Regularities of influence of electron-beam technology modes on the performance characteristics of optical elements

Abstract

Experimental researches and new regularities of influence of electron-beam processing modes on quantitative indexes of quality of surface layers of optical glass and ceramics elements are carried out: purity and smoothness of surface – the surface of optical glass elements is completely free of defects, at the same time, there is an increase of purity class, the reduction of microroughness to 0.4-1.3 nm; thickness of melted layer; structural change and chemical composition; squeezing tension and thickness of strengthened layers – in the optical ceramics elements there appear compression tensions up to 30-70 MPa in strengthened surface layers of 90-210 microns thick. Optimal modes of electron-beam technology are found (thermal impact density 7∙106-8∙108 W/m2 of electron beam, travel speed 5∙10 – 3-5∙10 – 2 m/s), which improve the performance characteristics of optical elements: increase of microhardness of the surface and increase of the strength of surface layers, as well as spectral transmission coefficient; increase of elements stability to external thermal and mechanical influences by their exploitation. Herein, there is a temperature increase of surface layers of elements and a rise in their thermal physical properties: volumetric heat capacity, thermal conductivity coefficient, thermal coefficient of linear expansion. The obtained experimental research results and developed on their basis methods of improvement of performance characteristics of optical elements found their practical use and introduction in a wide range of Ukrainian enterprises, which allowed to increase the accuracy and broaden measurement ranges of impulsive range finders for 7-15 %; to increase the probability of flawless performance of optical fairings of infrared guidance and observation devices and fiber-optic beam guides of laser medical devices while performing at 10-20 %.

Проведено експериментальні дослідження та встановлено нові закономірності впливу режимів електронно-променевої обробки на кількісні показники якості поверхневих шарів елементів з оптичного скла та кераміки: чистоту та гладкість поверхні – поверхня елементів з оптичного скла повністю очищується від дефектів, при цьому відбувається підвищення класу чистоти, зменшення мікрошорсткості до 0.4-1.3 нм; товщину оплавленого шару; зміну структури та хімічного складу; стискаючі напруження та товщину зміцнених шарів – у елементах з оптичної кераміки виникають стискаючі напруження до 30-70 МПа у зміцнених поверхневих шарах товщиною 90-210 мкм. Знайдено оптимальні режими електронно-променевої технології (густини теплового впливу 7∙106-8∙108 Вт/м2 електронного променю, швидкості його переміщення 5∙10 – 3-5∙10 – 2 м/с), які покращують експлуатаційні характеристики оптичних елементів: збільшення мікротвердості поверхні та підвищення міцності поверхневих шарів, а також спектрального коефіцієнта пропускання; підвищення стійкості елементів до зовнішніх термічних та механічних впливів при їх експлуатації. При цьому відбувається збільшення температури поверхневих шарів елементів та підвищення їх теплофізичних властивостей: об’ємної теплоємності, коефіцієнта теплопровідності, термічного коефіцієнта лінійного розширення. Отримані результати експериментальних досліджень, а також розроблені на їх основі методи покращення експлуатаційних характеристик оптичних елементів, знайшли практичне використанням та впровадження на цілому ряді підприємств України, що дозволило підвищити точність та розширити діапазони вимірювання дальності імпульсних лазерних далекомірів на 7-15 %; збільшити ймовірність безвідмовної робити оптичних обтічників ІЧ-приладів наведення і спостереження та волоконно-оптичних світловодів лазерних медичних приладів при експлуатації на 10-20 %.