光电系统中铍反射镜的发展与应用

光电系统中铍反射镜的发展与应用

1碘反射镜的应用大口径和长度是空间、基础和航空照明系统的发展趋势。与此同时，反射镜的口径也有所增加。本文介绍了国外光电系统中铍反射镜常用材料的特性,铍反射镜基底制备、机械加工和光学加工现状,并重点介绍了铍和铍铝合金在JWST和F-9120航空远距离可见/红外双波段侦察相机的反射镜和支撑结构中的应用。2采用分布式反射镜制作材料和加工2.1冲击研磨碘粉的制备单晶态铍是一种高活性的密排六方(HCP)结构金属,其c/a=1.568,热膨胀系数(CTE)基面比垂直于该面的轴向高出37%。由于热膨胀系数各向异性过高会导致反射镜在小的温度变化下尺寸稳定性下降,使得光电系统成像质量下降。因此,铍反射镜和大多数铍材料部件必须通过粉末冶金技术进行制造,以使得颗粒方向尽可能的随机化,达到宏观特性的各向同性20世纪70年代以前,铍粉制取主要依靠机械研磨和球磨法。这两种工艺制得的铍粉呈片状,缺乏真正的无序结晶结构,固结铍锭的物理性能和力学性能都呈现各向异性,且无法满足粉末的纯度、粒度分布的要求。20世纪70年代,美国研制出冲击研磨法制取铍粉,即利用高速气流裹挟原料铍粉在冲击钯上将其击碎而得到满足要求的铍粉产品。这种方法可将铍粉末中的超细污染物分离出去,制得的粉末纯度高,粒形均匀且细小(3μm以内),粉末内应力大,生产效率高,氧化物含量低,成本低且有利于防护。冲击研磨铍粉颗粒呈块状,各向同性仅次于雾化粉。进入20世纪80年代中期,布拉什-韦尔曼公司(BrushWellman)采用冲击研磨法铍反射镜用铍粉分类的主要依据是:(1)BeO含量;(2)镜坯制造是采用真空热压法还是热等静压法;(3)粉末颗粒尺寸大小;(4)粉末颗粒为球形还是其他磨粒形。这些因素决定了铍反射镜随时间和温度变化的尺寸稳定性及可抛光性。表1为目前国外在光学系统中铍反射镜最常用的5种铍材的性能I-70H和O-30L的BeO含量低,分别为0.7%和0.3%,使用这两种铍粉生产的反射镜基底强度较低,能够直接进行抛光,但加工时间较长。它们的微屈服强度和微蠕变非常低,一般不适合于化学镀镍磷合金(ElectrolessNickel,EN),因为镀层与基底材料特性有较大的差别。I-220H为冲击研磨铍粉,其BeO含量最高,为2.2%,使用I-220H生产的反射镜基底强度最高。这种材料能通过真空热压或热等静压法从粉末固结成全密度的反射镜基底。I-220H粉末也可以通过冷等静压法制成密度为70%,然后通过真空热压或热等静压制成全密度的基底。由于具有高的微屈服强度,该材料不适合直接在基底上进行抛光,需进行化学镀镍磷合金层再进行抛光。在5种材料中S-200-FH价格最低,该材料多在极限应力不高的情况下应用,与I-220H一样,适合进行化学镀镍磷合金层。AlBeMet2.2热压法热-压法美国在20世纪60~70年代,铍粉末冶金固结工艺一般采用真空热压法。20世纪70年代以后,热等静压技术开始用于铍反射镜的生产与研究,并成为之后铍反射镜最常用的加工方法。热等静压是在高温下利用各向均等的静压力进行压制成型的工艺方法,其关键是温度和压力的确定,压力一般为105MPa,温度范围为1083~1152K,在热压容器内进行。与真空热压工艺相比其优点是:产品具有良好的力学性能,可生产全致密材料,获得无序的晶体结构,各向同性优于真空热压法,可生产复杂形状的近净形部件,设备利用率和生产效率更高反射镜基底制造是采用热等静压法将铍粉固结出镜坯,然后在镜坯上进行机械加工和研磨成所需的形状。这种直接的加工方法不仅耗时,且会造成相当大部分的坯料被浪费,由于铍的价格昂贵,从而大大增加了镜体的成本。对于一些简单形状的基片,这种方法可能会更经济,但对于大多数部件尤其是复杂形状的部件,效率相对较低。这种加工方法适用于背部开口轻量化结构反射镜加工,不适用于蜂窝夹心结构反射镜加工。20世纪80年代后期,大而复杂的轻量化镜坯能直接通过热等静压至近净形(HIP-NNS)。HIP-NNS工艺具有快速一步成形、机加工量小、成本低等优点,尤其适用于昂贵、质脆、剧毒铍这一特殊材料的固结,能够进行蜂窝夹心结构反射镜的加工。HIP-NNS工艺需要配有加工精密的模具,单个铍反射镜生产成本会有所增加,因此,反射镜加工方法需要根据加工数量、反射镜结构和加工精度等具体情况综合考虑进行选择2.3光学加工和反射镜基底损伤层铍的粉末和碎屑对人体有害,铍材料的加工过程应在有良好的通风控制系统中进行。铍较脆,其加工性能类似于铸铁,铍材对机械加工损伤较敏感,易发生裂、碎、掉渣等问题,所以机械加工时尽量减小或控制切削进给量,以避免轻量化薄壁出现裂痕、棱边掉渣现象此外,加工时要严格控制切削参数,采用渐进式加工方法,依次使用更小的切削量进行加工,以尽量减小机加工表面损伤层,并在后续处理中采用化学铣切和冷热循环稳定处理去除表面损伤层,以保持镜铍尺寸稳定、恢复材料原有的力学和加工性能铍粉固结后的反射镜为多晶体材料,研磨在材料被移除的同时会造成亚表面损伤,亚表面损伤的深度大约等于材料被去除的深度。光学表面加工的抛光力在材料上施加了极大的应力,导致多晶体材料在深度约200nm内重新排列,这一重新排列层被称为贝氏层。在抛光之前这些微粒的沉积或者生长过程是以非常随机的方式排布,使得材料层具有各向同性特性。当抛光应力重新排列多晶体,会产生各向异性(定向的)表面层,可能会影响镜子的光学性能。为了使反射镜基底损坏层的影响最小化,美国HDOS(HughesDanburyOpticalSystems)和RI(RockwellInternational)公司开发了特殊的铍抛光工艺,使损坏层的厚度最小化。该工艺能够通过依次使用更小的抛光磨粒尺寸,去除略微多于上一步抛光所造成损伤层的一半厚度,直到最小厚度的损伤层被留在反射镜基底上2.4镍磷合金镀层表2为目前国外铍、碳化硅和铝反射镜的加工现状对比化学镀镍磷合金(磷含量为10%~13%)的热胀系数与铍接近,二者相对应力低。与用于铝的化学镀镍磷合金(磷含量为8%~10%)相比,较高的磷含量使得镍磷合金镀层相对更软,从而具有优异的金刚石车削加工性能。化学镀镍磷合金层能提供一个更坚硬的保护层,厚度一般为24~150μm。与铝不同,铍的高刚度允许可以只在反射镜的镜面进行镀层,能最大限度减小由镀镍引起的质量和惯量的增加。镍磷合金有很好的可抛光性,但是在红外波段,其反射率不如铍。直接抛光或镀镍磷合金后的铍反射镜需要在镜面镀高反射率的金属材料(如金、银或铝)作为保护层,选择金属材料的依据是所需要反射的波长和反射率。3闪存光系统的最新应用3.1o-30l组成的光学支撑结构铍在室温下的热膨胀系数很高,但在低温下具有很好的稳定性,同时铍具有质量轻等优点,这使得它多被用于低温空间望远镜的反射镜制造。低温空间望远镜IRAS和SIRTF,以及地基天文望远镜VLT、KECK和GTC使用的铍粉为冲击研磨法制取的I-70H和I-220L。当反射镜直径大于1m时,这类铍粉制成的反射镜在机械性能和热性能上会存在一定的各向异性。理想的铍材料,尤其是对于低温下应用的天文仪器,希望反射镜具有优异的各向同性。为了满足这一要求,BrushWellman开发并生产了O-30L铍粉,该铍粉由气体雾化法制取,铍粉颗粒为球形。该铍粉的氧化物含量为0.3%,使用该铍粉生产的反射镜基底能够较容易地进行直接抛光成低散射的光学表面。O-30L铍粉相比于I-70H,具有更好的各向同性,通过SBMD(sub-scaleberylliummirrordemonstrator)和AMSD(AdvancedMirrorSystemsDemonstrator)项目试验证明了低温下O-30L铍粉的稳定性要优于SIRTF望远镜使用的I-70H。因此,O-30L铍粉被用来制造JWST的主镜、次镜和三镜韦伯太空望远镜工作在红外波段。口径为6.5m的主镜由18块约1.5m正六边形反射镜拼接组成由于铍在低温下具有很好的稳定性,JWST的近红外相机(NIRCam)的光学支撑结构也选择使用铍材。光学支撑结构设计之初候选材料只考虑了热等静压(HIP)等级的铍粉:I-220H、S-200FH、O-30H和I-70H的各向同性更好,其中S-200FH具有相对较低的强度和较高的各向异性;O-30H各项同性最好,但成本高,强度低,同时光学支撑结构不需要这么高的各向同性;I-70H强度也相对较低;由于具有较高的屈服强度和较好的各向同性,通过比较,最终选I-220H为NIRCam的光学支撑结构材料3.2材料选择的影响F-9120高空可见/红外双波段航空侦察相机(图4)采用双波段共口径光路设计,可以实现高空远距离,可见/红外同时成像,可以在多种战术平台上使用。表3为F-9120航空侦察相机的主要成像性能指标,其中,高空工作时,可见光相机的焦距为3m,红外相机的焦距为1.5m,视轴稳定精度小于0.5μrad。为了满足这一高性能的成像指标要求,BAESystems公司对航空上用于光学结构经过飞行验证的材料进行严格和详细的对比最初考虑相机主反射镜和支撑结构材料都使用铝,其风险低、成本低并且生产周期短。但铝的比刚度相对较低,不足铍的1/6,会导致反射镜质量和体积增加,难以满足苛刻的系统结构要求。ULE也是如此。碳化硅具有最高的模量和相对较低的热膨胀系数,也被考虑用来进行反射镜和支撑结构制造。但由于受相机质量限制,具有最高比刚度的铍优于碳化硅。同时相机扫描轴性能和结构刚度决定了图像的抖动,铍在单位载荷下具有最高的抗变形能力,这对于F-9120全景扫描相机来说不仅能提高图像质量并且有利于视轴稳定。BAESystems的光电吊舱热管理系统能使得F-9120传感器工作温度保持在±2℃以内,从而能有效减小反射镜的热梯度,允许使用常温下具有较高热膨胀系数的铍。另外,如表4所示,在备选的材料中铍具有最高的比热和热导率。高比热使得铍反射镜能够在热变形之前吸收更多的热量,高的热导率有利于实现快速的热平衡,降低由热梯度产生的变形。对于高空远距离战术侦察系统,碳化硅和铍反射镜制造和装调总成本差别不大。尽管铍的价格和加工成本高于碳化硅。铍反射镜可以直接在镜体上加工安装面,有助于降低装调成本,而碳化硅反射镜一般需要嵌入式支撑组件,需要单独精密加工和研磨,从而增加装调时间和成本。综上,考虑到设计指标和苛刻的使用环境,最终选择了铍作为反射镜的材料。铍的高比刚度和快速热平衡能力有利于提高光电系统的成像质量。对于支撑结构材料,BAESystems公司之前在高性能光电系统支撑结构中使用铸铝和钛。铝能够被铸造成各种所需的形状,成本低,但是其比刚度低。在战术环境中光学支撑结构的刚度要满足结构一阶模态频率高出扫伺服系统带宽的5倍以上,才能保证支撑结构的运动不会影响光学成像质量。钛的比刚度也不高并且价格昂贵BAESystems综合分析得出只有使用铍反射镜和铍铝合金支撑结构能使得结构最轻,刚度最高,才能满足F-9120所有关键的设计指标要求。BAESystems通过一系列的实验室试验和在F-16上成功的飞行试验证实了使用铍反射镜和铍铝合金支撑结构的F-9120航空侦察相机在复杂热和振动环境下具有优异的成像性能。随着铍铝合金在目标捕获和火控系统上的成功应用由于铍铝合金的高热导率和比热容量,使得相机能够在更宽的温度范围内能保持焦距稳定,光电吊舱的热管理系统可以更加简化,并能减少起飞之前预处理时间。F-9120航空侦察相机的铍反射镜基底机械精加工需要5次渐进式切削,机械加工之后需要进行化学铣切去除表面损伤和表面应力;而铍铝合金反射镜基底精加工只需要一次切削即可完成,机械加工之后不需要进行化学铣切处理。使用铍铝合金能明显降低成本和生产周期,与铍镜/铍铝合金结构相比,全铍铝合金的F-9120航空侦察相机能节约25%的成本,同时生产周期缩