Способ изготовления оптических элементов из щелочно галоидных материалов

%3 Г 1 РИ ГК 1 ГГ СС РЕТЕНИ К ГОсудАРстОенный кОмитетГ 10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯ 1 Л ПИСАНИЕ И РСКОУУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Научно-исследовательский центр потехнологическим лазерам АН СССР(56) Брошников А.Д. и др. Проходные оптические элементы для технологических СОлазеров, - Изв. АН СССР, сер. Физика, 1983,т. 47, М 8, с. 1527 - 1532.Патент США М 4171400,кл. 6 02 В 5/00, 1981.(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Использование: изготовле 11 ие оптических. элементов, работающих в условияхвоздействия мощных лазер 11 ых пучков. Сущ 11 ость изобретения: производят нагреваниеи сжатие заготовки в пресс-форме, в которой пуансон и матрица имеют кольцевые Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к тех 11 ологии изготовления оптических элементов (03), и может быть использовано для изго 1 овления проходных ОЭ из щелочно-галоадных материалов(ШГМ), например окон, линз и выходных зеркал, работающих в условиях воздействия мощных лазерных пучков.Такие ЩГМ, как хлористый натрия (КаС 1), хлористый калий (КС), бромистый калий (КВг) и др., нашли широкое применение для изготовления проход 11 ых ОЭ для мощных лазерных систем работающих в ИК-диапазо 11 е, в том числе для С 02-лазеров и комплексов (см., например, препринт, В.С, Голубев, А.Н. Кокора и В,А, Ульянов, Г 1 ракрабочие поверхности с шероховатостью Ку = 10 - 100 мкм. внутоенним 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 осесимметричное напряжение растяжения в плоскости 03 созда 1 от за счет того, что пресс-форму в сборе с ОЭ нагревают до температуры Т но не более 0,45 Тлл, сжимают ОЭ с помощью пуансона и матрицы по нормали к плоскости ОЭ на величину, равную суммар;1 ой шероховатости пуансона и матрицы, и остужа 1 о с сохранением сжатия до нормальной температуры со скоростью не более 30 К/ч, где Т - температура ОЭ в центральной зоне при эксплуатации, Тгл - те 11 пература плавле 11 ия ЩГМ (К), 3 ил,тические аспекты применения ИК прозрачных материалов в технологических С 02-лазерах, в. 14, 1986, Г, Троицк). Благодаря малому обьемному поглоще 11 и 1 о из этих материалов изготавлива 1 от выходные окна, выходные зеркала и линзы для фокусирующих обьективоа.Наиболее распространенная форма ОЭ из ЩГМ - это диск, плоские или сферические грани которого оптически отполированы. Г 1 ри эксплуатации ОЭ устанавливают в металлическую оправу с использованием теплопроводящей прокладки, заполняющей пространство между оправой и ОЭ. В процессе эксплуатации лазерный пучек (Л П) направлен осесимметрично в центральную5 10 30 35 40 45 50 55 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 радиально 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 йаС 1, КС и КВг соответственно, достаточно высокое значение коэффициента линейного расширения а=(42 - 45) 10 К, что почти на порядок превышает значения для ИК-полупроводниковых материалов, таких как селенид цинка (7 пЗе). арсенид галлия (ОаАз) и германий(бе). Кроме того, ЩГМ имеют низкое значение предела упругости о, = 39, 44 и 33 кГ/см, полупроводниковые ИК-матегриалы имеют величины п по крайней мере, на порядок выше.На основании наблюдений ОЭ из КС 1, 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 КС 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 КС 1 при поглощенной энергии более 1,1 Вт/см описано в статье Н 1 бее 1 ТаМаЬазЫ и др. Оптические деформации в проходной оптике под воздействием высокомощных СОг-лазеров, Арр 1, Ор 1.1989, ч= 28, М 9, р. 1727-1730,В свою очередь, периферийная кольцевая зона ОЭ со стороны центральной горячей эоны 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, М 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 тем 25 пература достигла 100 о С. В этой зоне возникала пластическая деформация, эа счет чего часть материала центральной зоны перераспределилась на поверхность в виде рельефной решетки. Изложенные отрицательные последствия при эксплуатации ОЭ из КО можно обобщить понятие низкой термомеханической прочности.В ряде работ повышение ос в ЩГМ достигают за счет высокотемпературного прессования ОЭ, что (при механизме пластической деформации) преобразует моно- кристаллическую структуру ЩГМ в поликристаллическую, В статье А.Д. Брошникова и др. "Проходные оптические элементы для технологических СОг-лазеров",Изв. АН СССР сер. фиэ., 1983, т. 47, М 8, с, 1527-1532; в статье Апбегзоп В,Н. и др. "Прессование линз для ИК оптических систем", Ргос. Яос. РЬоо-Орс; пзй.а 9. 1983, 306; в статье йеютап Вг 1 ап Е, "Оптические материал для мощных лазеров, Последние достижения. " азег Еосоз" 1982, ч. 18. М 2. р. 53-56 описаны способы горячего прессования ОЭ из КО, КВг, йаС 1, СаЕг и .Е в ограниченном объеме.Основными недостатками аналогов являются термодинамическая неустойчивость поликристаллической структуры ОЭ и возникновение внутреннего напряжения сжатия,Известно техническое решение (прототип), (патент США М 4171400 кл. 6 02 В 5/00), в котором изложен способ получения ОЭ из ЩГМ с поликристаллической структу 1760486рой высокотемпературным прессованием без ограничения деформации в направлении, перпендикулярном сжатию при температуре ниже плавления, но выше 0,5 Тпл по шкале Цельсия (что, например, для ХСсоответствует более 330 С).Основным недостатком прототипа является процесс старения, т. е, возврат поли- кристаллической структуры обратно в монокристаллическую, т. е. первая оказывается термодинамически неустойчивой. Процесс старения ускоряется при нагреве ОЭ, что имеет место в условиях воздействия мощных ЛП (смнапример, 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 Я= 10-100 мкм и внутренний диаметр не менее внутреннего диаметра оправы, при этом материал пуансона и матрицы имеет коэффициент линейного расширения, по крайней мера, в 10 раз меньший коэффициент линейного расширения щелочно-галоидного кристалла, причем нагревание заготовки производят в нереакционной атмосфере до температуры Т, причем ТэТ0,45 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 механическуюобработку заготовки из ЩГМ в размер всоответствии с требованием чертежа, Затем устанавливают заготовку в пресс-форму, в которой внутренний диаметр пуансона и матрицы не менее внутреннего диаметраоправы, а рабочие поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость Я = 10-100 мкм. Нагревают пресс-форму до температуры Тэ, которая должна быть известна заранее из расчета или физическогомоделирования, 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 нескольких45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 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 защитно-интерференционкые 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 сжатие только периферийной кольцевой зоны заготовки, Второй - внутрен н ий диаметр кол ьцевых рабочих эон 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 апо крайней мере в 10 раз мекьше, 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 Я = 10 - 100 мкм, что необходимо для надежной (без проскальзывания) фиксации заготовки между пуансоном и матрицей в кольцевой зоне и удержания ее о расширенком состоянии при остыоании. Пятый - нагрев пресс-формы вместе с заготовкой осуществляют до температуры Тэ, которая достигается в центральной части ОЭ при эксплуатации. Следовательно, после создания 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 имеет5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 прессформы осуществляют до нормальной температуры с сохранением сжатия заготовки. При относительно малой величине а пуансон и матрица тем самым удерживают кольцевую 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 обьект), 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 КС 1, с помощью которой реализовано предложенный способ,На фиг. 1 ОЭ 1 установлен в металлическую оправу 2 с помощью теплопроводящей прокладки 3, Осесимметрично и нормально к плоскости ОЭ воздействует мощный ЛП 4 круглого сечения с произвольным законом распределения мощности. Условно в диаметральном сечении ОЭ показан профиль распределения температуры 5, где Топ - температура ОЭ в зоне оправы, Тз - 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 эоны. 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 КС 1 говорят о том, что в центральной зоне при воздействии ЛП в условиях радиального сжатия при повышенной температуре Тэ происходит пластическая деформация и часть материала перераспределяется, "выдавливается" на оптические поверхности в виде решетчатой структуры.На фиг, 2 показан принцип предложенного решения, где ОЭ 1 установлен в прессформу, состоящую иэ матрицы 2 и пуансона 3, имеющих одинаковые кольцевые рабочие зоны 4, Рабочие поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость й = 10-100 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 ОЭ, созданных с помощью пресс-формы после остывания до нормальной температуры.На фиг. 3 показана пресс-форма и ОЭ иэ КС в сборе, с помощью которой в лабораторных условиях реализовано предложенное 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 5, образуя прочную конструкцию. Сверху осесимметрично в крышку ввинчивается силовой винт 6 диаметром 16 мм с гчагом резьбы 1,5 мм, который с помощью шарового шарнира 7 создает сжатие равномерно в кольцевой зоне ОЭ, Рабочие поверхности пуансона и матрицы имеют шероховатость В = 30-50 мкм, а внутренние диаметры их одинаковы и равны внутреннему диаметру оправы. Все детали пресс-формы изготовлены из инвара марки 32 НКД, имеющего козф/ фициент линейного расширения а= =(0,8-1,0)106 К .Изобретение иллюстрируется следующими примерами.Были изготовлены окна иэ КС в виде дисков40 (6 - 8) и ф 80 (12-16) мм. для которых пуансон и матрица имели внутренний диаметр 32 и 70 мм, что соответствовало внутренним диаметрам оправ. После проведения размерной обработки, включая шлифовку, ОЭ устанавливались в пресс-форму в соответствии с фиг, 3, Пресс-формуустанавливали в термошкаф СНОЛ.5 и нагревали до 130-150 С в установившемся режиме в 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 доворачи 1760486валсл на угол 20-30, что соответствовало величине сжатия 70 - 100 мкм на обе 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 прессформы и контролировали на отсутствие повреждений, с помощью полярископа ПКСконтролировали 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 х= 99 оь. 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(или ВГО) с теплопроводящим наполнителем из порошка окиси алюминия размером 5 - 10 мкм,С целью определения предельной термомеханической прочности были проведены сравнительные испытания окон из КС40 и у 80 мм, на которые были нанесены защитно-просветляющие покрытия с увеличенным (в 2-3 раза) поглощением, В результате суммарные потери на поглощение окон составляли (5 - 7)10, что позволило создать тепловую нагрузкв них при воздействии ЛП не менее 3 Вт/см . После изготовления таких окон в соответствии с базовым обьектом и по предложенному способу они были по очереди испытаны во внешних трактах лазеров ТЛ,5 при воздействии ЛПф 18 мм с Гауссовым распределением мощности и ТЛпри воздействии ЛП с кольцевым профилем распределения мощности ф 55/38 мм. Окна в дюралюминиевых оправах были устаноолены на массивные радиаторы из алюминиевого сплава.Окна ф 40 мм нагружались Гауссовым ЛП ступенчато нарастающей мощностьо 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 вариачту. раскалывались через 5 - 10 мин при мощности 0,8 - 1 Я кВт или через 0,5-1,0 мин при мощности 1,3 - 1,5 кВт. Окна, изготовленные по предложенному способу не раскалывались приР5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мощности 1,3-.5 кВт при трехкратном повторениии цикла ис па рен ия.Окна ф 80 мм нагружались кольцеоым ЛП с нарастанием мощности по 1 кВт от 2 до 6 кВт с выдержкой на каждом уровне 5 - 10 мин. Окна, изготовленные по базооому варианту, раскалывались при мощности 3 - 4 кВт, а окна, изготовленные по предложенному техническому решению, не разрушались при 6 кВт при трехкратном повторении цикла испытаний. Рельефнал структура на поверхности окон о зоне воздействия ЛП одинаковой мощности для образцов, изготовленных по предложенному способу, была сущестоенно меньше по сравнению с базовым обьектом.Таким образом, испытания окон иэ КО; изготовленных по предложенному техническому решению, в условилх воздействия мощных ЛП на разработанных в НИЦТЛ АН СССР технологических С 02-лазерах, работающих о непрерывных режимах с предельной мощностью излучения 1,5 и 6,0 кВт показали, что по сравнению с базовым объектом предложенное техническое решение повышает термомеханическую прочность по крайней мере в два раза. Формула изобрстения Способ изготовления оптических элементов из щелочно-галоидных материалов. эаключа,ощийсл в том, что производят размерную обработку заготовки, установку ее о пресс-форму. содержащую пуансон и матрицу, выполненные из нереакциокчого по отношению к щелочно-галлоидным кристаллам материала, нагревание заготовки, сжатие ее о пресс-форме, охлаждение заготовки, полировку оптического элемента и установку ее в теплопроводную оправу, о т л и ч а ю щ и й с л тем. что, с целью повышения термомеханической прочнссти, пуансон и матрица выполнены с кольцевыми рабочими зонами, поверхности которых имеют шероховатость Я = 10-100 мкм и внутренний диаметр которых не менее внутреннего диаметра оправы, при этом материал пуансона и матрицы имеет коэффициент линейного расширенил, по крайней мере в 10 раз меньший коэффициента линейного расширения щелочно-галоидного кристалла, причем нагревание заготовки производят в нереакционной атмосфере до температуры Т, причем Тэ Т0.45 Тп, где Тз - температура оптического злемен 1 а в центральной зоне при эксплуатации оптического элемента, Тпл - температура плавления материала заготовки, сжатие заготовки производят на величину. рао.1760486 0 ную суммарной шероховатости пуансона и матрицы, а охлаждение производят с сохранением сжатия до 20-25 С со скоростью неболее 30 К/ч.1760486 Составитель В.ГлебовТехред М,Моргентал Корректор А.Долинич Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 Заказ 3185 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5