1 空间相机SiC反射镜的要求
空间相机反射镜的工作环境复杂,和地基条件相差很大,其选材必须满足以下要求:反射镜材料属光学级,可以抛光,并能够镀高反射率膜层;面形精度(RMS)要求达到λ/40~λ/50;膜层反射率(λ=0·5~0.9μm)要大于0.95;各向同性,尺寸稳定;抗辐照,在空间辐照条件下反射镜面形不变;比刚度大、热变形系数小。
表1是几种代表性反射镜材料的性能参数。从中可见,SiC是制作空间相机反射镜的理想材料,这是因为:
(1)反射镜的径厚比和比刚度成正比,而SiC的比刚度大于10,因此它能够减小反射镜及镜框的质量,降低对热控系统的要求,减少热控系统的质量和功耗。
(2)空间相机工作在恶劣的空间环境中,温度范围在-50~+50℃之间,要求α/λ很小,以保证反射镜面形稳定,SiC可以满足要求。
(3)虽然Be的比刚度略高于SiC,但Be加工时有毒,成本高;另外Be的热变形系数比SiC高5倍。
(4) SiC材料的表面加工精度高,尺寸稳定,并且能够镀膜。
2 SiC反射镜的加工工艺
SiC反射镜的加工过程包括坯体的制作、车削加工、研磨和抛光加工。
(1)坯体的制作方法有反应烧结法(RB)、真空热压法(VIP)、物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、热等压法(HIP)。经过大量的对比试验,认为RB法是制作SiC反射镜的优选方法,然后采用CVD法在其上镀SiC或Si膜,可以提高反射镜表面的致密性,加工出超光滑的镜面。
(2) SiC反射镜的车削加工在高刚度的超精密金刚石车床上进行,通过车削加工可以获得反射镜的基本形状。
(3)在SiC反射镜的研磨中,模具由铸铁制成,选用金刚石粉末进行研磨,可获得Ra<3nm的表面。
(4)采用计算机控制表面成形方法进行SiC反射镜的抛光,这种方法是用一个比反射镜尺寸小得多的抛光模,在计算机的控制下,抛去要求面形在各点处存在的偏离量。在加工过程中,使用迭代的方式使表面误差逐步收敛。
3 SiC表面镀膜技术
SiC具有独特的结构特性和物理化学性能,很难通过直接加工就得到满足要求的光学表面。将另一种材料渗入到反射镜基体进行表面镀膜,然后对膜层进行光学抛光,可以解决这个难题。表面镀膜技术是在严格的温度条件下进行复杂的化学物理反应,表面膜层和SiC基体能够连接得非常牢固。在表面镀膜过程中,必须考虑如下因素:保证膜层能够粘附到SiC基体上;膜层和SiC的TCLE相配;膜层具备必要的硬度和抗化学腐蚀性能;膜层材料在要求的温度区域内软化;不发生膜层材料结晶化过程。 SiC反射镜的表面镀膜包括以下几个步骤:3~5mm厚膜层片的制造;将膜层片铺放在反射镜基体表面上;加热,保持温度,根据特定的温度和时间状态对装置进行冷却。SiC基体上形成了连续的膜层后,进行光学加工膜层厚度会减少,抛光时约厚0.2~2mm,抛光后反射镜表面的RMS可达1nm(10 SiC膜)或0·5nm(5 Si膜)。
4 SiC反射镜的应用
(1)大型轻量反射镜 SiC材料的比刚度很高,能够制造出直径达3m的轻量反射镜。常用在天文、地理、地球、物理、测地学、自然资源和环境监控等领域。
(2)低温反射镜 为了测量或记录红外射线,必须使反射镜本身的射线达到最小程度,将光学仪器和探测器冷却到很低的温度下可以实现这个目标,这使得低温反射镜的研制和生产成了一个优先发展目标。它可使空间技术摆脱大气限制进行天文观察。
制造低温反射镜的主要困难是在常温下加工的光学表面,在10~50K的工作温度下,光学表面会发生变形。这和反射镜材料各向异性的特性联系在一起,其中主要是TCLE的各向异性。制造低温反射镜的另一个困难是需要安装反射镜致冷系统,一方面保证反射镜和致冷器进行必要的热传导交换,另一方面保证反射镜相对于其它镜片的几何定位,在工作温度下和出现热应力时保护光学表面的形状。选用SiC作为反射镜材料,系统具有最大的尺寸和温度稳定性以及最小的散射率。低温测试表明,在干涉仪测量的精度范围内,从常温转移到工作温度或从工作温度转移到常温时SiC反射镜不发生形状滞后,其光学表面形状会得到保持。
(3)激光反射镜 SiC可以制造辐射功率达2kW、低频或高频脉冲工作模式的激光反射镜,镜面形状可以是平面、球面或非球面,包括离轴非球面。反射镜可以和安装、冷却元件连接在一起,保证在制造和使用激光系统的过程中光学表面的形状精度不受破坏。
随着空间相机分辨率的提高,理想反射镜材料的研制成了一个非常重要的课题。由于SiC具有比刚度大、热变形系数小、尺寸稳定、镜面加工精度高、反射镜与镜框可以一体化等优点,这使得SiC成为制作空间相机反射镜的较佳材料。光学测试结果表明,SiC反射镜冷却到低温状态下能够保持原有的光学表面形状,加热到正常温度后也不会发生形状滞后现象,这种温度稳定性高的特点可以在一定程度上拓宽反射镜的工作范围,减小对空间仪器温控系统的要求。
参考文献:
[1] 斯温MV,郭景坤,等.陶瓷的结构与性能[M].北京:科学出版社,1998.
本文作者：王贵林,李圣怡,戴一帆
