表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

　　1　引　言

　　随着对空间相机分辨率的要求越来越高,在光学系统衍射极限条件的约束下,迫使光学元件的尺寸越来越大,因此对空间相机反射镜提出了更高的要求。空间相机反射镜材料除了具备所要求的光学特性外,还应该具有比刚度大、热变形系数小、导热性能良好等综合特性。比刚度大,可增大径厚比,减少反射镜重量,可降低对支撑结构的要求;热变形系数小、导热性良好,则相机对恶劣环境适应性好,可降低对热控系统的要求。目前用于制作空间反射镜镜体常用的材料有:超低线胀玻璃、微晶玻璃、铍以及碳化硅等。通过对这些材料物理性能的对比分析可以知道,碳化硅的比刚度比玻璃材料好,接近铍(有毒),而碳化硅的热变形系数是最小的,因此碳化硅深受国内外研究机构的青睐,被研究人员作为空间相机反射镜镜体的首选材料[1-4]。

　　2　碳化硅反射镜表面改性技术简介

　　目前碳化硅是用作空间相机反射镜镜体的热门材料之一,它属于陶瓷材料,表面致密程度远不如玻璃材料,且加工性能差。因此,要获得高质量光学表面的碳化硅反射镜,就必须对碳化硅表面进行改性。国际上普遍采用的是在碳化硅表面镀制一层致密碳化硅或者硅的方法,来达到表面改性的目的,进而通过精细抛光进一步达到很好的粗糙度要求。

　　在碳化硅表面改性方面,国内外诸多学者都做了大量的研究工作,并取得了卓有成效的成果[5-7]。主要的表面改性方法有:化学汽相沉积(Chemical Vapour Deposition,CVD)、反应溅射以及离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposi-tion,IBAD)等方法。CVD采用硅烷和碳氢化合物混合气体产生辉光放电,在阴极上得到SiC,其成分由硅烷与碳氢化合物的比例来控制。缺点是使用危险性气体硅烷,反应要在>1 200℃下进行,这样高的温度将导致SiC和衬底之间的界面粗化,甚至产生高密度的空洞和高密度的晶格缺陷,而且这种方法所需设备要求高,花费高昂。反应溅射法采用Ar和碳氢化合物混合气体溅射Si靶或Si、C混合靶,其缺点是Si靶上易生长无定形碳膜,从而抑制Si的溅射,难以得到质量高的SiC薄膜。IBAD方法是近年来得到迅速发展的一种新型薄膜辅助生长方法。该方法具有反应温度低(200℃左右),制备参数可控制性强,重复性好,维护简单等优点,一方面可以增加沉积材料到达基片的动能,使其与基片结合更加牢固;另一方面可以提高薄膜晶化程度,使薄膜生长致密,消减生长过程中产生的应力,尤其适合于工程应用。

　　长春光学精密机械与物理研究所以现有的仪器设备为基础,考虑到过高的温度容易造成碳化硅镜坯受损等因素,采用IBAD Si的改性技术对碳化硅表面进行改性[8]。对改性后的SiC样片表面进行精密光学加工,检测结果表明,改性后的SiC样片表面质量明显提高。