Изготовление сеток и шкал для оптических приборов с помощью ЛУТ

Изготовление сеток и шкал для оптических приборов с помощью ЛУТ

При изготовлении многих оптических приборов, одним из важных этапов процесса изготовления является нанесение на некоторые детали этих приборов сеток и шкал. Сетки и шкалы служат для проведения отсчётов, измерений, а также для наведения прибора на объект.

Чаще всего сетки и шкалы наносятся на поверхность плоско-параллельных пластин, которые размещаются в оптической системе преимущественно в фокальной плоскости окуляров.

В зависимости от допусков на линейные и угловые размеры, сетки подразделяются на три категории:

- грубые с допуском линейных размеров более 100 мкм и угловых свыше 5 угловых минут;

- средние с допуском линейных размеров в диапазоне от 10 до 100 мкм и угловых в диапазоне 1-5 угловых минут;

-  точные с допуском линейных размеров от 1 до 10 мкм и угловых в диапазоне 1-60 угловых секунд.

Традиционно существуют два принципиально различных метода нанесения сеток, выбор между которыми производится в зависимости от конфигурации штриха и требуемого класса точности. Одним из них является способ деления, а другим – фотолитографический способ.

Способ деления включает две разновидности:

1.  Нанесение штрихов алмазным резцом непосредственно на поверхность стекла (механический метод). Он применяется при изготовлении сеток шириной от 10 до 0,5 мкм.

2.  Нанесение сеток прорезыванием защитного слоя, покрывающего поверхность стекла и последующее травление кислотой обнажённого стекла (глазирование по защитному слою). Этот метод позволяет получить штрихи шириной от 10 до 2 мкм.

Фотолитографический способ позволяет получить сложные рисунки высокой точности размеров, но является технологически сложным. Минимальная ширина штрихов, которую можно получить этим способом составляет 3 мкм.

Мы разработали принципиально новый метод нанесения сеток и шкал на поверхность оптических деталей с помощью лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ). Он заключается в создании на поверхности стекла микротрещины заданной ширины и глубины, и заполнении этой трещины различными материалами для её визуализации. По сравнению с традиционными методами, этот способ является более технологичным, включая в себя всего один этап, не требует последующей обработки детали, и позволяет получать высокоточные сетки с минимальной шириной штриха в десятки нанометров.

Процесс нанесения штрихов методом ЛУТ выглядит следующим образом. При кратковременном локальном нагреве заготовки с помощью лазерного излучения от CO₂-лазера в поверхностном слое материала создаются напряжения сжатия σ_с (рис.1), которые не превышают прочность материала и не приводят к его разрушению. При последующем резком охлаждении зоны нагрева с помощью воздушно-водяной струи, эти напряжения преобразуются в напряжения растяжения σ_р, которые превышают прочность стекла и приводят к возникновению на поверхности стекла микротрещины. Твёрдые частицы вещества, которые добавляются в хладагент, распыляясь вместе с ним попадают в микротрещину и оседают в ней. При подсветке сбоку, эти частицы рассеивают свет и создают видимость светящейся линии (рис.2а). Если не использовать боковую подсветку, то в проходящем свете линии будут выглядеть тёмными (рис.2б). Глубина микротрещин, полученных с помощью ЛУТ составляет от 90 до нескольких сотен микрон. Ширина при этом может меняться от 0 (если в качестве хладагента используется чистая вода) до десятых долей микрона (при использовании концентрированных коллоидных растворов).

Преимущество разработанной нами технологии заключается в том, что изготовление линий сетки происходит «налету», т.е. не требуется последующего травления и окраски штрихов (как в механическом методе) и отсутствуют сложные технологические операции (как при фотолитографическом методе). Скорость нанесения штрихов составляет несколько сотен миллиметров в секунду. Ещё один важный момент в том, что в микротрещину можно внедрить практически любой материал (в виде мелкодисперсных частиц) с требуемыми оптическими свойствами, не беспокоясь о наличии или отсутствии адгезии к стеклу.

Для некоторых оптических приборов, в особенности тех, которые используются в военных целях, одним из главных требований является обеспечение видимости линий сетки на тёмном фоне. При обычной подсветке, часть света рассеивается на поверхности стекла и на мельчайших дефектах (если они присутствуют). Это создаёт общий светлый фон, что затрудняет наблюдение. В таких случаях эффективным решением является изготовление люминесцирующих штрихов, которые можно подсвечивать невидимым глазу ультрафиолетовым светом (рис.3). Изготовление таких штрихов традиционными методами является сложной задачей, т.к. не все люминофоры имеют хорошую адгезию к стеклу. При использовании метода ЛУТ такой проблемы не возникает. Можно с одинаковым успехом использовать различные (в том числе органические) люминофоры, с возможностью получения разных цветов линий и подсветки в различных диапазонах. Варьируя концентрацию люминофора в охлаждающей жидкости, можно получать штрихи с различной интенсивностью свечения. Ширина штрихов сетки составляет всего сотые доли микрона, однако они хорошо видны в виде чётких светящихся линий, как при увеличении, так и невооружённым глазом.

После нанесения штрихов, часть люминофора можно удалить нагревом с помощью лазера. Это даёт возможность изготавливать не только сплошные линии, но и отдельные отрезки и точки.