О выборе технологии формообразования поверхностей линз для субмиллиметрового диапазона длин волн Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

О ВЫБОРЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЛИНЗ ДЛЯ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

Диана Георгиевна Макарова

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383) 343-91-11, e-mail: diana_ssga@mail.ru

В статье рассмотрены варианты технологий изготовления оптических деталей, выполненных из различных оптических материалов, работающих в субмиллиметровом диапазоне спектра.

Ключевые слова: технология изготовления оптических деталей, субмиллиметровый диапазон длин волн.

ABOUT THE CHOICE OF TECHNOLOGY OF FORMING SURFACES OF LENSES FOR SUBMILLIMETER WAVELENGTH RANGE

Diana G. Makarova

The Siberian state academy of geodesy, the post-graduate student of faculty of Nanosystems and optotechnics, 630108, Russia, Novosibirsk, Plachotnogo 10, ph. (383) 343-91-11;

е-mail: diana ssga@mail.ru

The article considers the technology of the production of optical components made of optical materials, working in the submillimeter range of the spectrum.

Key words: technology of manufacture of the optical components, a submillimetric range of lengths of waves.

Недавнее падение Чебаркульского (Челябинского) метеорита, а главное внезапность его появления, показало всю опасность космической угрозы для населения Земли. В последние годы исследования и строительство телескопов для субмиллиметрового диапазона спектра позволило «видеть» через пылегазовые области, не прозрачные для телескопов визуального диапазона спектра.

Создание гигантских телескопов наземного базирования (E-ELT или TMT), или же новых концепций космических телескопов, как, например, Джеймс Вебб (наследник телескопа Хаббл), невозможно без новых технологических подходов и нового обрабатывающего оборудования. Например, компания OptoTech взяла на себя задачу разработать новое поколение станков для обработки астрооптики. Был создан уникальный обрабатывающий центр, объединяющий в себе 4 ключевых особенности: прецизионная шлифовка алмазным инструментом, интегрированная прецизионная измерительная система для шлифованных поверхностей, высокопроизводительная полировка шаровым инструментом, а также сглаживающая полировка и доводка субапертурным инструментом, интегрированный интерферометр для контроля полированных поверхностей. Оптика получается с высокими качественными показателями, детали получаются уникальными, стоимость подобных оптических элементов высока и недоступна

для широкого использования. В России аналогичную оптику производит фирма Tydexoptics [1].

Создание глобальной системы оповещения о космической опасности довольно сложная проблема. Решить её с помощью только мощных телескопов астрономических обсерваторий вряд ли возможно. Для этой цели требуется привлечение армии астрономов-любителей, организации системы их наблюдений и оснащение их современным специализированным оборудованием. Свои возможности в открытии и изучении малых космических объектов астрономы-любители хорошо доказали.

Важной проблемой является разработка компактных приемников излучения для субмиллиметрового диапазона спектра. Работы в этом направлении ведутся НИИФП, НГУ СОРАН РФ [2]. Прогнозируется создание в ближайшем будущем компактных и доступных приемников излучения для терагерцового диапазона спектра, включающего в себя субмиллиметровую область. Например, в НИИФП разработан неохлаждаемый матричный приемник излучения по кремниевой технологии, работающий в диапазоне длин волн 3-14 мкм и 2003000 мкм (одновременно).

Задачей настоящего исследования является выбор оптимальных технологических процессов для серийного изготовления оптических элементов из кремния, кварца и полиэтилена. Сделать доступными подобные линзы является актуальным для развития любительской астрономии. Это позволит астрономам, обладающим телескопом для работы в визуальном диапазоне спектра, усовершенствовать его при помощи линзы или системы линз, для работы в субмилли-метровом диапазоне спектра.

В работе [3] был проведен расчет типовой схемы астрообъектива Ричи-Кретьена с полевыми компенсаторами одной оптической силы, выполненными из разных оптических материалов прозрачных в субмиллиметровом диапазоне спектра. У выбранных материалов для полевых компенсаторов численные значения показателя преломления значительно разнесены. В табл. 1 приведены конструктивные параметры оптических элементов полевых компенсаторов из разных материалов.

Таблица 1

Конструктивные параметры оптических элементов

Материал линзы Радиусы ПХ=200мкм Оптическая сила

Кремний r1 = - 121,80 3,4165 -0,000112

r2 = - 125,46

Кварц плавленый r1 = - 115,00 2,1170 -0,000112

r2 = - 118,11

Полиэтилен П = - 81,77 1,5137 -0,000112

r2 = - 84,02

С помощью пакета прикладных программ Synopsys был произведен расчет допусков на изготовление линз полевого корректора, выполненных из материа-

лов с разными физико-химическими свойствами - кремния, кварца, полиэтилена, с учетом конструктивных параметров, приведенных в табл. 1. При расчете допусков на оптические поверхности для всех вариантов применялся единый критерий качества - дифракционный размер аберрационного кружка для длины волны Л=200мкм. Допуски на оптические поверхности и толщину линзы по оси приведены в табл. 2.

Таблица 2

Допуски на радиусы поверхностей и толщину линзы по оси

№ поверхн. Радиусы Допуск на радиус Толщина Допуск, мм

мм кольца

Кремний

4 - 121,80 0,129 18,2 7 0,01

5 - 125,46 0,131 18,6

Кварц плавленый

4 - 115,00 0,119 18,6 7 0,01

5 - 118,11 0,123 18,9

Полиэтилен

4 - 81,77 0,059 18,7 7 0,01

5 - 84,02 0,064 19,2

Численные значения допусков на сферические преломляющие поверхности довольно велики и значительно выше допусков, назначаемых при операции шлифование. Это позволяет предположить возможность замены операции шлифование на другие менее трудоемкие операции.

Технологии формообразования преломляющих поверхностей оптических деталей в субмиллиметровом диапазоне спектра в зависимости от выбранного материала и серийности производства могут сильно отличаться. Физикохимические свойства материалов, применяемых в субмиллиметровом диапазоне, настолько разнообразны, что позволяют применять операции чистового точения, фрезерование алмазной сферической фрезой и литье под давление в пресс-форму. Таким образом, выбор оптического материала повлечет за собой выбор технологии изготовления, что в итоге скажется на себестоимости оптических деталей.

На основе полученных данных были выбраны технологии формообразования преломляющих поверхностей оптических деталей, оборудование, инструменты, а также определено время на изготовление одной поверхности в нормо-часах (табл. 3).

Таблица 3

Сравнительные параметры оборудования и технологических процессов формообразования

Технология формообразования по-верхн. Материал детали

Кремний HRFZ-Si Кварц плавленый Полиэтилен

Метод изготовления Точение Фрезерование Горячее прессование

Оборудование Токарный ОЦ с ЧПУ NL1005H Вертикальные фрезерные ОЦ EMCOMILL E600 Термопласт- автомат LOG90

Инструмент Резец фасонный Фреза сферическая алмазная Пресс-форма

Точность обработки, мкм ±1 ±1 ±1

Примерное время изготовления одной по-верхн., н/ч 0,2 0,1 0,1

Стоимость материала заготовки, руб/кг 19000 4000 5000

На основе полученных результатов можно сделать некоторые выводы:

- развитие современных технологий в электронике позволяет надеяться на появление в ближайшие годы компактных и недорогих приемников излучения субмиллиметрового диапазона спектра;

- разработка оптической элементной базы для субмиллиметрового диапазона спектра требует оптимизации технологии формообразования преломляющих поверхностей с учетом свойств материалов и серийности производства;

- величины допусков позволяют использовать на первом этапе формообразования поверхностей операции точение, фрезерование и горячее прессование;

- возможность исключения из технологии изготовления деталей таких энергоемких и затратных операций, как шлифование и полирование, потребует дополнительных исследований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ТГц линзы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tydexoptics.com /pdf/ru/ z Lenses.pdf.

2. Кузнецов С.А., Федоринин В.Н. Матричный приемник терагерцового излучения

(патент № 2414688) [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.freepatent.ru/patents/2414688#formula

3. Макарова Д.Г., Ефремов В.С. Коррекционные свойства полевого компенсатора астрообъектива в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Интерэкспо Гео-Сибирь-2012, С. 116-120.

© Д.Г. Макарова, 2013