DE2333178C3

DE2333178C3 - Spiegel und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2333178C3
Application number: DE2333178A
Authority: DE
Inventors: John Joseph Andover Grabowski; Werner Robert Carlisle Rambauske
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1978-08-03
Also published as: CH562522A5; DE2333178B2; US3841737A; JPS5336784B2; DE2333178A1; IL42175A0; IL42175A; NL7307883A; FR2237208A1; CA958572A; GB1407347A; FR2237208B1; IT985101B; JPS4958845A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spiegel mit einem metallischen Grundkörper, dessen Oberfläche entsprechend der gewünschten Form der reflektierenden Spiegelfläche geformt ist, mit einer metallischen Zwischenschicht, die mit der Oberfläche des Grundkörpers innig verbunden ist und mit einer reflektierenden Oberflächenschicht.

Ein derartiger, aus der deutschen Offenlegungsschrift 52 656 bekannter Spiegel besitzt als Zwischenschicht einen aus Metall gefertigten Wabenkörper, welcher die Temperaturverteilung im Spiegel vergleichmlßigt und eine gleichförmige Verteilung der Kräfte zwischen dem Grundkörper und der reflektierenden Oberschicht bewirkt

Auf bestimmten Gebieten werden jedoch Spiegel benötigt, die einer ganz außerordentlich hohen Energiekonzentration an ihrer reflektierenden Spiegelfläche standhalten müssen, was mit der bekannten Spiegelkonstruktion nicht möglich ist. Zum besseren Verständnis

ίο der Erfindung seien nachfolgend kurz Beispiele für solche besonderen Anwendungsfälle betrachtet

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 Spiegelachse erzeugt wird. Die so erzeugten reflektierenden Oberflächen besitzen kennzeichnenderweise statt ei-.ies einzi- gen Bildpunktes Bildpunkte, die auf einem Kreisbogen oder auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt auf einer Achse Hegt Es ist deshalb durch sorgfältige Auswahl besonderer Kegelschnitte zur Erzeugung der reflektierenden Oberfläche der Elemente eines Spiegel systems möglich, ein Spiegelsystem mit begrenzter

Beugung und mit einer extrem großen Öffnung

aufzubauen. Daraus folgt, daß die Brennweite / einer solchen Spiegelanordnung viel kleiner als 1 sein kann.

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 kollimierten Energiestrahl geformt werden.

Diese konfokalen Spiegelsystem■- 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 Hochleistungslaser 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 Spiegellinsensyste me unzulässig erwärmt werden, wenn die Strahlenbün del 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 Öff-

nungsabschattungen in Kauf genommen werden, damit die Spiegel in richtiger Position relativ zueinander angeordnet werden können.

Es 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, weiche zur Auslösung der Kernverschmelzung ausreichen. Das heißt, man kann eine Flußdichte in der Größenordnung von ΙΟ'*· bis 10¹⁶ W cm~² 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 Spiegefanordnung, die zu diesem Zweck geeignet sein soll, muß eine »optische Flasche« formen können.

Ein anderes Gebiet für die Verwendung von Spiegeln der hier betrachteten Art ist die Konstruktion optischer Radaranlagen. Hier ist es 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, 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 sehr hohen Energieflußdichten standhält, der sich in gleicher Weise für die Verwendung im infraroten 2ereich des elektromagnetischen Spektrums eignet und dessen Oberfläche auch bei den hohen Energiekonzentrationen nicht matt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Spiegel der eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß der Grundkörper aus einer 35% Nickel und Eisen enthaltenuen Legierung und die Zwischenschicht aus Wolframkarbid im wesentlichen mit Kobalt als Bindemittel besteht.

Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Spiegels vorgeschlagen. Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Die 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 Spiegelfäche 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 Gewichtspro . /nten angegeben sind:

Nickel

Kohlenstoff

Silizium

Mangan

Chrom

der Rest ist Eisen

34-36%
2,40%
1-2%
0,40-0,80% 0,17%

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 fertigen 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 Kobalttindemittel besteht. Bei diesem Prozeß wird eine Elektrode (die z. B. von der Union Carbide Corporation, New York, N. Y, aus 85 Gewichts-% Wolframcarbid unr¹ 15 Gewichts-% Kobaltbindemitte! besteht und die Bezeichnung LW-IN40 trägt) zentral in einer röhrenförmigen, wassergekühlten Düse (nicht dargestellt) angeordnet, welche an der Spitze einen kleineren Durchmesser aufweist. Wenn ein Gas, z. B. Acetylen, in die Düse eingeführt und eine Gleichspannung von z. B. 250 V zwischen dem Grundkörper 11 (als Anode) und der Wolframelektrode (als Kathode) angelegt wird, kann ein Bogen zwischen 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 die Oberfläche des Grundko-pers 11 eindringen und dann, während der Plasmastrom relativ zum Grundkörper 11 bewegt wird, bis zu einer Dicke von etwa 0,025 bis 0,038 cm aufgebaut werden. Dabei wird offenbar ein solch inniger Kontakt erzeugt, daß die erste Zwischenschicht 15 fest tnit dem Grundkörper 11 verbunden wird. Deshalb wird im Betrieb auch dann, wenn der thermische Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenschicht 15 wesentlich von dem des Materials des Grundkörpers 11 abweicht, der Temperaturgradient durch die erste Zwischenschicht IS zu dem Grundkörper 11 auf einen unwesentlichen Betrag reduziert. Infolgedessen werden thermisch 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).

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 Ij. Die Zwischenschicht 17 eliminiert, wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, praktisch alle thermisch bedingten Scherkräfte zwi-

sehen 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 19 bildet. Die Spiegelfläche 13 wird dann, in herkömmlicher Weise, durch Ablagern von Gold auf die freie Oberfläche der Zwischenschicht 19 gebildet.

Es 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

VUI gCIIUIIIIIICII VVCIUCII IVUIIIICiI, CIIlSJJI WtICIIU UCtI

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, Aluminium odei Beryllium verwendet werden.

Der Grundkörper 11 kann aus einem massiver

Gußstück bestehen, vorzugsweise ist er jedoch waben förmig aufgebaut. Dieser Aufbau reduziert das Gewich¹ des fertigen Spiegels ohne seine strukturelle Vollstän digkeit und Festigkeit schädlich zu beeinflussen.

Ferner kann in dem Grundkörper 1 eine Zwangsküh lung eingebaut werden. So kann z. B. ein Umwälzer 21 ίο (als Kompressor oder als Kondensator) so angeschlos sen werden, daß er ein Kühlmittel durch einer Verdampfer (im Ausführungsbeispiel eine Kühlschlange ohne Bezugszeichen) leitet, der im Grundkörper 11 eingebettet ist. Alternativ kann der Grundkörper 11 Löcher aufweisen, weiche mit einem stark wärmeleiter dem Material, wie Kupfer, gefüllt sind, damit Wärme de; Grundkörpers 11 zu einer Wärmesenke 23 abgeleite wird.

Aus eier oxigen KcsciirciDurig gcrst ncrvor, dnL Spiegel mit anderen Formen und Abmessungen in der Schutzbereich der Erfindung fallen.

Auf die erste Zwischenschicht können statt dci reflektierenden Schichten auch Interferenzschichter aufgebracht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunpen

Claims

Patentansprüche;

1. Spiegel mit einem metallischen Grundkörper, dessen Oberfläche entsprechend der gewünschten Form der reflektierenden Spiegelfläche geformt ist und mit einer metallischen Zwischenschicht, die mit der Oberfläche des Grundkörpers innig verbunden ist und mit einer reflektierenden Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (11) aus einer 35% Nickel und Eisen enthaltenden Legierung und die Zwischenschicht (15) aus Wolframkarbid im wesentlichen mit Kobalt als Bindemittel besteht

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

3. Spiegel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf die dritte Schicht (19) aufgebrachte vierte Schicht (13) aus Gold.

4. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (11) wabenartig aufgebaut ist

5. Spiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Zellen des wabenartigen Grundkörpers (11) mit Kupfer gefüllt sind.

6. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Leitung eines Kühlmittels durch den Grundkörper (U) bzw. durch wenigstens einen Teil der Zellen des wabenartigen Grundkorpers vorgesehen sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines Spiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einer 35% Nickel und Eisen enthaltenden Legierung gegossen wird, daß die Oberfläche des Grundkörpers dann so bearbeitet wird, daß sie der gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht daß mit einem Plasmastrahl eine Schicht aus Wolframkarbid auf die bearbeitete Fläche des Grundkörpers aufgespritzt wird und daß diese Schicht so geschliffen wird, daß sie der gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Kupfer elektrolytisch auf die Wolframkarbidschicht aufgebracht wird, daß danach eine Silberschicht abgelagert, insbesondere aufgedampft und daß auf diese eine reflektierende Goldschicht als reflektierende Oberflächenschicht aufgebracht wird.