Siliciumcarbide spiegel

Siliciumcarbide (SiC) is een ideaal materiaal voor grotere telescopen en scansystemen met hoge snelheid vanwege de niet-giftigheid, uitzonderlijke thermomechanische stabiliteit en weerstand tegen oxidatie en chemische degradatie.

In dit artikel wordt een deterministisch vervaardigde 4,03 m SiC asferische spiegel met PVD-bekleding van lage temperatuur gepresenteerd. Het illustreert hoe kwantitatieve testgegevens van generatie (mm precisie) tot polijsten (nm precisie) naadloos gecombineerd kunnen worden om een uitstekende foutconvergentie en -controle mogelijk te maken.

Lichtgewicht

Spiegels voor ruimtetelescopen moeten bestand zijn tegen extreem hoge zwaartekrachtbelastingen en toch licht blijven om structureel gezond te blijven. Hiervoor moeten materialen met een hoge specifieke stijfheid worden gebruikt, zoals siliciumcarbide (SiC). Helaas kunnen grote spiegels van SiC tijdrovend zijn om te produceren omdat het oppervlak tot optische precisie moet worden geslepen en gepolijst - een proces dat maanden of zelfs jaren kan duren!

Innovatieve productietechnieken kunnen de productietijden voor grotere spiegels aanzienlijk verkorten. Sinds het eind van de jaren 80 hebben laboratoria in de VS technieken voor het warm persen van samengestelde SiC-spiegels onderzocht als een snellere en eenvoudigere methode om ze te produceren. Deze methode maakte gebruik van een mengsel van SiC-poeder en fenolhars dat aan beide zijden van een spiegelkern werd aangebracht. Met deze techniek kon een secundaire spiegel van 1,3 m voor de Subaru-telescoop worden gemaakt die 185 kg woog met een oppervlaktedichtheid van 105 kg/m2. De tweede generatie composietreplicatietechnologie van Corning maakt gebruik van abrasieve waterstralen en andere technologieën om lichtgewicht kernen te produceren die vervolgens op de voor- en achterplaten van een spiegel worden gelijmd om een ULE-spiegel met sandwichstructuur te vormen met een oppervlaktedichtheid van slechts 37 kg/m2.

Reactie sinteren van SiC is een andere veelbelovende benadering om hoogwaardige SiC-spiegels te maken, waarbij ontvet groene lichamen worden gebruikt die bestaan uit SiC-poeder gemengd met fenolbindmiddel, gecombineerd met vacuümsinterovens op hoge temperatuur om gesinterde lichamen te produceren met perfecte geometrische vormen, minimale krimp en uitstekende mechanische en optische eigenschappen.

Om de stijfheid van de spiegel te verhogen, moet zowel axiaal als radiaal ondersteuning worden geboden. Een manier om dit te doen is door de achterkant te ontwerpen in een lotuspatroon om het traagheidsmoment in het gebied te vergroten en de buigweerstand te verhogen. In een recente studie werd deze methode geëvalueerd op lichtgewicht SiC-spiegels van 2 m die geoptimaliseerd waren voor grondtelescopen; dankzij hun lagere massa konden ze tot 40% massa besparen in vergelijking met traditionele passieve Zerodur-spiegels van vergelijkbare grootte.

Hoge stijfheid

Een van de belangrijkste eigenschappen van een spiegel is zijn stijfheid. Dankzij deze eigenschap behoudt de spiegel zijn vorm tijdens het scannen met hoge snelheid, waardoor laserscansystemen maximale prestaties kunnen leveren. De superieure stijfheid van SiC ten opzichte van traditionele glazen spiegels (die doorgaans een hogere dichtheid en grotere massa hebben) is ook een aantrekkelijke eigenschap.

De combinatie van sterkte en stijfheid van siliciumcarbide maakt het ideaal voor veel toepassingen, waaronder laserscannen. Laserscanners die worden gebruikt bij printen, lassen, snijden en boren vereisen spiegels die de hoge scansnelheden die deze toepassingen vereisen, kunnen ondersteunen; klassieke galvanometerscankoppen hebben meestal een bundelopening van 50 mm die stijve spiegels vereisen om deze scansnelheid te ondersteunen.

Siliciumcarbide is een ideaal materiaal om dit soort spiegels te construeren omdat het bestand is tegen zowel hoge snelheden als temperaturen die voorkomen bij het gebruik van scansystemen. Bovendien zorgt de uitstekende thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide ervoor dat het effectief warmte kan afvoeren en tegelijkertijd stabiele optische prestaties kan leveren binnen een breed temperatuurbereik.

Siliciumcarbide biedt vele voordelen, maar de fabricage van grote asferische spiegels van dit materiaal is een uitdaging gebleken vanwege uitdagingen op verschillende belangrijke gebieden. Deze omvatten voornamelijk de voorbereiding van spiegels, asferefabricage en testproblemen, evenals doordrukproblemen met betrekking tot de getrouwheid/nauwkeurigheid van testprocedures, spanning/dichtheid van het bekledingsproces, spanning/dichtheid van het bekledingsproces en het dynamisch bereik dat vereist is voor deterministische testprocedures.

Door deze obstakels is het voor grote ruimtetelescoopsystemen een uitdaging om de gewenste prestaties te behalen. Maar dankzij geavanceerde productietechnieken heeft Zygo Corporation een alternatieve methode ontdekt om lichtgewicht asferische spiegels van siliciumcarbide te maken met behulp van niet-traditionele substraten van POCO Graphite Inc en hun geavanceerde deterministische afwerkingstechnologie van Zygo.

Deze benadering heeft de productie mogelijk gemaakt van een 4 m asferische siliciumcarbide spiegel met uitstekende figuur-scherpte (FSF) specificaties van 10-15nm RMS en 5-6nm MSF fout. Bovendien heeft deze spiegel een ruwheid van slechts 0,094 wave root-mean-square.

Hoge thermische geleidbaarheid

Siliciumcarbide (SiC) is een uitstekend polykristallijn materiaal met sterke mechanische en thermische eigenschappen, waardoor het het aangewezen substraatmateriaal is voor optische spiegels die onder zware omstandigheden werken. Dit stabiele substraat is bestand tegen chemische degradatie en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt, waardoor het niet van vorm verandert als de omgevingsomstandigheden veranderen - iets wat vooral cruciaal is als grote telescopen moeten bewegen om verschillende posities in te nemen voor observaties.

SiC onderscheidt zich van glas of glaskeramiek doordat het gemakkelijk kan worden bewerkt tot complexe driedimensionale vormen en geassembleerd tot optomechanische componenten, waardoor lichtgewicht telescoopontwerpen met maximale opening mogelijk worden. Bovendien is het vanwege zijn superieure thermische geleidbaarheid en thermische uitzettingsvermogen met succes gebruikt ter vervanging van beryllium in laserscansystemen met hoge snelheden zonder de dynamische prestaties te beïnvloeden.

De fabricage van SiC-spiegels met een grote diameter levert aanzienlijke problemen op omdat ze volgens het ontwerp in meerdere preforms moeten worden opgesplitst voordat ze met hardsoldeer- of diffusielastechnieken worden verbonden. Als gevolg van mismatches tussen de verbindingsoppervlakken en het basismateriaal worden extra spanningen in de spiegel geïntroduceerd en kunnen productiemethoden alleen worden gebruikt voor toepassingen die geen precisienauwkeurigheid of structurele integriteit vereisen.

Mersen Boostec heeft een alternatief productieproces ontwikkeld waarmee een SiC asferische spiegel van 4,03 m uit één stuk in serie kan worden geproduceerd. Hun nieuwe productietechniek is gebaseerd op gelgiettechnologie met wateroplosbare verdwijnvorm bij kamertemperatuur en scheurvrije droging, gevolgd door een reactiehechtprocedure om segmenten van een lichtgewicht groen lichaam aan elkaar te hechten tot één monolithische spiegel. Deze innovatieve benadering overwint de beperkingen van bestaande keramische vorm- en sintertechnologieën en opent de weg naar grotere, meer geïntegreerde optiekontwerpen.

Nadat dit product tot een blanco is gevormd, ondergaat het rigoureuze tests om vast te stellen of het geschikt is voor omstandigheden in een baan om de aarde. Zoals te zien is in de grafiek hieronder, vertoont de 4,03 m SiC asferische keramische spiegel een uitstekende stabiliteit onder gecombineerde belastingen van zowel gimbals als vacuümdruk.

De spiegel vertoont een uitstekende axiale en radiale stabiliteit, wat nog eens aantoont dat hij geschikt is voor toepassingen met hoge-energielaser (HEL). Deze prestaties kunnen direct worden toegeschreven aan de robuuste siliciumcarbidestructuur die is geoptimaliseerd om de unieke spanningen in de ruimte te weerstaan.

Goede optische eigenschappen

De superieure sterkte, stijfheid en thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide maken het het ideale materiaal voor grote telescoopspiegels, maar het duurt vaak maanden of zelfs jaren om hun complexe oppervlakken te produceren. Om dit proces te versnellen, hebben wetenschappers een additieve productietechnologie bedacht die digitale modellen gebruikt om materialen laag voor laag op te stapelen tot fysieke objecten - wat personalisatie, snelheid en zuinigheid oplevert ten opzichte van traditionele keramische vorm- en sinterprocessen.

Spiegels spelen een belangrijke rol in de optische prestaties van telescopen. Voor optimale resultaten bij hoge laservermogens moeten spiegels een uitstekende vormstabiliteit en oppervlaktekwaliteit hebben om vervorming te voorkomen, vooral bij hogere laservermogens. Om dit te bereiken heeft siliciumcarbide een lagere thermische uitzettingscoëfficiënt dan zijn keramische tegenhangers zoals gesmolten silica of beryllium, waardoor het de ideale materiaalkeuze is voor ruimteomstandigheden waar temperaturen extreem kunnen worden.

SiC-spiegels hebben niet alleen uitstekende structurele eigenschappen, maar ook uitzonderlijke optische kenmerken. Hun elastische eigenschappen evenaren die van glas, terwijl ze beter bestand zijn tegen vervorming, waardoor ontwerpers dunnere spiegels kunnen maken die zowel het gewicht als de kosten van telescoopsystemen verlagen.

Om deze kwaliteiten ten volle te benutten, is het essentieel dat optiekfabrikanten de specifieke mechanische eisen van grote optische systemen erkennen. Galvanometerspiegelontwerpers moeten bijvoorbeeld speciale aandacht besteden aan hoe deze parameters resonantie van het hele systeem beïnvloeden en rekening houden met zowel de elastische eigenschappen van de spiegel zelf als de geometrie van alle onderdelen die betrokken zijn bij resonantietesten.

Het innovatieve productieproces van Avantier kan op maat gemaakte siliciumcarbidespiegels produceren om te voldoen aan de precieze vereisten van telescopen, scansystemen en ruimtemissies. Hun productiemethoden maken gebruik van precisiebewerking en ultramoderne meetapparatuur om te garanderen dat spiegels van de hoogste kwaliteit worden geproduceerd. Avantier kan spiegels van verschillende afmetingen en vormen produceren; bovendien bieden ze verschillende opties voor optische coatings om aan deze vereisten te voldoen.