空间相机SiC反射镜的制作

    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)。