DE2333178A1

DE2333178A1 - Spiegel und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2333178A1
Application number: DE19732333178
Authority: DE
Inventors: John Joseph Grabowski; Werner Robert Rambauske
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1974-01-24
Also published as: JPS5336784B2; CH562522A5; NL7307883A; FR2237208B1; GB1407347A; JPS4958845A; FR2237208A1; IT985101B; IL42175A; IL42175A0; US3841737A; DE2333178C3; CA958572A; DE2333178B2

Description

PATENTANWÄLTE ί. O J O I / Q DR.-PHFL. G. NICKEL - DR.-ING. J. DORNER '

8 MÖNCHEN 15 LANDWEHBST*. 35 · POSTFACH 104

TEL. (OSlI) 555719

München, den 2h. Mai 1973 Anwaitsaktenz.: 27 - Pat. 61

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Spiegel und Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung betrifft Spiegel für Spiegelsysteme, insbesondere für Spiegelsysteme mit Elementen, deren Brennpunkte außerhalb der Linsenachse liegen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Spiegeln.

Es ist bekannt, daß sogenannte "konfokale" Spiegelsysteme viele erwünschte Eigenschaften gleichzeitig aufweisen. Solche konfokalen Spiegelsysteme enthalten reflektierende Oberflächen, welche der gekrümmten Fläche entsprechen, die durch Nutation ausgewählter quadratischer Kegelschnitte um eine Linsenachse oder Spiegelachse erzeugt wird. Die so erzeugten reflektierenden Oberflächen besitzen kennzeichnenderweise statt eines einzigen Bildpunktes, wie es üblich ist, Bildpunkte die auf einem Kreisbogen oder auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt auf einer Achse liegt. Es ist deshalb durch sorgfältige Auswahl besonderer Kegelschnitte zur Erzeugung der reflektierenden Oberfläche der Elemente eines Spiegelsystems möglich, ein Spiegelsystem mit begrenzter Beugung und mit einer extrem großen Öffnung aufzubauen. Daraus folgt, daß die Brennweite f einer solchen Linsenanordnung viel kleiner als sein kann.

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Diese Eigenschaft wiederum bedeutet, daß die. von einer Punktquelle einfallende Energie innerhalb eines kleinen Streukreises fokussiert werden kann; diese Fokussierung kann tatsächlich innerhalb eines Streukreises stattfinden, dessen Durchmesser in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der einfallenden Energie liegt. Da bei solchen Spiegelsystemen nur sehr geringe Beugungserscheinungen auftreten, kann andererseits die Energie, welche von einer Punktquelle einfällt, zu einem fast perfekt kollimiertem Energiestrahl geformt werden.

Diese konfokalen Spiegelsysteme eignen sich offensichtlich besonders für Anwendungen, bei welchen die herkömmlichen Systeme aus Brechungslinsen aus dem einen oder dem anderen Grund nicht befriedigend arbeiten. Wenn z« B. die zu fokussierende oder zu bündelnde Strahlungsenergie in einem einzigen intensiven Strahl konzentriert ist, wie es bei einem Ilochleistungslaser der Fall ist, wird ein beachtlicher Betrag dieser Energie von den Brechungslinsen absorbiert, (obwohl sie aus Glas, Glimmer oder einem anderen festen Material bestehen, welches normalerweise als völlig transparent angesehen wird), wodurch die Linsen unzulässig erwärmt werden, so daß sie verzerrt oder sogar zerstört werden. Bei Spiegelsystemen besteht keine Gefahr der Beschädigung durch zu starke Erwärmung, weil die durchlaufende Energie fast vollständig von den Spiegelflächen der Spiegellinsen reflektiert wird; jeder Spiegel absorbiert aber auch einen kleinen Teil der einfallenden Energie und erwärmt sich dadurch. Deshalb können auch Spiegellinsensysteme unzulässig erwärmt werden, wenn die Strahlenbündel von mehreren Hochleistungslasern vereinigt werden müssen. Es ist kein Verfahren zur Herstellung von Spiegeln für Spiegelsysteme bekannt, deren reflektierende Oberflächen der enormen Konzentration von Energie, die man bei Verwendung mehrerer Hochleistungslaser erhält, sicher widerstehen. Ferner müssen bei beliebigen Spiegelsystemen, die nicht nach dem konfokalen Prinzip aufgebaut sind, beträchtliche Öffnungsabschattungen in Kauf genommen werden, damit die Spiegel in richtiger Position

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relativ zueinander angeordnet werden können.

Ls ist vorgeschlagen worden, thermische Kernfusion durch Kombination der Strahlen einer Anzahl von Hochleistungslasern derart durchzuführen, daß die Energie aller Strahlen auf ein kleines Ziel fokussiert wird. Bei einem solchen System kann man im Zielbereich Flußdichten erhalten, welche zur Auslösung der Kernverschmelzung ausreichen. Das heißt, man kann eine Flußdichte in der Größenordnung von 10 bis 10 W cm erreichen. Wenn eine solche Energieflußdichte erreicht wird, wird gleichzeitig ein Lichtdruck erzeugt, (welcher in der Größenordnung liegt, die erforderlich ist, um das bei der Kernreaktion entstehende, sich ausdehnende Plasma zusammenzuhalten). Um das sich ausdehnende Plasma einer realen Probe, welche dem Verschmelzungsvorgang unterworfen wird, erfolgreich zusammenzuhalten, muß der Lichtdruck offenbar über einen kontinuierlichen, begrenzten. Bereich angewendet werden. Das heißt, jede Linsenanordnung oder Spiegelanordnung, die zu diesem Zweck geeignet sein soll, muß eine "optische Flasche" formen können.

Bei der Konstruktion einer optischen Radaranlage ist es höchst erwünscht, die Strahlen von mehreren Lasern zu einem Strahl zusammenzusetzen, um dadurch den Wirkungsbereich des Systems zu vergrößern. Auch für eine solche Anwendung sind herkömmliche Spiegelanordnungen nicht geeignet, einfach weil es fast unmöglich ist, Energie von mehr als einer Quelle zu einem einzigen Strahl zu bündeln. Bei Verwendung herkömmlicher Linsenelemente, deren Brennpunkt auf der Linsenachse liegt, kann jedes Linsensystem lediglich einen Laserstrahl bündeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spiegel, insbesondere zur Verwendung in Spiegelsystemen, zu schaffen, der ohne Beeinträchtigung seiner optischen Eigenschaften hohe Energieflußdichten verträgt, der sich in gleicher Weise für die Verwendung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums eignet und dessen Oberfläche nicht matt wird.

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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch einen metallischen Grundkörper, dessen eine Oberfläche optisch glatt und entsprechend der gewünschten Form der reflektierenden Spiegelfläche geformt ist, und durch eine erste, metallische Zwischenschicht, die mit der optisch glatten Oberfläche verbunden, insbesondere auf diese aufgespritzt oder aufgedampft oder an diese angegossen oder angeschmolzen ist und deren Wärmeausdehnungskoeffizient höher als der des Grundkörpers ist. Auf der ersten Zwischenschicht ist eine zweite Zwischenschicht aus Kupfer aufgebracht, und auf dieser wiederum ist eine dritte Schicht aus Silber aufgebracht.

Auf der dritten Schicht ist vorzugsweise eine vierte Schicht aus Gold aufgebracht.

Der Grundkörper kann aus einer Legierung aus Nickel und Eisen bestehen, und die erste Zwischenschicht kann aus Wolframcarbid mit einem Kobaltbindemittel bestehen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Grundkörper wabenartig aufgebaut. Es sind zweckmäßigerweise Einrichtungen vorgesehen, welche ein Kühlmittel durch wenigstens einen Teil der Zellen-des wabenartigen Grundkörpers leiten. Im Grundkörper können z. B. Kühlspiralen vorgesehen sein.

Nach einer- anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens einige Zellen des wabenartigen Grundkörpers mit Kupfer oder mit einem anderen, gut wärmeleitendem Material gefüllt.

Ein solcher Spiegel wird gemäß der Erfindung dadurch hergestellt, daß ein Grundkörper aus einer Legierung aus Nickel und Eisen gegossen wird, daß die Oberfläche des Grundkörpers so bearbeitet oder abgedreht wird, daß sie der gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht, daß mit einem Plasmastrahl eine Schicht aus Wolframcarbid auf die bearbeitete Fläche aufgebracht wird und daß diese Schicht so geschliffen wird, daß sie der gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht.

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Auf die Wolfraracarbidschicht wird vorzugsweise elektrolytisch eine Schicht aus Kupfer aufgebracht, auf diese wird eine Silberschicht aufgedampft und auf diese wiederum wird eine Goldoberfläche aufgebracht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt in vereinfachter Form und nicht maßstabsgerecht einen Querschnitt durch einen fertigen Spiegel.

in der Figur sieht man, daß der fertige Spiegel einen Grundkörper 11 und eine Spiegelfläche 13 aufweist, welche von Zwischenschichten 15, 17 und 19 getragen wird. Der Grundkörper 11 ist aus einer Legierung "Ni-Resist-Fe(5)" so gegossen, daß er eine Oberfläche ,erhält, welche etwa in gleicher Weise wie der fertige Spiegel gekrümmt ist. Die Legierung "Ni-Resist-Fe(5)" weist die folgende Zusammensetzung auf, wobei die Zahlen in Gewichtsprozenten angegeben sind:

Nickel 34-36 $ Kohlenstoff 2,40 % Silizium 1-2 % Mangan 0,40-0,80 % Chrom 0,17 % der Rest ist Eisen

Nach dem Gießen wird die Oberfläche des Grundkörpers 11 in herkömmlicher Weise so bearbeitet, daß dieser einen Spiegelrohling bildet. Dabei wird die Oberfläche so bearbeitet, daß ihre Krümmung der Krümmung des fertigen¹ Spiegels entspricht, wobei die Dicke der Zwischenschichten 15, 17 und 19 und der Spiegeloberfläche 13 berücksichtigt wird, (falls der fertige Spiegel gekrümmt sein soll). Die Oberfläche des Grundkörpers 11 wird in einem Plasmaspritzverfahren mit einer relativ dicken Schicht überzogen, die aus Wolframcarbid mit einem Kobaltbindemittel

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besteht. Bei diesem Prozeß wird eine Elektrode, (die z. B. von der Union Carbide Corporation, New York, N.Y. aus 85 Gewichts-% Wolframcarbid und 15 Gewichts-% Kobaltbindemittel besteht und die Bezeichnung LW-1N40 trägt) zentral in einer röhrenförmigen, wassergekühlten Düse (nicht dargestellt) angeordnet, welche an der Spitze einen kleineren Durohmesser aufweist. Wenn ein Gas, z. B. Aoetylen, in die Düse eingeführt und eine Gleichspannung von z. B. 250 V zwisohen dem Grundkörper 11 (als Anode) und der Wolframelektrode (als Kathode) angelegt wird, kann ein Bogen zwisohen dem Grundkörper 11 und der Wolframelektrode geschlagen werden, welcher Ionen des Elektrodenmaterials enthält. Durch geeignete Einstellung des Weges der Düse, entweder durch Bewegung des Grundkörpers 11 oder durch Bewegung der Düse über der Oberfläche des Grundkörpers 11, können die Ionen der Elektrode in dem Bogen so über der Oberfläche des Grundkörpers 11 verteilt werden, daß sie eine Schicht aus Elektrodenmaterial bilden, welche etwa der erwünschten ersten Zwischenschicht 15 entspricht. Man hat festgestellt, daß die Ionen des Plasmastroms zunächst in dje Oberfläche des Grundkörpers 11 eindringen und dann, während der Plasmastrom relativ zum Grundkörper 11 bewegt wird, bis zu einer Dicke von etwa 0,025 bis 0,038 om aufgebaut werden. Dabei wird offenbar ein solch inniger Kontakt erzeugt, daß die erste Zwischenschicht 15 fest mit dem Grundkörper 11 verbunden wird. Deshalb wird im Betrieb auch dann, wenn der thermische Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenschicht wesentlich von dem des Materials des Grundkörpers 11 abweicht, der Temperaturgradient duroh die erste Zwischenschicht 15 zu dem Grundkörper 11 auf einen unwesentlichen Betrag reduziert. Infolgedessen werden thermisoh hervorgerufene Spannungen zwischen dem Grundkörper 11 und der ersten Zwischenschicht 15 so gut wie vollständig eliminiert. Die erste Zwischenschicht 15, (welche die Bearbeitungseigenschaften von Wolframcarbid hat), kann in gewünschter Weise zu der erforderlichen Form geschliffen werden, (wobei die übrigen Zwischenschichten und die reflektierende Oberfläche mit berücksichtigt wird).

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Die Zwischenschicht 17 wird durch elektrostatische Ablagerung von Kupfer auf der ersten Zwischenschicht 15 hergestellt. Die Krümmung der freien Oberfläche der Zwischenschicht 17 folgt der Krümmung der ersten Zwischenschicht 15. Die Zwischenschicht eliminiert, wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, praktisch alle thermisch bedingten Scherkräfte zwischen der Zwischenschicht 15 und der tatsächlich reflektierenden Oberfläche.

Wenn der fertige Spiegel zur Reflexion optischer Energie im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums verwendet werden soll, wird vorzugsweise eine Spiegelfläche 13 aus Gold verwendet. Um eine Materialwanderung zwischen dem Kupfer der Zwischenschicht 17 und dem Gold einer solchen Spiegeloberfläche zu verhindern, wird die freie Oberfläche der Zwischenschicht 17 mit einer Silberschicht 17 bedampft, welche eine Zwischenschicht bildet. Die Spiegelfläche 13 wird dann, in herkömmlicher Weise, 'lurch Ablagern von Gold auf die freie Oberfläche der Zwischenschicht 19 gebildet.

ts ist offenbar, daß nach Verbindung der ersten Zwischenschicht 15 mit dem Grundkörper 11 und nach der erforderlichen Formung dieser Zwischenschicht 15 verschiedene Variationen zur Bildung der Elemente vorgenommen werden können, entsprechend den beabsichtigten Verwendungszwecken. Falls bei der beabsichtigten Verwendung des fertigen Spiegels Wärmeschocks nicht zu erwarten sind, ist die Zwischenschicht 17 nicht unbedingt erforderlich. Falls der fertige Spiegel zur Reflexion optischer Energie im sichtbaren Bereich verwendet werden soll, kann für die Spiegelfläche statt Gold auch Rhodium, Silber, Aluminiura oder Beryllium verwendet werden.

Der Grundkörper 11 kann aus einem massiven Gußstück bestehen, vorzugsweise ist er jedoch wabenförmig aufgebaut. Dieser Aufbau reduziert das Gewicht des fertigen Spiegels ohne seine strukturelle Vollständigkeit und Festigkeit schädlich zu beeinflussen.

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Ferner kann in dem Grundkörper 1 eine Zwangskühlung eingebaut werden. So kann z. B. ein ümwälzer 21 (als Kompressor oder als Kondensator) so angeschlossen werden, daß er* ein Kühlmittel durch einen Verdampfer (im Ausführungsbeispiel eine Kühlschlange ohne Bezugszeichen) leitet, der im Grundkörper 11 eingebettet ist. Alternativ kann der Grundkörper 11 Löcher aufweisen, welche mit einem stark wärmeleitendem Material, wie Kupfer, gelullt sind, damit Wärme des Grundkörpers 11 zu einer Wärmesenke 23 abgeleitet wird.

Aus der obigen Beschreibung geht her\^ror, daß Spiegel mit anderen Formen und Abmessungen in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Auf die erste Zwischenschicht können statt der reflektierenden Schichten auch Interferenzschichten aufgebracht werden.

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Claims

Patentansprüche

1.)Spiegel, gekennzeichnet durch einen metallischen Grundkörper (ll), dessen eine Oberfläche optisch glatt und entsprechend der gewünschten Form der reflektierenden Spiegelfläche (13) geformt ist, und durch eine erste, metallische Zwischenschicht (l5)> die mit der optisch glatten Oberfläche innig verbunden, insbesondere auf diese aufgespritzt oder aufgedampft oder an diese angegossen oder angeschmolzen ist und deren Wärmeausdehnungskoeffizient höher als der des Grundkörpers (ll) ist.

2. Spiegel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite, elektrolytisch auf der ersten Zwischenschicht (15) aufgebrachte Zwischenschicht (17) aus Kupfer und durch eine, auf der zweiten Zwischenschicht (17) aufgebrachte dritte Schicht (19) aus Silber.

3. Spiegel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine, auf der dri-tten Schicht (19) aufgebrachte vierte Schicht (13) aus Gold.

h. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (ll) aus einer 35 % Nickel und Eisen enthaltenden Legierung, und daß die erste Zwischenschicht (15) aus Wolframcarbid mit einem Kobaltbindemittel besteht.

5. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (ll) wabenartig aufgebaut ist.

b. Spiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Zellen des wabenartigen Grundkörpers (ll) mit Kupfer gefüllt sind.

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7. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Leitung eines Kühlmittels durch den Grundkörper (ll) bzw. durch wenigstens einen Teil der Zellen des wabenartigen Grundkörpers (ll) vorgesehen sind,

8. Verfahren zur Herstellung eines Spiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper aus einer 35 % Nickel und Eisen enthaltenden Legierung gegossen wird, daß die Oberfläche des Grundkörpers so bearbeitet wird, daß sie der gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht, daß mit einem Plasmastrahl eine Schicht aus Wolframcarbid auf die bearbeitete Fläche aufgebracht wird und daß diese Schicht so geschliffen wird, daß sie der gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Kupfer elektrolytisch auf die Wolframcarbidschieht aufgebracht wird, daß danach eine Silberschicht abgelagert, insbesondere aufgedampft und daß auf diese eine reflektierende Goldoberfläche aufgebracht wird.

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