炭化ケイ素ミラー

炭化ケイ素（SiC）は、毒性がなく、熱機械的安定性が非常に高く、酸化や化学的劣化に強いため、大型望遠鏡や高速スキャンシステムに理想的な材料です。

本論文では、低温PVDクラッドにより決定論的に製造された4.03mのSiC非球面ミラーを紹介する。この論文では、生成（mm精度）から研磨（nm精度）までの定量的な試験データをシームレスに組み合わせることで、優れた誤差収束と制御が可能になることを説明しています。

軽量

宇宙望遠鏡のミラーは、構造的に健全であるために軽量でありながら非常に高い重力負荷に耐える必要があり、炭化ケイ素（SiC）のような比剛性の高い材料を使用する必要がある。残念なことに、SiC製の大型ミラーは、表面を光学的精度に研磨する必要があるため、製造に時間がかかる！

革新的な製造技術は、大型ミラーの製造時間を大幅に短縮することができる。80年代後半から、米国の研究所では、より迅速で簡単な製造方法として、複合SiCミラーのホットプレス技術を模索してきた。この方法では、SiC粉末とフェノール樹脂の混合物をミラーコアの両面に塗布した。この技術により、すばる望遠鏡用の重さ185kg、面密度105kg/m2の1.3m副鏡を製作することができました。コーニングの第2世代複合材複製技術は、研磨ウォータージェットやその他の技術を駆使して軽量コアを製造し、それを鏡の前面板と背面板に接着することで、面密度が37kg/m2と低いサンドイッチ構造のULE鏡を形成する。

SiCの反応焼結は、高性能SiCミラーを作るためのもう一つの有望なアプローチである。これは、フェノール系バインダーと混合したSiC粉末からなる脱脂グリーン体を高温真空焼結炉と組み合わせて使用し、完全な幾何学的形状、最小限の収縮、優れた機械的・光学的特性を持つ焼結体を製造するものである。

ミラーの剛性を高めるには、軸方向と半径方向の両方で支持する必要がある。これを行う一つの方法は、鏡の背面をハス型に設計して面積慣性モーメントを増加させ、曲げ抵抗を増加させることである。最近の研究では、地上望遠鏡用に最適化された2mのSiC軽量ミラーでこの方法を評価した。その軽量化により、同サイズの従来のパッシブ・ゼロデュール・ミラーと比較して、最大40%の質量削減を達成することができた。

高い剛性

ミラーの重要な特徴のひとつに剛性があります。この特性により、高速スキャン中に形状を維持することができ、レーザースキャニングシステムが最大限の性能を発揮するのに役立ちます。SiCの優れた剛性は、従来のガラスミラー（高密度で質量が大きい傾向がある）よりも魅力的な特徴です。

炭化ケイ素の強度と剛性の組み合わせは、レーザースキャンを含む多くの用途に理想的です。印刷、溶接、切断、穴あけなどの用途で使用されるレーザースキャナーには、これらの用途で必要とされる高速スキャンをサポートするミラーが必要です。従来のガルバノスキャンヘッドは、通常50mmのビーム開口部を備えており、この速度のスキャンをサポートするには剛性の高いミラーが必要です。

炭化ケイ素は、スキャニング・システムが使用される際に遭遇する高速と高温の両方に耐えることができるため、この種のミラーを構成するのに理想的な材料です。さらに、炭化ケイ素の優れた熱伝導性により、幅広い温度範囲で安定した光学性能を確保しながら、効果的に熱を放散することができます。

炭化ケイ素には多くの利点がありますが、この材料から製造される大型非球面ミラーは、いくつかの重要な分野における課題のために製造が困難でした。主な課題としては、ミラーブランクの準備、非球面の製造と試験の問題、試験手順の忠実度/精度、クラッドプロセスの応力/密度、クラッドプロセスの密度、決定論的試験手順に必要なダイナミックレンジに関連するプリントスルー効果の問題などがあります。

このような障害により、大型の宇宙用望遠鏡システムは所望の性能を達成することが困難であった。しかし、高度な製造技術のおかげで、Zygo Corporationは、POCO Graphite Inc.が提供する非従来型の基板とZygoの高度な決定論的仕上げ技術を使用して、炭化ケイ素から軽量非球面ミラーを製造する代替方法を発見した。

このアプローチにより、RMS誤差10-15nm、MSF誤差5-6nmという優れたFSF（Figure-Sharpness）仕様の4m非球面炭化ケイ素ミラーの製造が可能になった。さらに、このミラーの二乗平均平方根粗さはわずか0.094nmである。

高い熱伝導性

炭化ケイ素（SiC）は、強力な機械的特性と熱的特性を持つ優れた多結晶材料であり、過酷な環境で使用される光学ミラーの基板材料として最適です。化学的劣化に強く、膨張係数が低いため、この安定した基板は、環境条件が変化しても形状が変化しません。これは、大型望遠鏡が観測のために異なる位置をとらえるために移動しなければならない場合に特に重要なことです。

SiCはガラスやガラスセラミックスとは異なり、複雑な三次元形状に機械加工し、光学機械部品を容易に組み立てることができるため、最大口径の軽量望遠鏡の設計が可能です。さらに、その優れた熱伝導性と熱膨張能力により、動的性能に影響を与えることなく、高速レーザースキャニングシステムにおいてベリリウムに取って代わることに成功している。

大口径SiCミラーの製造は、ろう付けまたは拡散溶接技術を使用して接合する前に、構造的に複数のプリフォームに分割するという設計要件のため、かなりの困難を伴う。接合面と母材との不一致により、ミラーにさらなる応力が加わり、製造方法は精密な精度や構造的完全性を必要としない用途にしか利用できない。

メルセンブーステックは、4.03mのSiC非球面ミラーブランクを一体で量産できる代替製造プロセスを開発した。この新しい製造技術は、水溶性常温消失鋳型を用いたゲル鋳造技術に依存し、クラックのない乾燥に続いて、軽量グリーンボディのセグメントを1つのモノリシックブランクに縫い合わせる反応接合手順を採用している。この革新的なアプローチは、既存のセラミック成形技術や焼結技術に伴う制約を克服し、より大型で統合された光学設計への道を開くものである。

この製品は、ブランクに成形された後、軌道上の条件に対する適合性を確認するために厳しい試験を受けます。下のグラフからわかるように、4.03mのSiC非球面セラミックミラーブランクは、ジンバルと真空圧力の両方からの複合荷重に対して、卓越した安定性を示しています。

このミラーは、優れた軸方向および半径方向の安定性を示し、高エネルギーレーザー（HEL）アプリケーションに適していることをさらに証明しています。この性能は、宇宙空間特有のストレスに耐えるように最適化された堅牢な炭化ケイ素構造に直接起因している。

良好な光学特性

炭化ケイ素の優れた強度、剛性、熱伝導性は、大型望遠鏡の鏡に理想的な材料であるにもかかわらず、その複雑な表面の加工には数ヶ月から数年を要することが多い。このプロセスをスピードアップするため、科学者たちは、デジタル・モデルを使用して材料を層ごとに物理的な物体に積層する積層造形技術を考え出した。この技術は、従来のセラミック成形や焼結プロセスよりもパーソナライゼーション、迅速性、経済性を提供する。

ミラーは望遠鏡の光学性能において重要な役割を果たしています。高出力レーザーで最適な結果を得るためには、ミラーは特に高出力レーザーで歪みが生じないよう、優れた形状安定性と表面品質が求められます。これを実現するために、炭化ケイ素は溶融シリカやベリリウムなどのセラミックよりも熱膨張率が低く、極端な高温になりやすい宇宙環境では理想的な材料となります。

SiCミラーは優れた構造特性を持つだけでなく、卓越した光学特性も持っています。その弾性特性はガラスに匹敵する一方、より変形しにくいため、設計者は望遠鏡システムの重量とコストを削減する薄型ミラーを作ることができる。

これらの特質を最大限に活用するためには、光学部品メーカーが大型光学システムに特有の機械的要件を認識することが極めて重要です。例えば、ガルバノミラーの設計者は、これらのパラメータがシステム全体の共振にどのように影響するかに特別な注意を払い、ミラー自体の弾性特性だけでなく、共振試験に関与するすべての部品の形状の両方を考慮する必要があります。

アバンティエの革新的な製造工程は、望遠鏡、スキャニングシステム、宇宙ミッションの精密な要件を満たすカスタマイズされた炭化ケイ素ミラーを製造することができます。アバンティエの製造方法は、精密機械加工と最先端の計測機器を活用し、最高品質のミラーだけを確実に製造します。アバンティエは、様々なサイズと形状のミラーを製造することができ、さらに、これらの要件を満たすために光学コーティングの様々なオプションを提供しています。