СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПРИЦЕЛЬНЫХ СЕТОК МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ С ЗАПУСКОМ
METHOD OF MULTIFUNCTIONAL PRECISION OPTICAL SIGHTING GRIDS PRODUCING BY LASER ABLATION WITH START-UP

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления многофункциональных оптических прицельных сеток для оптико-электронных приборов, сочетающих в себе систему оптического и коллиматорного прицелов, в том числе имеющих разную ширину элементов топологии и высокую точность их расположения.
Многофункциональные оптические прицельные сетки представляют собой сочетание двух сеток - оптической и коллиматорной. Оптическая сетка используется для прицеливания при подсвечивании в темное время суток, а коллиматорная (светящаяся) - днем и в условиях недостаточной освещенности, когда обычная оптическая прицельная сетка большинства оптических прицелов не видна.
Топология шкал сеток может состоять из штрихов, цифр, знаков, как светлых, так и темных. Подложки сеток имеют плоскую рабочую поверхность, обратная сторона может иметь плоскую или сферическую поверхность.
Известен способ лазерной абляции для изготовления рисунков на стекле. Лазерная абляция - процесс формирования на поверхности стеклянной подложки определенной топологии рисунка на требуемую глубину. Например, в способе лазерной обработки поверхности материалов по патенту RU 2086376 осуществляется формирование на поверхности обрабатываемого материала или изделия рельефного рисунка с заданным контрастом сфокусированным пучком лазерного излучения, который перемещают по элементарным участкам поверхности. Изменение свойств каждого участка поверхности при одинаковой мощности лазерного излучения в зоне воздействия, равной диаметру фокального пятна, и изотропности свойств поверхности материала, достигается изменением длительности воздействия на данный конкретный участок или изменением скорости перемещения пучка лазерного излучения по участкам.
Такой способ не предусматривает нанесение элементов топологии на металлическом зеркальном покрытии, поэтому не может быть применен для изготовления многофункциональных сеток. Кроме того, т.к. элементы топологии не заполняются запуском, способ не обеспечивает достаточную видимость рельефного рисунка из-за рассеяния света в зависимости от угла наблюдения при использовании в оптическом приборе.
Известен способ изготовления высокоточных (прецизионных) оптических прицельных сеток, использующий фотолитографию с травлением для изготовления шкал и сеток, описанный в отраслевом стандарте ОСТ3-6209-86, «Шкалы и сетки фотографические, типовые технологические процессы получения с применением позитивных фоторезистов на основе диазосоединений».
Способ имеет следующие недостатки. Операции технологического процесса фотолитографии не позволяют получить оптическую шкалу, видимую в темное время суток, не позволяют получить рельеф на поверхности стекла под запуск и приводят к снижению класса чистоты полированных поверхностей до двух классов, ГОСТ 11141.
В настоящее время для изготовления оптических прицельных сеток используется метод фотолитографии с запуском. Фотолитография - процесс формирования на поверхности подложки топологии с помощью светочувствительного материала (фоторезиста). Запуск - вещество маскирующего покрытия, которым заполняются углубления в стекле и процесс заполнения углублений в стекле.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому - прототипом - является изобретение по патенту RU №2430391 от 27.02.2010 г., МПК G02B 27/32, G03F 7/004, «Способ изготовления прецизионных оптических шкал методом фотолитографии с запуском (варианты)», способ 3.
Способ включает следующие операции: обезжиривание, чистка, первая термообработка, нанесение фоторезиста, вторая термообработка, экспонирование, проявление, нанесение металлического покрытия, удаление защитного фоторезистивного покрытия, ретуширование защитным лаком, третья термообработка, рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и металлическое покрытия травителем в виде пасты, или жидким травителем, или в парах травителя, удаление лака, травление металлического покрытия, запуск.
Обезжиривание производят безворсовым материалом, смоченным органическим растворителем. Выполнение элементов топологии сетки производят рельефным химическим травлением стекла. Запуск маскирующего покрытия в углубления в подложке производят втиранием вещества на основе оксида цинка.
Указанный способ имеет следующие недостатки.
1. Способ предназначен для изготовления оптических сеток и не предназначен для изготовления коллиматорных сеток, поэтому не может использоваться для изготовления многофункциональных сеток.
2. Использование в качестве металлического покрытия хрома не обеспечивает высокого коэффициента отражения от сетки. Использование такой сетки не позволяет получить достаточно высокий коэффициент пропускания оптического прицела.
3. Процессы фотолитографии и химического травления занимают много времени, кроме того, необходимо изготовление фотошаблона, что делает процесс трудоемким.
4. Для травления элементов топологии сетки в способе используются потенциально вредные или токсичные вещества.
Предлагаемое изобретение направлено на получение следующих технических результатов: обеспечение изготовления многофункциональных прецизионных оптических прицельных сеток, повышение коэффициента отражения от сетки, повышение экологической безопасности процесса изготовления сеток, снижение трудоемкости изготовления оптической шкалы сетки.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. В способе изготовления многофункциональных прецизионных оптических прицельных сеток методом лазерной абляции с запуском, содержащем, как и прототип, чистку (обезжиривание) стеклянной подложки органическим растворителем, выполнение элементов топологии оптической шкалы сетки с запуском веществом на основе оксида цинка и нанесение металлического покрытия на подложку, в отличие от прототипа выполнено следующее:
- элементы топологии оптической шкалы сетки выполняют непосредственно на поверхности стеклянной подложки методом лазерной абляции с использованием фемтосекундного импульсного лазера с длиной волны излучения ближнего инфракрасного диапазона;
- металлическое покрытие на подложку, а также на элементы топологии оптической шкалы сетки наносят в световой зоне сетки после запуска элементов топологии, поправки поверхности подложки с элементами топологии сетки на полировально-доводочном или доводочном станке и чистки органическим растворителем, причем металлическое покрытие выполняют из алюминия или серебра;
- после чего на металлическом покрытии наносят элементы топологии коллиматорной шкалы сетки на глубину металлического слоя методом лазерной абляции с использованием упомянутого лазера;
- элементы топологии коллиматорной шкалы наносят после выставления положения точки фокусировки излучения лазера по реперным меткам, выполненным вне световой зоны сетки методом лазерной абляции с использованием упомянутого лазера при изготовлении элементов топологии оптической шкалы сетки.
В предлагаемом способе чистка стеклянной подложки, а также чистка полированной поверхности подложки с элементами топологии органическим растворителем предполагает их обезжиривание. В качестве растворителей может использоваться спирт, спирто-эфирная смесь и др.
-15
Указанные технические результаты достигаются всей совокупностью операций, средств и веществ. Операция нанесения элементов топологии непосредственно на поверхности стеклянной подложки методом лазерной абляции по координатам строго заданным траекториями перемещения образца обеспечивает формирование высокоточной топологии сетки под запуск. Фемтосекундный лазер, воздействующий на обрабатываемый материал лазерным излучением в виде очень коротких (1 фемтосекунда=10 секунды) сжатых импульсов, позволяет достичь высокого уровня плотности энергии. Именно использование фемтосекундных импульсов позволяет локализовать область воздействия и избежать образования сколов и трещин в области модификации стекла.
Поправка поверхности подложки с элементами топологии оптической шкалы сетки на полировально-доводочном станке обеспечивает сохранение высокого класса чистоты детали, что для оптических сеток является принципиально важным.
Чистка (обезжиривание) полированной поверхности с нанесенными элементами топологии после операции поправки повышает адгезию наносимого затем зеркального металлического покрытия из алюминия или серебра.
Нанесение металлического зеркального покрытия из алюминия или серебра с высоким коэффициентом отражения увеличивает светопропускание оптического прибора и предоставляет возможность для нанесения методом лазерной абляции на металлическом зеркальном слое элемента топологии коллиматорной шкалы без повреждения поверхности стекла, т.к. порог абляции металла ниже, чем у стекла.
Заявляемый способ демонстрируется следующим примером изготовления многофункциональной оптической прицельной сетки на полированной подложке из стекла БК10 (ГОСТ 3514-94), имеющей форму призмы. Способ функционирует следующим образом.
Полированную стеклянную подложку (грань призмы) чистят батистовыми салфетками, смоченными очищенным органическим растворителем - спиртом. В световой зоне сетки непосредственно на поверхности стеклянной подложки наносят методом лазерной абляции элементы топологии оптической шкалы сетки требуемой ширины согласно требованию чертежа с точностью позиционирования не более 4 мкм. Для обеспечения достаточной глубины штриха, необходимой для заполнения запуском, предотвращающей его отслаивание, выполняют соотношение глубины к ширине штриха 1:4.
Формирование на поверхности подложки топологии производится на технологическом комплексе высокоточной фемтосекундной модификации материалов. Комплекс состоит из твердотельного лазера, включающего лазерный излучатель на кристалле Yt:KGW и блок питания лазерного излучателя, а также высокоточного позиционера, блока управления лазером и позиционером с системой обратной связи, которая позволяет проводить процесс модификации по строго заданным траекториям перемещения образца. Излучатель имеет длину волны излучения ближнего инфракрасного диапазона - 1026 нм, длительность импульса 232 фс (FWHM), частоту следования импульсов 1 кГц, мощность 1 мВт. Фокусировка излучения осуществляется с помощью асферической линзы с фокусным расстоянием 11 мм. Рисунок сетки наносится многократным прохождением лазерного пучка по параллельным трекам, с шагом между треками, меньшим радиуса пятна лазера. При этом ширина конечной линии сетки определяется количеством треков и шагом между ними.
Система управления технологическим комплексом построена на числовом программном управлении и имеет две степени свободы по осям X и Y. Программированием работы комплекса из графического редактора AutoCAD гарантируется безошибочное нанесение элементов топологии сетки.
Так же методом лазерной абляции с помощью технологического комплекса на подложке наносят реперные метки вне световой зоны сетки, необходимые для выставления положения точки фокусировки лазерного излучения для обеспечения жестких требований к смещению элементов топологии коллиматорной шкалы относительно элементов топологии оптической шкалы сетки.
Затем производят запуск маскирующего покрытия элементов топологии оптической шкалы сетки двукратным втиранием вещества на основе оксида цинка согласно ОСТ 3-842-90 «Материалы для заполнения знаков на стекле». Проводят поправку поверхности на полировально-доводочном станке и производят чистку органическим растворителем перед нанесением алюминиевого зеркального покрытия.
В вакуумной установке наносят зеркальное алюминиевое покрытие в световой зоне сетки. Затем выставляют положение точки фокусировки лазерного излучения по реперным меткам, нанесенным вне световой зоны для выполнения требования смещения рисунка, полученного на стеклянной подложке относительно рисунка, получаемого на зеркальном алюминиевом слое.
После этого выполняют элемент топологии коллиматорной шкалы сетки методом лазерной абляции зеркального металлического слоя алюминия с использованием вышеуказанного технологического комплекса. При этом, поскольку порог абляции алюминия ниже, чем у стекла, удаление тонкого слоя алюминия производят без повреждения поверхности стекла. Процесс изготовления коллиматорной шкалы производят при следующих параметрах излучения: длина волны излучения 1026 нм, длительность импульса 232 фс (FWHM), частота следования импульсов 10 кГц, мощность 0,75 мВт.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить:
- изготовление прецизионных оптических шкал различной номенклатуры с шириной элементов топологии от 5 мкм;
- изготовление прецизионных оптических шкал с различной шириной штриха на одном рабочем поле;
- неравномерность ширины штрихов, не более 1,0 мкм;
- класс чистоты полированных поверхностей до 0-10;
- возможность получения рельефа оптической шкалы, способной быть видимой при подсветке сбоку установленными в приборе светодиодными лампами, в темное время суток.
- возможность получения светящейся (коллиматорной) прицельной шкалы, обеспечивающей прицеливание как днем, так и в условиях недостаточной освещенности.
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет изготовить многофункциональные прецизионные оптические прицельные сетки произвольной топологии, сочетающие функции оптической и коллиматорной сетки, с повышенным коэффициентом отражения сетки, с обеспечением экологической безопасности процесса изготовления и снижением трудоемкости изготовления сетки.