обеспечивает малый уровень термических напряжений между подложкой и разделительным слоем при изменении температуры в процессе эксплуатации зеркала. Кроме этого, толщина разделительного слоя кремния может быть очень небольшой (1-10 мкм), что соответствует величине неоднородностей поверхности (шероховатость, отклонение формы поверхности и др.), характерных для материала подложки. В дополнение к этому, минимизация толщины разделительного слоя, по сравнению с реализуемой в прототипе (единицы мм), приводит к улучшению эксплуатационных свойств зеркала. Это связано с тем, что в прототипе происходит известное явление изменения объема кремния (до 7%) при его переходе из жидкой фазы в твердую, в результате чего в разделительном слое возникают существенные напряжения, ухудшающие качество создаваемого зеркала.
Кремний является материалом, широко применяемым в оптическом приборостроении и микроэлектронике. Технология обработки поверхности деталей из кремния отработана для получения оптических поверхностей с предельно высокими параметрами по качеству поверхности.
Разделительный слой, выполненный из чистого кремния, обеспечивает низкое КТР разделительного слоя и минимизирует его толщину, что достигается за счет использования технологического приема - обеспечения контакта подложки с светочувствительным веществом, содержащим кремний, облучения его УФ-излучением, приводящим к фотохимической реакции с нанесением на поверхность подложки разделительного слоя, состоящего из чистого кремния.
Реализация такого приема при изготовлении зеркала оказывается очень технологичной, т.к. позволяет получать разделительный слой практически при комнатной температуре, различной толщины и на подложках с разной геометрической формой поверхности.
Отражающий слой наносится на поверхность полированного до зеркального состояния разделительного слоя.
Как известно, фотохимические реакции - это химические реакции, которые инициируются воздействием света. В основном, фотохимические реакции проходят при воздействии УФ-излучения. В нашем случае в качестве светочувствительных веществ, содержащих кремний, используются галогениды кремния, например, такие как хлорид кремния, бромид кремния. Фотохимические реакции в этих соединениях при воздействии УФ-излучения приведены ниже:
.
Пример реализации предлагаемого технического решения
Зеркало диаметром 60 мм и высотой 7 мм изготавливают следующим образом. Приготовляют шихту, состоящую из алмаза с размером зерен 100-80 мкм (59 мас. %), алмаза с размером зерен 20-14 мкм (39 мас. %), фенолформальдегидной смолы (2 мас. %). Шихту прессуют в виде диска диаметром 60 мм и высотой 6 мм при давлении 100 МПа. После прессования заготовку термически обрабатывают при 160°C в течение двух часов для отверждения смолы. Полученную заготовку пропитывают жидким кремнием при 1600°C. После удаления с поверхности излишков кремния пескоструйной обработкой получают подложку зеркала. Полученная подложка сформирована из алмазосодержащего композиционного материала. Полученная подложка имеет щероховатость поверхности (Rz) около 8 мкм.
2
Для получения разделительного слоя кремния полученную подложку помещают в атмосферу инертного газа (аргон или другой) с содержанием кислорода и воды меньше 1 ppm для каждого компонента. Поверхность подложки, предназначенную для образования зеркала, приводят в контакт со светочувствительным веществом, содержащим кремний (в нашем случае хлорид кремния). Освещают место контакта УФ-излучением с длиной волны 100-350 нм и плотностью мощности 1-15 мВт/см. В результате взаимодействия светочувствительного вещества, содержащего кремний, и УФ-излучения происходит фотохимическая реакция, приводящая к нанесению на поверхность подложки разделительного слоя кремния. Температура подложки в процессе осаждения кремния составляет 1-140°C (в нашем случае 5°C), в зависимости от вида галогенида кремния. В случае проведения фотохимической реакции при температуре выше точки кипения кремнийсодержащего вещества реакцию проводят в его газообразном агрегатном состоянии.
После нанесения слоя кремния толщиной 10 мкм проводят оптическую полировку поверхности разделительного слоя и наносят отражающий слой, например, из серебра.