[发明专利]碳化硅非球面反射镜加工与改性一体化的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种天文望远镜镜面的加工技术，具体涉及一种碳化硅非球面反射镜加工与改性一体化的制备方法。该制备方法可以克服现有技术碳化硅非球面加工由于材料的特殊性质导致磨制效率低下和较大的粗糙度等问题。

背景技术

碳化硅材料具有刚性高、热稳定性好、热膨胀系数小、热导率大、耐磨损性耐化学腐蚀性高、机械性能各项同性和无毒等优点，是目前公认的应用于空间光学系统的最佳反射镜材料。由于碳化硅材料的特殊结构，磨制碳化硅反射镜非常具有挑战性：接近于金刚石的硬度带来了磨制效率低下的问题；稳定的化学特性无法“柔化”表面以提高抛光过程中镜体的表面粗糙度和表面去除效率；表面的晶粒结构使得研磨、抛光过程中很容易形成晶粒整体剥落，形成表面麻点，而剥落的较大晶粒可能会反过来划伤表面，这些特点使碳化硅很难达到高质量的表面粗糙度。

因此，碳化硅反射镜通常需要进行基底表面改性以提高表面粗糙度。所谓碳化硅表面改性就是在碳化硅基底表面镀制一层与基底结合牢固、且抛光性能良好的具有相当厚度的致密膜层，以覆盖基底表面缺陷，然后再对致密改性层进行光学精密抛光，以达到获得较高质量的光学表面的目的。

碳化硅基底表面改性方法主要有化学气相沉积和物理气相沉积。在碳化硅非球面镜的加工中，若仅加工碳化硅表面至起始球面，而后通过真空蒸镀技术完成非球面的成型与改性，最后对致密改性层进行光学精密抛光将会大大提高碳化硅非球面镜的加工效率。碳化硅非球面加工与改性过程如图1所示。

图1为真空蒸镀碳化硅非球面示意图，图中，碳化硅反射镜1位于蒸镀室上方，掩膜板2的形状由所需非球面与基础球面的厚度差和实际膜厚分布所决定；辅助镀膜用离子源3，电子束蒸发源4。

真空蒸发镀膜(简称蒸镀)是在真空条件下，用蒸发器加热物质，使之汽化蒸发，蒸发粒子流直接输运到基片并在基片上沉积形成固态薄膜的一种工艺方法。真空蒸发加热的方式主要有电阻加热蒸发、电子束加热蒸发、高频加热蒸发和激光加热蒸发等方式。近年来，随着离子束辅助镀膜技术的引入，增强了薄膜与基底的结合力，降低了薄膜的内应力，同时能增加膜的堆积密度，提高膜的致密性，消除柱状晶，细化膜结构，因此，成膜质量得到了显著提高，薄膜性质已经接近于同质固体材料。现代真空蒸镀设备性能稳定，膜厚分布重复性好，辅以特殊设计的掩膜板，可实现膜层厚度在被镀元件上的特殊分布。

本发明将真空蒸镀技术同时应用于碳化硅非球面的成型与改性阶段。在碳化硅非球面成型阶段通过填充材料取代磨削手段，克服了磨制碳化硅效率低下的问题；同时用于蒸镀成型的膜层即为改性膜层，非球面成型后直接用于光学的精密抛光，可获得高精度低粗糙度的碳化硅非球面元件。

本发明可用于大口径非球面的加工，蒸镀材料可以根据光学元件的性质进行选择。由于在碳化硅非球面成型与改性后还要进行光学精密抛光，因此可以获得高精度低粗糙度的碳化硅非球面元件。

发明内容

为了克服现有技术中，碳化硅非球面加工时，由于材料的特殊性质导致磨制效率低下和较大的粗糙度等问题。本发明的目的是提供一种碳化硅非球面反射镜加工与改性一体化的制备方法。本方法是一种表面粗糙度低、加工周期短、成本低的碳化硅非球面反射镜加工与改性一体化制备方法；本发明解决了传统碳化硅材料加工效率低下和基底粗糙的问题，适用于大曲率半径、小偏移量和大口径的低粗糙度碳化硅非球面加工。

完成上述发明任务的技术方案是，一种碳化硅非球面反射镜加工与改性一体化的制备方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.真空蒸镀材料膜厚分布的确定；

(2).蒸镀非球面膜厚分布的推导；

⑶.掩膜板形状的确定(即膜厚分布的控制)

⑷.在设置好步骤⑶确定的掩膜板以后，利用真空蒸发镀膜技术蒸镀改性材料到碳化硅起始球面之上，以实现碳化硅非球面的初步成型；

⑸.对致密改性层进行光学精密抛光，最终得到改性后的碳化硅非球面反射镜。

本发明在碳化硅非球面镜的加工中结合真空蒸镀技术，蒸镀改性材料到碳化硅起始球面之上以实现碳化硅非球面的初步成型，之后对致密改性层进行光学精密抛光，最终得到改性后的碳化硅非球面反射镜。解决了传统碳化硅材料加工效率低下和基底粗糙的问题，提供了一种表面粗糙度低、加工周期短、成本低的碳化硅非球面反射镜加工与改性一体化制备方法。本发明适用于大曲率半径、小偏移量和大口径的低粗糙度碳化硅非球面加工。

本发明的碳化硅非球面加工与改性一体化技术可细分为以下三个关键环节：

1、真空蒸镀材料膜厚分布的确定