Современные тенденции в оптических технологиях, применяемых для улучшения выходных характеристик оптических и оптико-электронных систем
УДК 535.315 + 681.7.065
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ И ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
© 2009 г. Б. Н. Сеник, доктор техн. наук; А. Б. Бельский, канд. техн. наук; В. В. Потелов, канд. техн. наук
ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, г. Красногорск, Московская область
E-mail: bogdan_senik@mail.ru
Приведен обзор развития современных оптических технологий, используемых при промышленном изготовлении прецизионных сборок для оптико-электронных приборов и комплексов с высоким пространственным разрешением.
Ключевые
слова:
Коды OCIS: 220.4610, 310.1620
Поступила в редакцию 11.02.2009
Приоритетным направлением деятельности ФНПЦ ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева” являются разработка и создание много- и гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли, оптико-электронных комплексов передачи азимута систем для прицеливания ракетных комплексов, оптико-электронных каналов и систем изделий с высоким пространственным разрешением. В основе разработки и создания такой аппаратуры лежат промышленные технологии изготовления прецизионных призменных модулей.
Реализация предельных точностных и светотехнических выходных параметров призменных и спектроделительных модулей определяется уровнем освоения современных технологий из-
готовления прецизионных призм, оптических покрытий со сложным спектральным профилем, работающих одновременно в различных спектральных диапазонах, а также сборкой и юстировкой призменных оптических блоков с предельной точностью [1].
В качестве примера приведем типовые конструкторско-технологические требования к высокоточному призменному модулю для обеспечения заданных параметров системы передачи азимута (см. табл. 1).
Для технологического обеспечения производства оптических модулей с указанными требованиями необходимо создать прецизионные призменные сборки с точностью позиционирования в пределах ±1′′, а кроме того клеевые конструкции,
Таблица 1. Типовые конструкторско-технологические требованияк высокоточному призменному модулю
Требование
Погрешность изготовления
Погрешность контроля
Погрешность изготовления оптических поверхностей призм, ΔN
0,2
0,1
Пирамидальность призм, угл. с
10 1
Погрешность взаимного углового положения призм, угл. с
51
Клиновидность призменного блока, угл. с
30 1
Погрешность взаимного линейного положения призм, мм
0,05
0,003
Погрешность воздушного промежутка, мм
0,01
0,001
Интегральное отношение фон/сигнал по уровню 0,5 в области спектра от 0,4 до 1,1 мкм в каждом канале, %
8
2
Коэффициент пропускания фона, %
< 0,2
0,1
Погрешность совмещения центров выходных окон каналов, мкм
0,05
0,01
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
5
позволяющие реализовать предъявленные к ним требования, которые касаются
– обеспечения заданного положения деталей с высокой точностью,
– надежности крепления, – минимизации деформаций в оптических деталях при климатических и механических воздействиях, – стабильности положения и оптических характеристик в заданных пределах при эксплуатации, – улучшения массогабаритных характеристик. Одним из эффективных технологических методов получения высоких точностных и эксплуатационных параметров призменных сборок, необходимых для обеспечения предельно достижимых оптических параметров оптикоэлектронных систем, является технология глубокого оптического контакта (ГОК). Метод ГОК – бесклеевой способ монолитного соединения полированных оптических элементов с сохранением геометрии и качества соединяемых поверхностей и точности в пределах ±1′′ позиционирования оптических элементов, входящих в состав сборки, друг относительно друга. В качестве связующего слоя используется пленка двуокиси кремния (SiO2) толщиной 135– 150 нм, которая наносится химическим методом пиролиза или вакуумным методом ее нанесения на одну из соединяемых поверхностей. Далее отдельные оптические элементы соединяются оптическим контактом и подвергаются термической обработке в определенных температурных режимах. Учитывая важность вышеуказанной технологии для создания высокоточной оптики, были проведены комплексные исследования в части ее совершенствования с определением или уточнением требований – к оптическим заготовкам, из которых изготавливаются оптические элементы; – по шероховатости и плоскостности оптических поверхностей под ГОК, – по методам и составу химических растворителей для очистки поверхностей под ГОК. Были также реализованы следующие мероприятия: – создана специальная технология очистки кремнийсодержащего соединения – тетрахлорида кремния SiCl4 – с целью получения его максимальной чистоты; – проведены экспериментальные исследования структурного состояния пленки SiO2 в
зависимости от технологии нанесения и определена оптимальная степень пористости;
– с целью повышения стабильности технологии нанесения пленки SiO2 определены оптимальные внешние воздействующие температурные факторы – температура и влажность окружающей среды в помещении, где проводились эксперименты;
– определены оптимальные температурные режимы и давление для соединения оптическим контактом двух оптических элементов.
Кратко остановимся на основных технологических операциях для получения необходимых параметров. Тонкие наноразмерные слои оксида кремния наносят на кварцевые поверхности из паровой фазы для создания возможности соединения этих поверхностей без использования дополнительных склеивающих реагентов за счет ГОК.
Основной технологической операцией, используемой для получения ГОК, является нанесение тонкослойного покрытия (оксида кремния) на поверхность кварца с использованием паров кремнийсодержащих соединений – тетрахлорида кремния и тетраметоксисилана (ТМОС) – и воды по реакциям
SiCl4 + H2O → SiO2 + HCl,
(1)
Si(OCH3)4 + H2O → SiO2 + CH3OH. (2)
Основным требованием к наносимому слою является однородность поверхности по наличию гетерогенных примесей (включений). Для осаждения используется объемный газовый реактор, выполненный из нержавеющей стали и покрытый изнутри кислотостойкой эмалью и фторопластом. Компоненты вводят в реактор по раздельно расположенным вводам в виде смесей паров соединения и воды с газом-носителем – азотом. В качестве подложек для осаждения используются кварцевые пластины, полученные из блоков, выращенных гидротермальным методом [1].
Поверхности кварцевых заготовок перед осаждением обрабатываются различными спиртами с целью удаления масел и других органических примесей. При этом используются такие образцы спиртов, как метанол, этанол и изопропанол, очищенные ректификацией на насадочных колоннах, а также продукты реактивных квалификаций, производимые отечественными “ЭКОС-1”, “Компонент”, “Реа-Экс” и зарубежными (“Merck” ФРГ) фирмами. Содержание примесей металлов в спиртах составляло 10–6–10–8 масс.% каждо-
6 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
го, примесей органических соединений – 10–2– 10–4 масс.% каждого, содержание воды для различных образцов – от 1 до 0,05 масс.%.
Очистка поверхностей проведена промывкой в ваннах с последующей сушкой образцов, протиркой смоченными в спиртах неволокнистыми тканями, парожидкостной обработкой при температуре кипения спиртов. Чистота поверхностей контролируется методом инфракрасной спектроскопии. Лучшие результаты по очистке поверхностей были получены при использовании парожидкостной обработки поверхностей этанолом и изопропанолом с содержанием влаги на уровне не более 0,2 масс.%.
Для осаждения были испытаны образцы тетрахлорида кремния фирмы “Aldrich” (Англия), очищенные дополнительной ректификацией, и фирмы “Реа-Экс” (Россия). Содержание примесей ряда металлов в использованных для осаждения образцах тетрахлорида кремния составляло порядка 10–6–10–8 масс.%. Концентрация углеродсодержащих примесей типа метилтрихлорсилана в очищенном образце тетрахлорида кремния фирмы “Aldrich” составляла 1×10–1 масс.%. В образцах фирмы “Реа-Экс” содержание данных примесей не превышало 5×10–3 масс.%. В качестве источника влаги использовали воду, очищенную двойной дистилляцией в кварцевой установке и на ионообменных смолах. Дополнительная очистка методом “sub-boiling” не привела к улучшению качества полученных покрытий и поэтому в дальнейшем не применялась. Содержание отдельных примесей металлов в воде также составляло 10–6–10–8 масс.%.
ТМОС был синтезирован путем взаимодействия технического тетрахлорида кремния с метанолом в присутствии аммиака и очищен ректификацией. Содержание примесей отдельных металлов в нем не превышало порядка 10–6–10–8 масс.%.
Испарение исходных воды и кремнийсодержащих соединений осуществлялось из стеклянных барботеров путем подачи в них через ротаметры газообразного азота, осушаемого на силикагеле и цеолитах. Скорость роста слоя контролировали непрерывно оптическим методом по контрольному образцу-свидетелю. Требуемая толщина полученных слоев составляла 160–250 нм. Оптимальная скорость роста, обеспечивающая требуемое качество покрытий, – 15–20 нм/мин.
Осаждение покрытия кварца на поверхность с использованием в качестве источника тетрахлорида кремния проводилось при температуре
подложки 20–30 °С. При применении ТМОС обнаружено, что осаждение на подложке с заметной скоростью начинается с температуры 350– 360 °С. Оптимальная температура осаждения составляла 390–420 °С.
Реакция между кремнийсодержащими компонентами и водой проходит, в основном, в объеме аппарата осаждения, т. е. носит гомогенный характер. На поверхность изделия осаждается не более 0,1% от диоксида кремния, образующегося из используемых исходных кремнийсодержащих реагентов. Наличие избыточных компонентов приводит к нежелательным эффектам, выражающимся, в частности, в выпадении на поверхности аморфного порошка диоксида кремния за счет гомогенной реакции в объеме.
Для снижения возможности проявления данного процесса необходимо было увеличить степень использования соединений кремния и максимального осаждения диоксида кремния на поверхности. Проведены эксперименты по осаждению слоев при изменении различных параметров процесса, а именно:
использование исходных продуктов различной квалификации по чистоте,
термостатирование барботеров при различных температурах,
изменение скорости подачи газов-носителей через барботеры.
При использовании образцов кремнийсодержащих соединений различной квалификации по чистоте выявлено, что применение более загрязненных по примесям металлов и углеродсодержащих веществ приводит к стабильному появлению на поверхности кварца дефекта – “серости”, определяемой визуально.
Обнаружена сильная зависимость качества получаемых слоев от изменения соотношения газов, пропускаемых через барботеры с реагентами, а также от изменения температуры барботеров. Этот факт мы относим к различной степени насыщения парами исходных компонентов газаносителя.
Проведенные измерения скорости уноса реагентов через барботеры показали, что насыщение паровой фазы реагентами изменяется в зависимости от высоты слоя жидкости, размеров пузырьков газа-носителя. При этом содержание того или иного реагента в газе-носителе могло изменяться в несколько раз. Таким образом, для получения воспроизводимых результатов осаждения необходимо поддержание постоянного уровня жидкостей в барботерах и скорости подачи газа-носителя через них.
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
7
Поддержание постоянных уровней жидкости в барботерах позволило сохранять требуемую стехиометрию реагентов в течение процесса.
Очевидно, что соотношение парциальных давлений паров воды и кремнийсодержащих соединений в системе существенно влияют на кинетику процесса. В сочетании с изменением степени насыщения исходными компонентами паров газа-носителя аналогичное изменение, связанное с различным характером зависимостей давления насыщенных паров кремнийсодержащих соединений и воды, может значительно влиять на характер процесса осаждения. Значения парциальных давлений определяли по данным [2].
Спектры пропускания образцов кварца изучали в ультрафиолетовой (УФ), видимой и ИК областях. Исследованы образцы кварцевых заготовок, используемых в качестве подложек для нанесения тонких слоев диоксида кремния из паровой фазы, с целью определения их пригодности для оптимальных условий получения покрытий. Измерение спектров пропускания образцов в УФ и видимой областях спектра (200–900 нм) проведено на спектрофотометре М-40 фирмы “Карл Цейсс”.
В связи с тем что площадь поверхности образцов была меньше площади отверстия в стандартном держателе, съемка спектров проводилась с использованием нестандартного держателя.
Пропускание для различных образцов кварца в области 200–900 нм практически одинаковое (табл. 2).
Спектры образцов содержат заметную полосу поглощения с максимумом 227 см–1, в спектре кварцевой кюветы фирмы “Карл Цейсс” подобная полоса отсутствует. Данная полоса вызвана примесью (10–3–10–4 масс.%), поглощающей в УФ области.
ИК спектры получены на двухлучевом ИК спектрофотометре 983 G фирмы “Перкин-Эльмер” [3]. Спектры регистрировали с использованием дифференциального метода, предварительно записывая в память спектра нулевую линию,
Таблица 2. Светопропускание образцов кварца в области 200–900 нм, %
Номер образца
200
λ, нм 300 500
900
1
45,5
87,0
96,0
94,0
2
45,1
87,2
96,3
94,2
которую вычитали из ИК спектров кварцевых
образцов.
Для определения диапазона измерений сняты
ИК спектры образцов с нанесенными покрытия-
ми (1–6), полученных с использованием тетра-
хлорида кремния, и образцов (7–13), полученных из ТМОС, в области 4000–180 см–1. Начиная с 2300 см–1, для всех этих образцов наблюдается
полное поглощение. В связи с этим регистрировать пропускание в области 2300–180 см–1 не
имело смысла и ИК спектры образцов были сняты в области 4000–2000 см–1. ИК спектры всех образцов, за исключением области 3650–3700 см–1,
практически идентичны и совпадают с литера-
турными данными по спектрам кристаллическо-
го диоксида кремния.
В табл. 3 приведены значения пропускания образцов диоксида кремния при υ = 4000 см–1 (начало измерений), 3664 см–1 (максимум по-
лосы поглощения валентных колебаний гидроксильных групп), 2650 см–1 (максимум по-
лосы поглощения обертонных колебаний связи кремний-кислород) и 2300 см–1 (начало нулевого
пропускания).
Большинство образцов имели максимальное пропускание (87–91%) при υ = 4000 см–1 (λ = 2,5 мкм). Для всех образцов характерна интенсивная полоса поглощения с максимумом при υ = 3660 см–1, относящаяся к валентным колебаниям гидроксильных групп (υОН). Имеются все основания для вывода о том, что ис-
пользуемый для изготовления изделий кварц
содержит большое количество гидроксильных
Таблица 3. Пропускание образцов диоксида кремния, %
Номер образца 4000
ν, см–1
3664
2650
2300
1 87 0 24
0
2 88 0 24
0
3 91 0 25
0
4 87 0 24
0
5 88 0 24
0
6 87 4 24
0
7 74 7 22
0
8 89 5 25
0
9 87 1 22
0
10 89 3 24
0
11 92 5 25
0
12 90 4 26
0
13 83 2 24
0
8 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
групп (с концентрацией, возможно, более 0,01%) как в объеме, так и на поверхности исследованных образцов.
Наличие слабого (24–25%) пропускания при υ = 2650 см–1 связано, возможно, с наличием на поверхности неполностью отщепленных углеводородных радикалов. Этот эффект требует дальнейшего исследования.
Область полного поглощения в исследованном диапазоне спектре для всех образцов начинается с υ = 2300 см–1 и продолжается до υ = 180 см–1. По сравнению с образцами кварца, используемого в оптических кюветах, в УФ спектрах исследуемых образцов наблюдались полосы с максимумом поглощения на λ = 227 нм.
Неполнота гидролиза в объеме реактора и на поверхности изделия дает возможность образования промежуточного слоя оксида кремния с высокой поверхностной активностью, которая реализуется в дальнейшем при создании ГОК с хорошими механическими параметрами – прочностью на разрыв.
Таким образом, можно сделать вывод, что используемый в технологических процессах нанесения кварц, является вполне пригодным и может обеспечивать хорошую адгезию слоя диоксида кремния к поверхности заготовки.
С точки зрения получения тонких слоев оксида кремния, для создания ГОК используемым методом этот результат является весьма важным, поскольку наличие ОН-групп на поверхности способствует хорошей адгезии на ней слоя, образующегося при гидролизе оксида кремния.
Важным результатом является то, что качество покрытий, полученных с использованием четыреххлористого кремния и ТМОС, практически одинаковое. Таким образом, имеется возможность для выбора исходных реагентов в зависимости от конструкции реактора, температуры осаждения, требований к экологической чистоте процесса.
Вышеописанная технология ГОКа позволяет обеспечивать точность позиционирования оптических элементов в пределах ±1′′ при прочности на разрыв соединения не менее 700 кг/см2.
Вторым немаловажным и эффективным методом для прецизионной сборки металлостеклянных оптических призменных модулей является оптимальный выбор и применение конструкционных клеев.
Опыт по созданию и эксплуатации различных клеевых конструкций позволяет сделать вывод, что наиболее проблемными являются композиции “стекло–металл” из-за низкой стабильно-
сти пространственного положения оптических элементов, недостаточной прочности на сдвиг и отрыв, нестабильности технологии производства клеевых конструкций, малой номенклатуры используемых клеев.
В работе [2] описаны комплексные исследовательские и экспериментальные работы по применению существующих клеев для композиции “стекло–металл”, анализу физико-химических свойств клеев, испытаниям контрольных образцов, склеенных с помощью оптимизированных по результатам математического моделирования клеев; приведены рекомендации по корректировке и доработке существующих клеев. Исследования и испытания новых перспективных клеевых композиций показали возможность изготовления прецизионных оптических призменных сборок со следующими характеристиками:
величина двойного лучепреломления (при склеивании и после испытаний)
не более 25 нм/см,
деформация рабочей поверхности оптической детали (отклонение от плоскостности)
не более λ/4,
рабочий диапазон температур, в котором сохраняются точностные характеристики
от –60 °С до +70 °С,
прочность на сдвиг
прочность на отрыв
прочность на неравномерный отрыв
не менее 60 кгс/см2, не менее 120 кгс/см2,
не менее 30 кгс/см2,
срок службы
не менее 12 лет.
Известно, что для создания высокоточных оптических узлов нередко применяются детали, изготовленные из разнородных материалов с различными коэффициентами температурного линейного расширения (силикатное стекло, титановый сплав), сборка которых осуществляется методом склеивания [3]. Как правило, для изготовления высококачественных отдельных компонентов сборок применяется оптическое стекло марки К-8 с высокой степенью однородности и малым двойным лучепреломлением. В качестве материала для механических деталей используется титановый сплав ВТ-1-0.
Для склеивания указанных материалов применяются клеи, обладающие высокой адгезией к силикатному стеклу, а также достаточно высокими не только прочностными, но и эластичными
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
9
свойствами (для снятия внутренних напряжений, возникающих при склеивании разнородных материалов).
С этой целью была проведена серия исследований физико-механических характеристик клеев ВК-27 и К-300-61 с подслоем КЛТ-300 для оценки их влияния на стабильность оптических характеристик в процессе эксплуатации и определения долговечности (срока службы) склеенных оптических сборок.
Клеи ВК-27и К-300-61 представляют собой композиции на основе модифицированных эпоксидных смол и низкомолекулярных полиамидов. Они отверждаются практически без усадок как при комнатной температуре, так и при температуре 60 °С без влияния побочных продуктов, образуя композиции с высокими физико-механическими характеристиками.
Стандартные образцы на указанных клеях прошли различные виды испытаний как в ис-
ходном состоянии, так и после воздействия температуры, вибрации, механических нагрузок, указанных в табл. 4–6.
Следующий этап работ был посвящен изучению деформационных свойств клея ВК-27 в условиях равномерного сдвига.
Для определения прочности на сдвиг образцы из алюминиевого сплава Д16 АТ Ан. Окс. Хром и титанового сплава ОТ-4 были склеены с помощью клея К-300-61.
Результаты испытаний приведены в табл. 7. Клеевые соединения из алюминиевого и титанового сплавов на клее К-300-61 выдерживают термическое старение при 200–300 °С. Прочность клеевых соединений после пребывания в атмосфере с относительной влажностью 98% при 40 °С в течение 20 суток составляет 150 кгс/см2. Увеличение прочности при сдвиге клеевых соединений при температуре –60 °С показывает, что клей очень жесткий, поэтому в дальнейшем рекомен-
Таблица 4. Механические свойства клеевых соединений на клее ВК-27 при низкой, нормальной и повышенной температурах
Наименование свойства
Склеиваемые материалы
Д16 зашкуренный
Д16 АТ Ан. Окс. Хром.
Д16 АТ Ан. в серн. к-те
ОТ-4 дробленный
Прочность при сдвиге, τВ, кгс/см2
30ХГСА дроблен.
30ХГСА-кадм.
КАСТ-зашкурен.
СТП-6 зашкурен.
ЭПС-2Т зашкурен.
Прочность при отрыве, σотр, кгс/см2
Д16 АТ Ан. Окс. Хром 30ХГСА дроблен.
Прочность при
неравномерном отрыве, Sотр, кгс/см2
Д16 АТ зашкурен. Д16 АТ Ан. Окс. Хром
Температура испытания, °С
–60 220 (210–238) 220 (205–235) 140 (130–165) 260 (235–275) 260 (255–275)
—
—
—
—
450 (400–500)
500 (470–540)
32 (27–36)
35 (32–38)
20
245 (230–250)
248 (235–270)
235 (225–260)
270 (250–280)
275 (270–280)
285 (265–295)
100 (90–110*)
80 (65–100*)
176 (153–203)
380 (340–415)
375 (345–405)
44 (38–50)
45 (38–52)
80
90 (84–98)
107 (97–117)
90 (84–107)
95 (90–105)
100 (95–105)
94 (90–96)
100 (85–110)
75 (60–85)
115 (104–124)
95 (80–110)
65 (60–75)
16 (14–20)
22 (19–26)
* – разрушение по материалу.
10 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
Таблица 5. Вибростойкость при сдвиге r = σmin/σmax = = 0,1; частота вибраций f = 2000 цикл/мин. Склеиваемые материалы Д16 АТ Ан. Окс. Хром
Температура Максимальное Число циклов испытания, °С напряжение цикла, до разрушения
кгс/см2
20 125 104 100 105 75 106 65 107
80 46 104 35 105 24 106 15 107
Таблица 6. Деформационные свойства клея ВК-27
Характеристика в условиях равномерного сдвига при температуре
испытания 20 °С Прочность, кгс/мм2
Модуль сдвига, кгс/мм2
Значения параметра
2,7 27–54
Относительное удлинение, %
Выносливость при σmax = 10 кгс/мм2, f = (7–8) Гц циклов клеевых соединений
50–125 1,5×106
Таблица 7. Изменение прочности при сдвиге клеевых соединений на образцах из сплавов Д16 АТ Ан. Окс. Хром и ОТ-4
Склеиваемые материалы
Прочность при сдвиге,τВ кгс/см2, при температуре
испытания, °С
–60 20 80
Алюминиевый сплав
258 125 60
Д16 АТ Ан. Окс. Хром
Титановый сплав ОТ-4 240 150 65
довано его использовать с кремнийорганическим эластичным подслоем КЛТ-30.
Полученные данные по исследованию физикомеханических характеристик клеев показали, что клеевые соединения ВК-27 и К-300-61 обладают длительной высокой вибропрочностью, стабильностью механических свойств в среде воздуха при воздействии повышенных и пониженных температур, влагостойкостью.
Однако клей ВК-27 имеет более высокую прочность в сочетании с достаточно высокими эластичными характеристиками.
Одним из важнейших технологических факторов при создании многофункциональных оптических и оптико-электронных систем с высокоточными оптическими элементами является уровень технологии нанесения оптических покрытий. В частности, для обеспечения высоких радиометрических характеристик и спектрального разрешения аппаратуры дистанционного зондирования Земли важным технологическим моментом является нанесение тонкослойных диэлектрических покрытий. Проведенные теоретические и практические исследования в области синтеза оптических покрытий позволили разработать промышленную технологию изготовления оптических элементов со сложными (по форме спектральной кривой отражения и пропускания) высококачественными покрытиями.
Разработана и реализована усовершенствованная методика синтеза конструкций неравнотолщинных оптических покрытий. Математически многослойные оптические покрытия описываются системой, состоящей из конечного числа слоев с различными показателями преломления и толщинами, заключенных между двумя полубесконечными средами. Если слои однородны, изотропны, имеют параллельные границы, то падающее на оптическое покрытие излучение описывается линейно поляризованной монохроматической плоской волной. Определение отражения, пропускания и поглощения многослойной тонкопленочной системы, с точки зрения электромагнитной теории, сводится к решению уравнений Максвелла при заданных граничных и начальных условиях, т. е. к определению стационарных амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей на всех границах многослойной системы при падении световой волны с заданными характеристиками.
Для создания оптического покрытия с требуемыми спектральными характеристиками достаточно решить задачу синтеза конструкции многослойной пленочной системы. Для этого необходимо
• выбрать материалы, образующие тонкие пленки;
• задать показатели преломления для выбранных материалов,
• задать показатели преломления сред, обрамляющих многослойную систему;
• подобрать необходимое количество и толщины слоев из выбранных материалов, а также
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
11
последовательность их чередования, если число выбранных материалов более 3.
Успешное решение задачи синтеза зависит от выбора метода оптимизации спектральных параметров покрытия.
В основе всех методов оптимизации лежит предположение о том, что всю совокупность интересующих свойств оптического покрытия можно охарактеризовать показателем качества (или целевой функцией) F, зависящим от его конструктивных параметров. С помощью показателя F оценивается отклонение желаемой спектральной характеристики от ее приближения. Таким образом, задача синтеза оптического покрытия сводится к минимизации целевой функции на ограниченном множестве конструктивных параметров. Ограничения конструктивных параметров определяются возможностями технологической реализации фильтра.
Среди известных методов оптимизации неравнотолщинных многослойных интерференционных покрытий наилучшие практические результаты удается достигнуть, используя “технику игольчатой оптимизации”. Суть этого подхода можно представить следующим алгоритмом:
1) задание начальной конструкции фильтра, 2) оптимизация показателя качества F путем вариации толщин слоев фильтра, с использованием любого известного метода оптимизации (градиентного спуска и др.); 3) вычисление некоторой P-функции, являющейся коэффициентом, связывающим приращение целевой функции δF с толщиной тонкого (“игольчатого”) слоя, установленного в конструкцию фильтра, проверка достижения цели оптимизации δF = 0; 4) выбор такого места установки игольчатого слоя в текущую конструкцию фильтра, что конструкция фильтра с игольчатым слоем будет иметь показатель качества выше, чем текущая конструкция; 5) установка в конструкцию фильтра игольчатого слоя и переход к шагу 2). В отличие от других методов синтеза оптических покрытий, техника игольчатой оптимизации гарантирует достижение глобального оптимума при произвольной начальной конструкции оптического покрытия. В частности, расчет конструкций оптического покрытия спектроделительного модуля проводился с использованием техники игольчатой оптимизации с помощью программы OptiLayer, разработанной коллективом НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством профессора А.В. Тихонравова [3].
Кривая спектрального пропускания.
В результате были найдены оптимальные конструкторско-технологические решения, обеспечивающие требуемые характеристики спектроделительного модуля оптико-электронных систем для дистанционного зондирования Земли и контроля космического пространства.
Ниже представлены исходные данные и результаты расчета спектроделительного покрытия, а на рисунке – характеристика его спектрального пропускания.
Рабочий угол 14,7°. Среда – стекло К8. Используемые вещества ZnS (n = 2,3) и MgF2 (n = 1,38). Число слоев – 27. Коэффициент пропускания не более 0,07 на длине волны 600 нм. Отражение светового потока в области спектра от 420 до 580 нм (коэффициент пропускания не более 0,015). Пропускание светового потока в области спектра от 620 до 1100 нм (коэффициент пропускания не менее 0,99) Конструкция: (0,536H, 0,662L, 1,000H, 0,797L, 0,795H, 0,946L, 0,905H, 0,838L, 0,890H, 0,924L, 0,893H, 0,870L, 0,897H, 0,916L, 0,897H, 0,870L, 0,893H, 0,924L, 0,890H, 0,838L, 0,904H, 0,946L, 0,795H, 0,798L, 1,000H, 0,663L, 0,536H). Точность и воспроизводимость теоретического решения этого покрытия с учетом использования акустооптического спектрофотометра и возможных колебаний технологических параметров работы вакуумной установки ВУ-2М находится в пределах 0,3% от расчетной спектральной кривой по всему рабочему спектральному диапазону.
12 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
Заключение
Успехи, достигнутые “Красногорским заводом им. С.А. Зверева” в решении задач освоения промышленной технологии изготовления высокоточных оптических призменных модулей для изделий специального назначения, еще раз подчеркивают важность кооперации с ведущими отечественными предприятиями и институтами, а также необходимость дальнейшего проведения научно-исследовательских работ по синтезу вспомогательных материалов: оптических и конструкционных клеев, пленкообразующих материалов с более совершенными физикохимическими свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архипов С.А., Потелов В.В., Сеник Б.Н. Особенности технологии изготовления высокоточных оптических призменных узлов и спектроделительных модулей для изделий с высокой пространственной ориентацией // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 12. С. 11–13.
2. ПотеловВ.В. Исследование эксплуатационных свойств конструкционных клеев для прецизионной сборки оптических призменных модулей // Стекло и керамика. 2009. № 4. С.28–34.
3. Тихонравов А.В., Трубецков М.К. Современное состояние и перспективы развития методов проектирования многослойных оптических покрытий // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 12. С. 66–73.
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
13
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ И ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
© 2009 г. Б. Н. Сеник, доктор техн. наук; А. Б. Бельский, канд. техн. наук; В. В. Потелов, канд. техн. наук
ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, г. Красногорск, Московская область
E-mail: bogdan_senik@mail.ru
Приведен обзор развития современных оптических технологий, используемых при промышленном изготовлении прецизионных сборок для оптико-электронных приборов и комплексов с высоким пространственным разрешением.
Ключевые
слова:
Коды OCIS: 220.4610, 310.1620
Поступила в редакцию 11.02.2009
Приоритетным направлением деятельности ФНПЦ ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева” являются разработка и создание много- и гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли, оптико-электронных комплексов передачи азимута систем для прицеливания ракетных комплексов, оптико-электронных каналов и систем изделий с высоким пространственным разрешением. В основе разработки и создания такой аппаратуры лежат промышленные технологии изготовления прецизионных призменных модулей.
Реализация предельных точностных и светотехнических выходных параметров призменных и спектроделительных модулей определяется уровнем освоения современных технологий из-
готовления прецизионных призм, оптических покрытий со сложным спектральным профилем, работающих одновременно в различных спектральных диапазонах, а также сборкой и юстировкой призменных оптических блоков с предельной точностью [1].
В качестве примера приведем типовые конструкторско-технологические требования к высокоточному призменному модулю для обеспечения заданных параметров системы передачи азимута (см. табл. 1).
Для технологического обеспечения производства оптических модулей с указанными требованиями необходимо создать прецизионные призменные сборки с точностью позиционирования в пределах ±1′′, а кроме того клеевые конструкции,
Таблица 1. Типовые конструкторско-технологические требованияк высокоточному призменному модулю
Требование
Погрешность изготовления
Погрешность контроля
Погрешность изготовления оптических поверхностей призм, ΔN
0,2
0,1
Пирамидальность призм, угл. с
10 1
Погрешность взаимного углового положения призм, угл. с
51
Клиновидность призменного блока, угл. с
30 1
Погрешность взаимного линейного положения призм, мм
0,05
0,003
Погрешность воздушного промежутка, мм
0,01
0,001
Интегральное отношение фон/сигнал по уровню 0,5 в области спектра от 0,4 до 1,1 мкм в каждом канале, %
8
2
Коэффициент пропускания фона, %
< 0,2
0,1
Погрешность совмещения центров выходных окон каналов, мкм
0,05
0,01
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
5
позволяющие реализовать предъявленные к ним требования, которые касаются
– обеспечения заданного положения деталей с высокой точностью,
– надежности крепления, – минимизации деформаций в оптических деталях при климатических и механических воздействиях, – стабильности положения и оптических характеристик в заданных пределах при эксплуатации, – улучшения массогабаритных характеристик. Одним из эффективных технологических методов получения высоких точностных и эксплуатационных параметров призменных сборок, необходимых для обеспечения предельно достижимых оптических параметров оптикоэлектронных систем, является технология глубокого оптического контакта (ГОК). Метод ГОК – бесклеевой способ монолитного соединения полированных оптических элементов с сохранением геометрии и качества соединяемых поверхностей и точности в пределах ±1′′ позиционирования оптических элементов, входящих в состав сборки, друг относительно друга. В качестве связующего слоя используется пленка двуокиси кремния (SiO2) толщиной 135– 150 нм, которая наносится химическим методом пиролиза или вакуумным методом ее нанесения на одну из соединяемых поверхностей. Далее отдельные оптические элементы соединяются оптическим контактом и подвергаются термической обработке в определенных температурных режимах. Учитывая важность вышеуказанной технологии для создания высокоточной оптики, были проведены комплексные исследования в части ее совершенствования с определением или уточнением требований – к оптическим заготовкам, из которых изготавливаются оптические элементы; – по шероховатости и плоскостности оптических поверхностей под ГОК, – по методам и составу химических растворителей для очистки поверхностей под ГОК. Были также реализованы следующие мероприятия: – создана специальная технология очистки кремнийсодержащего соединения – тетрахлорида кремния SiCl4 – с целью получения его максимальной чистоты; – проведены экспериментальные исследования структурного состояния пленки SiO2 в
зависимости от технологии нанесения и определена оптимальная степень пористости;
– с целью повышения стабильности технологии нанесения пленки SiO2 определены оптимальные внешние воздействующие температурные факторы – температура и влажность окружающей среды в помещении, где проводились эксперименты;
– определены оптимальные температурные режимы и давление для соединения оптическим контактом двух оптических элементов.
Кратко остановимся на основных технологических операциях для получения необходимых параметров. Тонкие наноразмерные слои оксида кремния наносят на кварцевые поверхности из паровой фазы для создания возможности соединения этих поверхностей без использования дополнительных склеивающих реагентов за счет ГОК.
Основной технологической операцией, используемой для получения ГОК, является нанесение тонкослойного покрытия (оксида кремния) на поверхность кварца с использованием паров кремнийсодержащих соединений – тетрахлорида кремния и тетраметоксисилана (ТМОС) – и воды по реакциям
SiCl4 + H2O → SiO2 + HCl,
(1)
Si(OCH3)4 + H2O → SiO2 + CH3OH. (2)
Основным требованием к наносимому слою является однородность поверхности по наличию гетерогенных примесей (включений). Для осаждения используется объемный газовый реактор, выполненный из нержавеющей стали и покрытый изнутри кислотостойкой эмалью и фторопластом. Компоненты вводят в реактор по раздельно расположенным вводам в виде смесей паров соединения и воды с газом-носителем – азотом. В качестве подложек для осаждения используются кварцевые пластины, полученные из блоков, выращенных гидротермальным методом [1].
Поверхности кварцевых заготовок перед осаждением обрабатываются различными спиртами с целью удаления масел и других органических примесей. При этом используются такие образцы спиртов, как метанол, этанол и изопропанол, очищенные ректификацией на насадочных колоннах, а также продукты реактивных квалификаций, производимые отечественными “ЭКОС-1”, “Компонент”, “Реа-Экс” и зарубежными (“Merck” ФРГ) фирмами. Содержание примесей металлов в спиртах составляло 10–6–10–8 масс.% каждо-
6 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
го, примесей органических соединений – 10–2– 10–4 масс.% каждого, содержание воды для различных образцов – от 1 до 0,05 масс.%.
Очистка поверхностей проведена промывкой в ваннах с последующей сушкой образцов, протиркой смоченными в спиртах неволокнистыми тканями, парожидкостной обработкой при температуре кипения спиртов. Чистота поверхностей контролируется методом инфракрасной спектроскопии. Лучшие результаты по очистке поверхностей были получены при использовании парожидкостной обработки поверхностей этанолом и изопропанолом с содержанием влаги на уровне не более 0,2 масс.%.
Для осаждения были испытаны образцы тетрахлорида кремния фирмы “Aldrich” (Англия), очищенные дополнительной ректификацией, и фирмы “Реа-Экс” (Россия). Содержание примесей ряда металлов в использованных для осаждения образцах тетрахлорида кремния составляло порядка 10–6–10–8 масс.%. Концентрация углеродсодержащих примесей типа метилтрихлорсилана в очищенном образце тетрахлорида кремния фирмы “Aldrich” составляла 1×10–1 масс.%. В образцах фирмы “Реа-Экс” содержание данных примесей не превышало 5×10–3 масс.%. В качестве источника влаги использовали воду, очищенную двойной дистилляцией в кварцевой установке и на ионообменных смолах. Дополнительная очистка методом “sub-boiling” не привела к улучшению качества полученных покрытий и поэтому в дальнейшем не применялась. Содержание отдельных примесей металлов в воде также составляло 10–6–10–8 масс.%.
ТМОС был синтезирован путем взаимодействия технического тетрахлорида кремния с метанолом в присутствии аммиака и очищен ректификацией. Содержание примесей отдельных металлов в нем не превышало порядка 10–6–10–8 масс.%.
Испарение исходных воды и кремнийсодержащих соединений осуществлялось из стеклянных барботеров путем подачи в них через ротаметры газообразного азота, осушаемого на силикагеле и цеолитах. Скорость роста слоя контролировали непрерывно оптическим методом по контрольному образцу-свидетелю. Требуемая толщина полученных слоев составляла 160–250 нм. Оптимальная скорость роста, обеспечивающая требуемое качество покрытий, – 15–20 нм/мин.
Осаждение покрытия кварца на поверхность с использованием в качестве источника тетрахлорида кремния проводилось при температуре
подложки 20–30 °С. При применении ТМОС обнаружено, что осаждение на подложке с заметной скоростью начинается с температуры 350– 360 °С. Оптимальная температура осаждения составляла 390–420 °С.
Реакция между кремнийсодержащими компонентами и водой проходит, в основном, в объеме аппарата осаждения, т. е. носит гомогенный характер. На поверхность изделия осаждается не более 0,1% от диоксида кремния, образующегося из используемых исходных кремнийсодержащих реагентов. Наличие избыточных компонентов приводит к нежелательным эффектам, выражающимся, в частности, в выпадении на поверхности аморфного порошка диоксида кремния за счет гомогенной реакции в объеме.
Для снижения возможности проявления данного процесса необходимо было увеличить степень использования соединений кремния и максимального осаждения диоксида кремния на поверхности. Проведены эксперименты по осаждению слоев при изменении различных параметров процесса, а именно:
использование исходных продуктов различной квалификации по чистоте,
термостатирование барботеров при различных температурах,
изменение скорости подачи газов-носителей через барботеры.
При использовании образцов кремнийсодержащих соединений различной квалификации по чистоте выявлено, что применение более загрязненных по примесям металлов и углеродсодержащих веществ приводит к стабильному появлению на поверхности кварца дефекта – “серости”, определяемой визуально.
Обнаружена сильная зависимость качества получаемых слоев от изменения соотношения газов, пропускаемых через барботеры с реагентами, а также от изменения температуры барботеров. Этот факт мы относим к различной степени насыщения парами исходных компонентов газаносителя.
Проведенные измерения скорости уноса реагентов через барботеры показали, что насыщение паровой фазы реагентами изменяется в зависимости от высоты слоя жидкости, размеров пузырьков газа-носителя. При этом содержание того или иного реагента в газе-носителе могло изменяться в несколько раз. Таким образом, для получения воспроизводимых результатов осаждения необходимо поддержание постоянного уровня жидкостей в барботерах и скорости подачи газа-носителя через них.
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
7
Поддержание постоянных уровней жидкости в барботерах позволило сохранять требуемую стехиометрию реагентов в течение процесса.
Очевидно, что соотношение парциальных давлений паров воды и кремнийсодержащих соединений в системе существенно влияют на кинетику процесса. В сочетании с изменением степени насыщения исходными компонентами паров газа-носителя аналогичное изменение, связанное с различным характером зависимостей давления насыщенных паров кремнийсодержащих соединений и воды, может значительно влиять на характер процесса осаждения. Значения парциальных давлений определяли по данным [2].
Спектры пропускания образцов кварца изучали в ультрафиолетовой (УФ), видимой и ИК областях. Исследованы образцы кварцевых заготовок, используемых в качестве подложек для нанесения тонких слоев диоксида кремния из паровой фазы, с целью определения их пригодности для оптимальных условий получения покрытий. Измерение спектров пропускания образцов в УФ и видимой областях спектра (200–900 нм) проведено на спектрофотометре М-40 фирмы “Карл Цейсс”.
В связи с тем что площадь поверхности образцов была меньше площади отверстия в стандартном держателе, съемка спектров проводилась с использованием нестандартного держателя.
Пропускание для различных образцов кварца в области 200–900 нм практически одинаковое (табл. 2).
Спектры образцов содержат заметную полосу поглощения с максимумом 227 см–1, в спектре кварцевой кюветы фирмы “Карл Цейсс” подобная полоса отсутствует. Данная полоса вызвана примесью (10–3–10–4 масс.%), поглощающей в УФ области.
ИК спектры получены на двухлучевом ИК спектрофотометре 983 G фирмы “Перкин-Эльмер” [3]. Спектры регистрировали с использованием дифференциального метода, предварительно записывая в память спектра нулевую линию,
Таблица 2. Светопропускание образцов кварца в области 200–900 нм, %
Номер образца
200
λ, нм 300 500
900
1
45,5
87,0
96,0
94,0
2
45,1
87,2
96,3
94,2
которую вычитали из ИК спектров кварцевых
образцов.
Для определения диапазона измерений сняты
ИК спектры образцов с нанесенными покрытия-
ми (1–6), полученных с использованием тетра-
хлорида кремния, и образцов (7–13), полученных из ТМОС, в области 4000–180 см–1. Начиная с 2300 см–1, для всех этих образцов наблюдается
полное поглощение. В связи с этим регистрировать пропускание в области 2300–180 см–1 не
имело смысла и ИК спектры образцов были сняты в области 4000–2000 см–1. ИК спектры всех образцов, за исключением области 3650–3700 см–1,
практически идентичны и совпадают с литера-
турными данными по спектрам кристаллическо-
го диоксида кремния.
В табл. 3 приведены значения пропускания образцов диоксида кремния при υ = 4000 см–1 (начало измерений), 3664 см–1 (максимум по-
лосы поглощения валентных колебаний гидроксильных групп), 2650 см–1 (максимум по-
лосы поглощения обертонных колебаний связи кремний-кислород) и 2300 см–1 (начало нулевого
пропускания).
Большинство образцов имели максимальное пропускание (87–91%) при υ = 4000 см–1 (λ = 2,5 мкм). Для всех образцов характерна интенсивная полоса поглощения с максимумом при υ = 3660 см–1, относящаяся к валентным колебаниям гидроксильных групп (υОН). Имеются все основания для вывода о том, что ис-
пользуемый для изготовления изделий кварц
содержит большое количество гидроксильных
Таблица 3. Пропускание образцов диоксида кремния, %
Номер образца 4000
ν, см–1
3664
2650
2300
1 87 0 24
0
2 88 0 24
0
3 91 0 25
0
4 87 0 24
0
5 88 0 24
0
6 87 4 24
0
7 74 7 22
0
8 89 5 25
0
9 87 1 22
0
10 89 3 24
0
11 92 5 25
0
12 90 4 26
0
13 83 2 24
0
8 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
групп (с концентрацией, возможно, более 0,01%) как в объеме, так и на поверхности исследованных образцов.
Наличие слабого (24–25%) пропускания при υ = 2650 см–1 связано, возможно, с наличием на поверхности неполностью отщепленных углеводородных радикалов. Этот эффект требует дальнейшего исследования.
Область полного поглощения в исследованном диапазоне спектре для всех образцов начинается с υ = 2300 см–1 и продолжается до υ = 180 см–1. По сравнению с образцами кварца, используемого в оптических кюветах, в УФ спектрах исследуемых образцов наблюдались полосы с максимумом поглощения на λ = 227 нм.
Неполнота гидролиза в объеме реактора и на поверхности изделия дает возможность образования промежуточного слоя оксида кремния с высокой поверхностной активностью, которая реализуется в дальнейшем при создании ГОК с хорошими механическими параметрами – прочностью на разрыв.
Таким образом, можно сделать вывод, что используемый в технологических процессах нанесения кварц, является вполне пригодным и может обеспечивать хорошую адгезию слоя диоксида кремния к поверхности заготовки.
С точки зрения получения тонких слоев оксида кремния, для создания ГОК используемым методом этот результат является весьма важным, поскольку наличие ОН-групп на поверхности способствует хорошей адгезии на ней слоя, образующегося при гидролизе оксида кремния.
Важным результатом является то, что качество покрытий, полученных с использованием четыреххлористого кремния и ТМОС, практически одинаковое. Таким образом, имеется возможность для выбора исходных реагентов в зависимости от конструкции реактора, температуры осаждения, требований к экологической чистоте процесса.
Вышеописанная технология ГОКа позволяет обеспечивать точность позиционирования оптических элементов в пределах ±1′′ при прочности на разрыв соединения не менее 700 кг/см2.
Вторым немаловажным и эффективным методом для прецизионной сборки металлостеклянных оптических призменных модулей является оптимальный выбор и применение конструкционных клеев.
Опыт по созданию и эксплуатации различных клеевых конструкций позволяет сделать вывод, что наиболее проблемными являются композиции “стекло–металл” из-за низкой стабильно-
сти пространственного положения оптических элементов, недостаточной прочности на сдвиг и отрыв, нестабильности технологии производства клеевых конструкций, малой номенклатуры используемых клеев.
В работе [2] описаны комплексные исследовательские и экспериментальные работы по применению существующих клеев для композиции “стекло–металл”, анализу физико-химических свойств клеев, испытаниям контрольных образцов, склеенных с помощью оптимизированных по результатам математического моделирования клеев; приведены рекомендации по корректировке и доработке существующих клеев. Исследования и испытания новых перспективных клеевых композиций показали возможность изготовления прецизионных оптических призменных сборок со следующими характеристиками:
величина двойного лучепреломления (при склеивании и после испытаний)
не более 25 нм/см,
деформация рабочей поверхности оптической детали (отклонение от плоскостности)
не более λ/4,
рабочий диапазон температур, в котором сохраняются точностные характеристики
от –60 °С до +70 °С,
прочность на сдвиг
прочность на отрыв
прочность на неравномерный отрыв
не менее 60 кгс/см2, не менее 120 кгс/см2,
не менее 30 кгс/см2,
срок службы
не менее 12 лет.
Известно, что для создания высокоточных оптических узлов нередко применяются детали, изготовленные из разнородных материалов с различными коэффициентами температурного линейного расширения (силикатное стекло, титановый сплав), сборка которых осуществляется методом склеивания [3]. Как правило, для изготовления высококачественных отдельных компонентов сборок применяется оптическое стекло марки К-8 с высокой степенью однородности и малым двойным лучепреломлением. В качестве материала для механических деталей используется титановый сплав ВТ-1-0.
Для склеивания указанных материалов применяются клеи, обладающие высокой адгезией к силикатному стеклу, а также достаточно высокими не только прочностными, но и эластичными
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
9
свойствами (для снятия внутренних напряжений, возникающих при склеивании разнородных материалов).
С этой целью была проведена серия исследований физико-механических характеристик клеев ВК-27 и К-300-61 с подслоем КЛТ-300 для оценки их влияния на стабильность оптических характеристик в процессе эксплуатации и определения долговечности (срока службы) склеенных оптических сборок.
Клеи ВК-27и К-300-61 представляют собой композиции на основе модифицированных эпоксидных смол и низкомолекулярных полиамидов. Они отверждаются практически без усадок как при комнатной температуре, так и при температуре 60 °С без влияния побочных продуктов, образуя композиции с высокими физико-механическими характеристиками.
Стандартные образцы на указанных клеях прошли различные виды испытаний как в ис-
ходном состоянии, так и после воздействия температуры, вибрации, механических нагрузок, указанных в табл. 4–6.
Следующий этап работ был посвящен изучению деформационных свойств клея ВК-27 в условиях равномерного сдвига.
Для определения прочности на сдвиг образцы из алюминиевого сплава Д16 АТ Ан. Окс. Хром и титанового сплава ОТ-4 были склеены с помощью клея К-300-61.
Результаты испытаний приведены в табл. 7. Клеевые соединения из алюминиевого и титанового сплавов на клее К-300-61 выдерживают термическое старение при 200–300 °С. Прочность клеевых соединений после пребывания в атмосфере с относительной влажностью 98% при 40 °С в течение 20 суток составляет 150 кгс/см2. Увеличение прочности при сдвиге клеевых соединений при температуре –60 °С показывает, что клей очень жесткий, поэтому в дальнейшем рекомен-
Таблица 4. Механические свойства клеевых соединений на клее ВК-27 при низкой, нормальной и повышенной температурах
Наименование свойства
Склеиваемые материалы
Д16 зашкуренный
Д16 АТ Ан. Окс. Хром.
Д16 АТ Ан. в серн. к-те
ОТ-4 дробленный
Прочность при сдвиге, τВ, кгс/см2
30ХГСА дроблен.
30ХГСА-кадм.
КАСТ-зашкурен.
СТП-6 зашкурен.
ЭПС-2Т зашкурен.
Прочность при отрыве, σотр, кгс/см2
Д16 АТ Ан. Окс. Хром 30ХГСА дроблен.
Прочность при
неравномерном отрыве, Sотр, кгс/см2
Д16 АТ зашкурен. Д16 АТ Ан. Окс. Хром
Температура испытания, °С
–60 220 (210–238) 220 (205–235) 140 (130–165) 260 (235–275) 260 (255–275)
—
—
—
—
450 (400–500)
500 (470–540)
32 (27–36)
35 (32–38)
20
245 (230–250)
248 (235–270)
235 (225–260)
270 (250–280)
275 (270–280)
285 (265–295)
100 (90–110*)
80 (65–100*)
176 (153–203)
380 (340–415)
375 (345–405)
44 (38–50)
45 (38–52)
80
90 (84–98)
107 (97–117)
90 (84–107)
95 (90–105)
100 (95–105)
94 (90–96)
100 (85–110)
75 (60–85)
115 (104–124)
95 (80–110)
65 (60–75)
16 (14–20)
22 (19–26)
* – разрушение по материалу.
10 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
Таблица 5. Вибростойкость при сдвиге r = σmin/σmax = = 0,1; частота вибраций f = 2000 цикл/мин. Склеиваемые материалы Д16 АТ Ан. Окс. Хром
Температура Максимальное Число циклов испытания, °С напряжение цикла, до разрушения
кгс/см2
20 125 104 100 105 75 106 65 107
80 46 104 35 105 24 106 15 107
Таблица 6. Деформационные свойства клея ВК-27
Характеристика в условиях равномерного сдвига при температуре
испытания 20 °С Прочность, кгс/мм2
Модуль сдвига, кгс/мм2
Значения параметра
2,7 27–54
Относительное удлинение, %
Выносливость при σmax = 10 кгс/мм2, f = (7–8) Гц циклов клеевых соединений
50–125 1,5×106
Таблица 7. Изменение прочности при сдвиге клеевых соединений на образцах из сплавов Д16 АТ Ан. Окс. Хром и ОТ-4
Склеиваемые материалы
Прочность при сдвиге,τВ кгс/см2, при температуре
испытания, °С
–60 20 80
Алюминиевый сплав
258 125 60
Д16 АТ Ан. Окс. Хром
Титановый сплав ОТ-4 240 150 65
довано его использовать с кремнийорганическим эластичным подслоем КЛТ-30.
Полученные данные по исследованию физикомеханических характеристик клеев показали, что клеевые соединения ВК-27 и К-300-61 обладают длительной высокой вибропрочностью, стабильностью механических свойств в среде воздуха при воздействии повышенных и пониженных температур, влагостойкостью.
Однако клей ВК-27 имеет более высокую прочность в сочетании с достаточно высокими эластичными характеристиками.
Одним из важнейших технологических факторов при создании многофункциональных оптических и оптико-электронных систем с высокоточными оптическими элементами является уровень технологии нанесения оптических покрытий. В частности, для обеспечения высоких радиометрических характеристик и спектрального разрешения аппаратуры дистанционного зондирования Земли важным технологическим моментом является нанесение тонкослойных диэлектрических покрытий. Проведенные теоретические и практические исследования в области синтеза оптических покрытий позволили разработать промышленную технологию изготовления оптических элементов со сложными (по форме спектральной кривой отражения и пропускания) высококачественными покрытиями.
Разработана и реализована усовершенствованная методика синтеза конструкций неравнотолщинных оптических покрытий. Математически многослойные оптические покрытия описываются системой, состоящей из конечного числа слоев с различными показателями преломления и толщинами, заключенных между двумя полубесконечными средами. Если слои однородны, изотропны, имеют параллельные границы, то падающее на оптическое покрытие излучение описывается линейно поляризованной монохроматической плоской волной. Определение отражения, пропускания и поглощения многослойной тонкопленочной системы, с точки зрения электромагнитной теории, сводится к решению уравнений Максвелла при заданных граничных и начальных условиях, т. е. к определению стационарных амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей на всех границах многослойной системы при падении световой волны с заданными характеристиками.
Для создания оптического покрытия с требуемыми спектральными характеристиками достаточно решить задачу синтеза конструкции многослойной пленочной системы. Для этого необходимо
• выбрать материалы, образующие тонкие пленки;
• задать показатели преломления для выбранных материалов,
• задать показатели преломления сред, обрамляющих многослойную систему;
• подобрать необходимое количество и толщины слоев из выбранных материалов, а также
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
11
последовательность их чередования, если число выбранных материалов более 3.
Успешное решение задачи синтеза зависит от выбора метода оптимизации спектральных параметров покрытия.
В основе всех методов оптимизации лежит предположение о том, что всю совокупность интересующих свойств оптического покрытия можно охарактеризовать показателем качества (или целевой функцией) F, зависящим от его конструктивных параметров. С помощью показателя F оценивается отклонение желаемой спектральной характеристики от ее приближения. Таким образом, задача синтеза оптического покрытия сводится к минимизации целевой функции на ограниченном множестве конструктивных параметров. Ограничения конструктивных параметров определяются возможностями технологической реализации фильтра.
Среди известных методов оптимизации неравнотолщинных многослойных интерференционных покрытий наилучшие практические результаты удается достигнуть, используя “технику игольчатой оптимизации”. Суть этого подхода можно представить следующим алгоритмом:
1) задание начальной конструкции фильтра, 2) оптимизация показателя качества F путем вариации толщин слоев фильтра, с использованием любого известного метода оптимизации (градиентного спуска и др.); 3) вычисление некоторой P-функции, являющейся коэффициентом, связывающим приращение целевой функции δF с толщиной тонкого (“игольчатого”) слоя, установленного в конструкцию фильтра, проверка достижения цели оптимизации δF = 0; 4) выбор такого места установки игольчатого слоя в текущую конструкцию фильтра, что конструкция фильтра с игольчатым слоем будет иметь показатель качества выше, чем текущая конструкция; 5) установка в конструкцию фильтра игольчатого слоя и переход к шагу 2). В отличие от других методов синтеза оптических покрытий, техника игольчатой оптимизации гарантирует достижение глобального оптимума при произвольной начальной конструкции оптического покрытия. В частности, расчет конструкций оптического покрытия спектроделительного модуля проводился с использованием техники игольчатой оптимизации с помощью программы OptiLayer, разработанной коллективом НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством профессора А.В. Тихонравова [3].
Кривая спектрального пропускания.
В результате были найдены оптимальные конструкторско-технологические решения, обеспечивающие требуемые характеристики спектроделительного модуля оптико-электронных систем для дистанционного зондирования Земли и контроля космического пространства.
Ниже представлены исходные данные и результаты расчета спектроделительного покрытия, а на рисунке – характеристика его спектрального пропускания.
Рабочий угол 14,7°. Среда – стекло К8. Используемые вещества ZnS (n = 2,3) и MgF2 (n = 1,38). Число слоев – 27. Коэффициент пропускания не более 0,07 на длине волны 600 нм. Отражение светового потока в области спектра от 420 до 580 нм (коэффициент пропускания не более 0,015). Пропускание светового потока в области спектра от 620 до 1100 нм (коэффициент пропускания не менее 0,99) Конструкция: (0,536H, 0,662L, 1,000H, 0,797L, 0,795H, 0,946L, 0,905H, 0,838L, 0,890H, 0,924L, 0,893H, 0,870L, 0,897H, 0,916L, 0,897H, 0,870L, 0,893H, 0,924L, 0,890H, 0,838L, 0,904H, 0,946L, 0,795H, 0,798L, 1,000H, 0,663L, 0,536H). Точность и воспроизводимость теоретического решения этого покрытия с учетом использования акустооптического спектрофотометра и возможных колебаний технологических параметров работы вакуумной установки ВУ-2М находится в пределах 0,3% от расчетной спектральной кривой по всему рабочему спектральному диапазону.
12 “Оптический журнал”, 76, 8, 2009
Заключение
Успехи, достигнутые “Красногорским заводом им. С.А. Зверева” в решении задач освоения промышленной технологии изготовления высокоточных оптических призменных модулей для изделий специального назначения, еще раз подчеркивают важность кооперации с ведущими отечественными предприятиями и институтами, а также необходимость дальнейшего проведения научно-исследовательских работ по синтезу вспомогательных материалов: оптических и конструкционных клеев, пленкообразующих материалов с более совершенными физикохимическими свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архипов С.А., Потелов В.В., Сеник Б.Н. Особенности технологии изготовления высокоточных оптических призменных узлов и спектроделительных модулей для изделий с высокой пространственной ориентацией // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 12. С. 11–13.
2. ПотеловВ.В. Исследование эксплуатационных свойств конструкционных клеев для прецизионной сборки оптических призменных модулей // Стекло и керамика. 2009. № 4. С.28–34.
3. Тихонравов А.В., Трубецков М.К. Современное состояние и перспективы развития методов проектирования многослойных оптических покрытий // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 12. С. 66–73.
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
13