RU220092U1

RU220092U1 - Охлаждаемое зеркало

Info

Publication number: RU220092U1
Application number: RU2022135338U
Authority: RU
Inventors: Сергей Константинович Гордеев; Евгений Николаевич Моисеев; Мария Владимировна Басова; Светлана Борисовна Корчагина
Original assignee: Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов"(АО "ЦНИИМ")
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-08-24

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в области оптики, лазерной техники и оптоэлектроники. Заявлено зеркало, включающее подложку, выполненную из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, на верхней поверхности которой расположены разделительный слой из материала, содержащего кремний, и отражающий слой на поверхности разделительного слоя, имеет внутреннюю зону охлаждения за счет того, что подложка выполнена из сопряженных друг с другом обечайки, охватывающей контур зеркала, верхней пластины, имеющей на оборотной стороне рельеф в виде правильных усеченных пирамид с квадратным основанием с длиной ребра основания 5-20 мм и двугранным углом при основании пирамиды 25-75°, примыкающих друг к другу ребрами больших оснований пирамид, и нижней пластины, сопряженной с малыми основаниями пирамид, а на нижней поверхности подложки установлены два или более штуцеров, выходящих в пространство между рельефом из пирамид, для подачи хладагента в зону охлаждения зеркала. Технический результат - создание зеркала высокой жесткости, обеспечивающей его надежную термостабилизацию хладагентом, и, как следствие, повышение надежности работы оптического прибора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в области оптики, лазерной техники и оптоэлектроники.

В ряде случаев применяемые в приборах зеркала подвергаются значительной тепловой нагрузке. Это приводит к искажению формы зеркала, что недопустимо. Для устранения деформации зеркала при термических воздействиях целесообразно осуществлять его термостабилизацию, например, хладагентами.

Известно зеркало, включающее подложку, выполненную из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, на верхней поверхности которой имеется разделительный слой из материала, содержащего кремний, и отражающий слой [Патент РФ № 2403595, кл. G02B5/08, опубл. 10.11.2010], который авторы выбрали за ближайший аналог. Очень высокий модуль упругости композиционного материала обеспечивает зеркалу, описанному в известном техническом решении, высокую жесткость, а, следовательно, и устойчивость формы зеркала при эксплуатации, а высокая теплопроводность материала подложки позволяет значительно уменьшить влияние температуры на искажение формы оптической поверхности.

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности дополнительной термостабилизации зеркала при высоких тепловых нагрузках. В этом случае требуется отвод тепла от зеркала с использованием хладагента. Однако конструкция известного зеркала не предусматривает использование хладагента для его термостабилизации.

Задачей полезной модели является зеркало высокой жесткости, обеспечивающее его термостабилизацию хладагентами.

Технический результат достигается за счёт того, что зеркало, включающее подложку из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, на верхней поверхности которой расположены разделительный слой из материала, содержащего кремний, и отражающий слой на поверхности разделительного слоя, имеет внутреннюю зону охлаждения. Для формирования внутренней зоны охлаждения подложка выполнена из сопряженных друг с другом обечайки, верхней и нижней пластин. Обечайка охватывает контур зеркала, верхнюю и нижнюю пластины. Верхняя пластина имеет на оборотной стороне рельеф в виде правильных усеченных пирамид с квадратным основанием с длиной ребра основания 5 - 20 мм и двугранным углом при основании пирамиды 25 - 75°, примыкающих друг к другу ребрами больших оснований пирамид. Нижняя пластина сопряжена с малыми основаниями пирамид. На нижней поверхности подложки установлены два или более штуцеров, выходящих в пространство между рельефом из пирамид, для подачи хладагента в зону охлаждения зеркала.

При длине основания пирамид менее 5 мм и двугранном угле при основании пирамид более 75° внутренняя зона охлаждения имеет недостаточный объем для эффективной подачи хладагента в подложку зеркала.

При длине основания пирамид более 20 мм существенно снижается внутренняя поверхность теплообмена рельефа верхней пластины подложки с хладагентом, что ухудшает термостабилизацию зеркала.

При двугранном угле при основании пирамид менее 25° внутренняя зона облегчения имеет недостаточно большой объем, что снижает эффективность охлаждения зеркала.

Количество штуцеров, установленных на нижней пластине подложки зеркала, соединенных с внутренней зоной охлаждения зеркала, не может быть менее двух (первый - для подачи хладагента и второй - для отвода хладагента). В зависимости от реализуемой схемы подачи хладагента в зону охлаждения количество штуцеров может быть больше двух, из которых одна часть используется для подачи хладагента в зону охлаждения, а другая часть - для отвода хладагента.

Предпочтительно для некоторых применений, чтобы разделительный слой выполнен из поликристаллического кремния.

Предпочтительно для некоторых применений, чтобы разделительный слой выполнен из материала, содержащего карбид кремния 10 – 35 об.% и кремний 65 - 90 об.%.

Предлагаемое техническое решение поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 Поперечный разрез зеркала.

На фиг. 1 показаны:

поз. 1 - отражающий слой;

поз. 2 - разделительный слой;

поз. 3 - подложка зеркала, состоящая из:

- обечайки (поз. 4);

- верхней пластины с пирамидальным рельефом оборотной стороны (поз. 5);

- нижней пластины (поз. 6);

поз. 7 - места сопряжения верхней пластины, нижней пластины и обечайки;

поз. 8 - штуцеры.

Фиг. 2 Сечение зеркала, показывающее рельеф из пирамид на оборотной стороне верхней пластины подложки зеркала.

Как следует из приведенных фигур, основу конструкции предлагаемого зеркала составляет подложка (поз. 3) из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, например, в соотношениях (об.%): алмаз - 50-75, карбид кремния - 20-45, кремний - 3-20. На верхней поверхности подложки сформирован разделительный слой (поз. 2) из материала, содержащего кремний. Разделительный слой сформирован при изготовлении зеркала путем нанесения на поверхность подложки слоя кремния или пропитки жидким кремнием пористой углеволокнистой заготовки, помещенной на поверхность подложки. В последнем случае разделительный слой предпочтительно имеет состав в соотношениях (об.%): карбид кремния - 10-35, - кремний 65-90. На поверхности разделительного слоя, после придания этому слою необходимой формы оптической поверхности зеркала, сформирован отражающий слой (поз. 1), например, алюминия или серебра.

Подложка зеркала выполнена из сопряженных друг с другом обечайки (поз. 4), верхней (поз. 5) и нижней (поз. 6) пластин. Обечайка охватывает весь контур подложки зеркала, включая контуры верхней и нижней пластины и зоны охлаждения зеркала. На поверхности верхней пластины подложки зеркала (поз. 5) нанесены разделительный и отражающий слои, тогда как оборотная сторона верхней пластины подложки имеет рельеф в виде правильных усеченных пирамид с квадратным основанием, примыкающих друг к другу ребрами больших оснований пирамид (фиг. 2). Малые основания усеченных пирамид рельефа верхней пластины сопряжены с нижней пластиной (поз. 6). Места сопряжений обечайки и пластин показаны на фиг. 1 поз. 7. Сопряжение обеспечивается совместным реакционным спеканием отдельных элементов подложки зеркала.

На нижней пластине подложки зеркала (поз. 5) установлены штуцеры (поз. 8), соединенные с внутренней зоной охлаждения зеркала, необходимые для подачи хладагента в зону охлаждения и вывода хладагента из зоны охлаждения. Количество штуцеров может быть два и более в зависимости от реализуемой схемы подачи хладагента в зону охлаждения. Штуцеры могут быть выполнены из композиционного материала того же состава, что и подложка зеркала, и сопряжены с ней совместным реакционным спеканием, или выполнены из металла и установлены на нижней пластине другими конструктивными решениями, например, клеевой сборкой.

Конструкция зеркала в предлагаемом техническом решении сохраняет все преимущества ближайшего аналога. Подложка зеркала из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, обладает высокой жесткостью и теплопроводностью, что обеспечивает устойчивость формы оптической поверхности зеркала при силовых и термических воздействиях. Подача хладагента во внутреннюю зону охлаждения обеспечивает улучшенную термостабилизацию зеркала при повышенных тепловых нагрузках. Важно заметить, что высокая теплопроводность композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, обеспечивает эффективную передачу тепла от внешней поверхности зеркала к хладагенту. Входящий в состав разделительного слоя кремний обеспечивает высокую адгезию слоя к подложке за счет взаимного проникновения кремниевого каркаса между разделительным слоем и подложкой.

Заметим, что оптическая поверхность зеркала, а, следовательно, и форма верхней пластины подложки, по предлагаемому техническому решению может быть плоской или неплоской (сферической или асферической).

Исследованию было подвергнуто зеркало с плоской оптической поверхностью диаметром 300 мм с разделительным слоем из кремния толщиной 0,5 мм и отражающим слоем из алюминия толщиной 0,5 мкм. Подложка зеркала имела конструкцию, представленную на фиг. 1. Толщина верхней пластины вместе с пирамидальным рельефом - 12 мм, высота рельефа - 8 мм. Длина ребра большого основания пирамид в рельефе - 12 мм. Двугранный угол при основании пирамид - 63°. Толщина нижней пластины - 4 мм. Толщина обечайки - 5 мм. Подложка выполнена из композиционного материала состава: алмаз - 60 об.%, карбид кремния - 35 об.%, кремний - 5 об.%. Плотность композиционного материала 3,35 г/см³. Модуль упругости композиционного материала - 720 ГПа. Коэффициент теплопроводности материала - 450 Вт/(м⋅К). Температурный коэффициент линейного расширения композиционного материала - 2⋅10^-6 1/К. Верхняя пластина, нижняя пластина и обечайка сопряжены реакционным спеканием. На нижней пластине подложки смонтированы два металлических штуцера диаметром 12 мм на клеевой сборке.

Исследования показали, что жесткость при сферическом изгибе составляет 0,21 МН·м, что составляет 87 % от жесткости при сферическом изгибе зеркала тех же габаритных размеров, но не имеющей зоны охлаждения, что указывает на высокую жесткость зеркала по предлагаемому техническому решению. При нагреве оптической поверхности зеркала общей тепловой мощностью 200 Вт и охлаждении водой, температура отражающего слоя только на 0,35°С выше температуры охлаждающей воды, при этом радиус изгиба оптической поверхности при термическом воздействии более 7·10⁴ м, что указывает на обеспечение хорошей термостабилизации зеркала и сохранении формы его оптической поверхности.

Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать зеркало высокой жесткости, обеспечивающее его надежную термостабилизацию хладагентом, и, как следствие, повысить надежность работы оптического прибора.

Claims

1. Охлаждаемое зеркало, включающее подложку, выполненную из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, на верхней поверхности которой расположены разделительный слой из материала, содержащего кремний, и отражающий слой на поверхности разделительного слоя, отличающееся тем, что зеркало имеет внутреннюю зону охлаждения за счет того, что подложка выполнена из сопряженных друг с другом обечайки, охватывающей контур зеркала, верхней пластины, имеющей на оборотной стороне рельеф в виде правильных усеченных пирамид с квадратным основанием с длиной ребра основания 5–20 мм и двугранным углом при основании пирамиды 25–75°, примыкающих друг к другу ребрами больших оснований пирамид, и нижней пластины, сопряженной с малыми основаниями пирамид, а на нижней поверхности подложки установлены два или более штуцеров, выходящих в пространство между рельефом из пирамид, для подачи хладагента в зону охлаждения зеркала.

2. Охлаждаемое зеркало по п. 1, отличающееся тем, что разделительный слой выполнен из поликристаллического кремния.

3. Охлаждаемое зеркало по п. 1, отличающееся тем, что разделительный слой выполнен из материала, содержащего карбид кремния 10–35 об.% и кремний 65–90 об.%.