Высокоточная обработка сапфира. Полировка сапфира

Сапфир благодаря своим уникальным физическим свойствам может использоваться для изготовления оптических изделий, работающих в экстремальных условиях, т.е. при воздействии высоких температур, давлений, механических нагрузок, агрессивных сред и радиации.

Для успешного применения оптических изделий решающее значение имеет качество полированной поверхности. Существовавшая ранее технология полировки сапфира, которая характеризовалась применением сильных химических воздействий, приводила к достаточно высокому классу шероховатости поверхности (Ra  порядка 10А), но не обеспечивала сколько-нибудь оптически точную форму поверхности, даже для плоских окон. Изделия, изготовленные по такой технологии, массово применяются в часовой промышленности, в электронике и т.д., но редко пригодны для точных оптических приборов.

Компоненты для приборов традиционно изготавливались путем механической обработки, что приводило к более высокой точности формы поверхности, однако не обеспечивало высоких параметров оптической чистоты и шероховатости.

Главная сложность совмещения механической и химической обработки состояла в том, что  применяемые суспензии – травители сапфира разрушали материалы полировального инструмента.

В результате исследований, проведенных в нашей компании, была разработана новая технология  химико-механической полировки сапфира, обеспечивающая минимальную шероховатость и, одновременно,  высокие требования по чистоте и точности оптической поверхности.

Шероховатость поверхности в процессе полировки контролировалась на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Solver Pro.

На рисунках приведены профилограммы шероховатостей полированных поверхностей образцов для различных стадий их обработки по нашей технологии.
Как видно из рисунков, с течением времени обработки изменяется и шероховатость, и структура поверхности – шероховатость уменьшается, а структура становится более однородной.



Полученная шероховатость Ra составляет 9 А, что соответствует лучшим образцам изделий, к которым другие изготовители не предъявляют требований по точности формы поверхности. Такое низкое значение шероховатости при одновременном отсутствии «волосяных» царапин практически исключает светорассеяние, что особенно важно для лазерных применений. По нашей же технологии удается одновременно получить и высокие значения точности поверхности – см. ниже.

Усложняющим фактором точной обработки сапфира является анизотропия его механических и других физических свойств. Наименее всего сказывается она на плоских поверхностях, поэтому именно для них достижимы наивысшие результаты. А наиболее сложными из сферических поверхностей являются полусферические колпаки и микролинзы. Технология отработана для полусферических колпаков и микролинз размером от 3 мм до 180 мм и толщиной стенки, соответственно, от 0.25 мм до 6 мм.

Была отработана технология и изготовлены партии колпаков диаметром от 10 до 200 мм, с толщиной стенки от 2 мм и со следующими средними параметрами:

• Разнотолщинность по всему изделию – 0,02 мм;
• Точность формы поверхности: в центральной зоне – 0.5 lambda, в краевых зонах – 1-1,5 lambda;
• Класс чистоты – 60/40 MIL;
• 
  
  Интерферограмма внутренней поверхности колпака (обтекателя) из оптического сапфира. R=79.995 (Центральная зона Ø50 мм)
  
  
  Интерферограмма внутренней поверхности колпака (обтекателя) из оптического сапфира. R=79.995 (Краевая зона Ø50 мм)
  
  
  Интерферограмма наружной поверхности колпака (обтекателя) из оптического сапфира.  R=85.015 (Центральная зона Ø50 мм)
  
  
  Интерферограмма наружной поверхности колпака (обтекателя) из оптического сапфира. R=85.015 (Краевая зона Ø50 мм)
  
  
  Фотография колпака (обтекателя) из оптического сапфира, диаметр 170 мм, а также колпаков диаметром 48 мм и 20 мм
  
  
  
  

  Линзы  

  • Диаметр – 5-250  мм 
  • Точность  поверхности – до  0.1 lambda
  • Класс чистоты 20/10 MIL
   Интерферограмма поверхности  линзы из сапфира