碳化硅轻型反射镜的研究进展

　　0　前言

　　反射镜片是大型太空望远镜、大型地面望远镜、预警卫星、探测卫星、侦察卫星、气象卫星、高能激光武器、激光雷达系统、真空紫外线望远镜和高分辨率空间相机光学系统的重要组成部分[1]。随着高能连续激光技术的飞速发展,激光系统中的反射镜承受着越来越高的功率密度,传统的材料和表面质量标准已不能完全适应于高能连续激光系统的需要。高功率连续激光反射镜是高能连续激光系统中的主要光学元件,其质量的好坏直接影响着高能激光系统的性能。从材料学的角度,激光反射镜材料应满足的基本要求是[1~5]:(1)热稳定性好,保证反射镜能在很宽的温度范围内(4~700K)正常工作,有高的弹性模量,低的热膨胀系数;(2)物理性能和热性能各向同性,有高的热导率,保证镜片在温度变化时不会产生变形;(3)具有高反射率和低散射率,要求材料表面具有很高的理论密度,可获得高的表面光滑度;(4)具有抗腐蚀性和化学稳定性,可抵抗高能微粒子长期冲刷;(5)材料加工工艺性好,在保证反射镜正常工作的前提下能进行加工减重,材料具有高的比刚度(E/ρ),易于机械加工。

　　1　SiC反射镜材料

　　1.1　反射镜材料的发展

　　目前反射镜材料已发展到第三代[6]。第一代反射镜用材料是玻璃,如Zerodur、Quarts、ULE(Ultra2Low Expansion)玻璃等,最有代表性的是Zerodur。Zerodur是德国Schott公司微晶玻璃的牌号,是用于光学、光电和精密工程的微晶玻璃,其膨胀系数近似为零。Zerodur是一种高均匀性的材料,即使是直径数米的材料在不同地方其热性能和机械性能几乎没有偏差。既能做重达几吨的块料,又可做很小的元器件。玻璃的密度适中,可抛光性强,可制成很好的镜面材料。但微晶玻璃比刚度低,容易变形,要使玻璃成像质量稳定,玻璃镜的直径和厚度需要满足一定的比值,因此玻璃反射镜比较重。此外,玻璃导热性能和抗热震性能差,难以强制水冷,不适宜制作大型空间反射镜。

　　第二代反射镜材料是金属,包括Be、Al、Mo、Cu等,其中以Be为代表。Be及其合金有较高的弹性模量、优异的力学性能,但其热膨胀系数很高,易产生热变形;Be有剧毒,对人体有害,对其进行加工时需要采取一系列保护措施,大大增加了制造成本,Be反射镜制造成本高出SiC反射镜数倍。基于环保考虑,欧美一些发达国家已经停止使用Be反射镜。

　　第三代反射镜是SiC材料及碳纤维增强SiC复合材料。SiC镜片质量轻,且具有弹性模量高、热变形系数小、比刚度高等特点,能制成很薄或多孔结构,轻量化效果明显;SiC热稳定性好,在低温下热膨胀系数小及导热性能良好,热性能和机械性能各向同性;SiC光学性能可与光学玻璃媲美,可达到很高的抛光精度。因此,SiC陶瓷材料非常适用于反射镜体系。