Newport Corporation -- Franklin Facility -- Replicated Substrates

光学复制件的基座材料

材料的选择

几乎所有能够被环氧树脂粘合的材料都可以作为光学复制工艺的基座材料。但是考虑到光学表面的精度及稳定性，对基座材料的选择是十分关键的。我们主要针对下列参数进行考量：

比重
杨氏模量
热膨胀系数
热传导性
尺寸稳定性
成本

最佳的复制件基座材料包括：铝合金，铍合金，石英玻璃以及石墨环氧树脂。另外还有些材料比较常用：氧化铝、硅晶体、碳化硅、钛合金、钼合金以及不锈钢。

轻量化光学元件

针对轻量化的用途，基座材料的密度是一个重要的指标，另外杨氏模量也必须考量。如果材料的密度非常小，但是杨氏模量值很高，将会是最理想的轻量化及底物理惯量材料。因此对比模量：E/p，是选择轻量化材料的关键参数。对比模量越大，该种材料就越适合。

铍合金的比较模量数据最好，达到了151，其次为碳化硼146，氧化铍133，碳化硅118 ；相对铝合金的数据为26。从目前的技术而言，使用碳化硼是不可行的，碳化硼只能生产片料，价格很贵，而且加工难度大。氧化铍目前不能被浇铸成型，而且相对铍合金而言没有其他的优势。碳化硅可以制作大尺寸光学元件。铝合金是最经济的材料，但是当需要轻量化是，它并不是最佳的选择。

I 除了对比模量外，比重本身也是必须考量的指标，特别针对没有厚度要求的小型光学件。当元件的表面及厚度尺寸已经确定的情况下，轻量化的最主要指标就是密度。铍合金的密度是1.85 g/cm3　，相对于铝合金（2.7 g/cm3）及碳化硅（3.14 g/cm3）。

低物理惯量元件

通常低物理惯量是光学元件的一个重要的指标。惯量指标是由杨氏模量和比重组成的：

比较模量＝[(E/p) /p]

这个模量数据越高，材料的惯量性能越好。铍合金的比较模量为6.65，以下是碳化硼4.83，碳化硅3.5。同上，针对没有厚度要求的小型光学件，比重是最主要的指标。因此铍合金一般是最佳的材料，然后是铝合金。其它的材料如：石英玻璃、硅晶体及石墨环氧树脂一般不考虑，因为它们本身不易轻量化，而且不容易保证元件的精度。

铝合金反射镜

铝合金系列中最符合光学复制的型号是6061-T651以及6061-T6。它们具有超好的均一性，以及良好的温度系数；非常适合于光学复制工艺的要求。另外，铝合金其它的一些型号如：2024、7075，以及浇铸铝合金：356、71等都可以在光学复制中应用。铝合金的优势在于：

密度相对较小
成本较低
可以作为固体结构件进行加工
可以进行轻量化加工，并作支撑结构
使用CNC加工中心，表面较易加工成非球面
考虑到光学仪器中，很多部件都是用铝合金制成的，可以同其他的结构件配合，减少环境温度对系统的影响。

针对高精度光学件，特别是轻量化光学的应用，如何热处理（老化）铝合金是非常关键的。以6061-T6型铝合金为例，作为元件比较厚的材料部分必须经过热处理，一般要经过热处理后，形成的状态又称为T651型铝合金。这部分材料必须经过机械粗加工，并且在177°C的环境下进行消应力处理，然后随炉冷却。由于这个过程会产生一定的形变，因此对于某些高精度产品，处理后的铝合金工件必须进行外形机械修正。

经过机械修正后，工件必须经过机械粗抛光以去除表面机械加工的痕迹，然后根据需要再作表面精度修正。复制前，工件必须在-60°C (-76°F) 到+ 100°C (212°F)的环境下，循环至少3次，才能够使用。经过表面复制后，这些工件（元件）不能再作任何机械加工，以防止镜面变形。

铍合金反射镜

铍合金由于成本较贵，一般不常用于光学元件中。但是对于某些对轻量化或降低物理惯量要求很高的应用，它仍是一种选择。根据氧化铍含量的不同，有很多种不同型号的铍合金。低氧铍合金十分易于抛光，但是由于它的塑性所限，精度较低。对于较小的、较薄的铍合金元件，加工是很容易变形，甚至手工加工也能造成变形。鉴于复制工艺对铍合金中的含氧量没有要求，我们一般选择含氧量较高的I-220或者仪器级别的I-400，作为基座材料。这些级别的塑性较低，不宜变形。

机械加工铍合金基座，并且进行热处理是很关键的。机械粗加工必须分阶段，并且选用尖锐的车刀，以保证尽量减少表面的损伤。然后坯件必须在氩气保护的烘箱中，在1450°F（760°C）的环境下进行热处理，以消除机械加工带来的应力。之后，坯件必须经过十分小心的精细加工，以防止表面损伤。当精加工结束后，工件必须经过抛光后，再作钝化处理，表面去除.002 ～ .003 英寸（0.05~0.076mm）的厚度，以保证将表面的所有损伤腐蚀掉。另外在热处理前，铍合金的工件必须在-60°C (-76°F) 到177°C (350°F) 的环境下，循环至少3次，才能够使用。

石墨环氧树脂复合材料

石墨环氧树脂复合材料的优点，使我们选择它作为光学复制件的基底材料。它的比重很小（甚至比铍合金还小），杨氏模量较高，以及热膨胀系数较小。另外由于这种材料有一定的吸湿性，往往会在一段时间后导致表面变形，限制了这种材料在光学复制工艺的使用。但是，对于某些特种用途（卫星太阳能电板，或者相似的用途），我们会使用这种材料。

由于石墨环氧树脂复合材料的表面很难精细加工（表面的粗糙度基本为几十纳米），因此这种材料一般不用在成像系统中。但是对于能量采集的太阳能电板，考虑到它对紫外、可见及红外光谱段的性能良好，因此在这个用途有一定的应用。

同其它材料不同的是，石墨环氧树脂复合材料可以制成尺寸极大的光学元件。理波光电富兰克林工厂一直生产卫星太阳能电板中的一个部件，直径就达一米。

氧化铝――刚玉材料

刚玉材料是一种非常稳定的陶瓷材料，比重适中，杨氏模量很高。另外可以通过注模法批量生产低成本的轻量化、低物理惯量元件。注模法对最终元件的尺寸有一定的限制，但是它的模具费用可以在以后的产品中进行分摊。

刚玉材料的注模法成形，不仅用于生产平面产品；球面、非球面、屋脊棱镜以及角锥反射镜都可以用这个方法生产。只要精度许可，我们可以将光学高精度的表面直接复制在没有任何机械加工的基座上，这样成本基本和铝合金材料一样。另外在某些金属材料不能用的场合，刚玉材料将是一个很好的替代品。

碳化硅材料

大尺寸、轻量化的碳化硅材料镜面目前很多应用在天文及军事领域。有几种生产碳化硅基座的方法，包括：反应键合、氮化键合，直接烧结以及化学沉积（CVD）等方法。某些方法制成的碳化硅基座可以进行高精度抛光，达到很好的表面精度及粗糙度。其它的方法，如反应及氮化键合，无法做到。它们成形后，表面必须进行硅单晶或碳化硅化学沉积，覆盖一层光学表面。

从普通商用角度，碳化硅注模成形工艺是最经济的一种方法，虽然模具对尺寸有一定的限制，但是模具的费用可以在以后的产品中被分摊。而且成形后的表面可以进行抛光处理，比光学复制工艺的成本低。

理波公司成立于1969年，是激光、光电子元器件及产品解决方案的集成供应商，同科学研究、生命科学、微电子、工业制造及军工等领域的主导客户合作。