Поддержка по электронной почте
nyjmgd@foxmaid.comПозвоните в службу поддержки
+86-15538793950
Вот скажу сразу — многие, особенно на старте, думают, что дисперсионная призма — это просто кусок оптического стекла, отполированный под определёнными углами. Мол, рассчитал по формулам, вырезал, отполировал — и готово. На деле же это, пожалуй, один из самых коварных в изготовлении и юстировке элементов. Ошибка в пару угловых минут на этапе контроля геометрии, и вся спектральная картинка поплывёт. И ладно бы если в лабораторных условиях, но когда речь идёт о серийных поставках для, скажем, спектрометров мониторинга окружающей среды — тут уже не до шуток.
Начинается всё, конечно, с материала. Не всякое оптическое стекло, даже марки К8 или ЛК5, подойдёт. Для дисперсионной призмы критична однородность стекломассы. Помню, лет десять назад мы получили партию заготовок от одного поставщика — вроде бы по паспорту всё идеально. Но при контроле на интерферометре Физо проявились внутренние напряжения, которые давали неоднородность показателя преломления. В итоге призма работала, но разрешение спектральной линии на краях диапазона было хуже расчётного. Пришлось срочно искать альтернативу.
Тут, кстати, стоит отметить подход таких компаний, как ООО Наньянская Цзинмин Оптоэлектроникс Технолоджи. Они изначально закладывают в процесс жёсткий входной контроль шихты и слитков. Их производственная база в Наньяне, что в Хэнани, исторически сложилась в регионе с глубокими традициями точного машиностроения, что, видимо, накладывает отпечаток и на культуру качества в оптике. Не просто купить стекло, а отслеживать его ?биографию? от плавки — это уже половина успеха.
Сама резка и грубая обработка — тоже искусство. Нельзя просто взять и отрезать алмазным диском. Скорость реза, охлаждение, припуски — всё это влияет на слой с нарушенной структурой (повреждённый слой), который потом придётся долго и нудно снимать на стадии шлифовки. Иначе после полировки на гранях могут проявиться микросколы или ?вырыв? материала.
Полировка рабочих граней — это священнодействие. Автоматические станки — это хорошо для плоско-параллельных пластин, а для дисперсионной призмы, где важен точный угол между гранями (часто это угол отклонения, скажем, 60° или 90°), часто требуется ручная доводка на чугунном притире. Оператор с опытом буквально чувствует, как идёт съём материала. Мы однажды попробовали полностью автоматизировать этот процесс для мелкой серии. Решили сэкономить время.
Итог был печальным. Автомат выдерживал плоскостность на уровне λ/10, что прекрасно, но накопленная погрешность по углу при вершине призмы ушла за 2 угловые минуты. Для высокоразрешающего спектрографа это смерть. Пришлось всю партию пускать на переделку, фактически заново шлифуя одну из граней. С тех пор для ответственных заказов мы комбинируем методы: черновую полировку — автомат, финишную юстировку угла — вручную, с контролем после каждого этапа на высокоточном гониометре.
Именно на этом этапе критически важен постоянный контроль. Мы используем автоколлимационный метод в сборе с теодолитом, а для прецизионных вещей — даже лазерные угломеры. Бывает, что из-за температурного расширения оправы призмы в процессе полировки угол ?уплывает?. Поэтому цех должен быть термостабилизирован. Упомянутая ранее компания ООО Наньянская Цзинмин Оптоэлектроникс Технолоджи в своих материалах подчёркивает контроль климата в чистых помещениях, и это не просто слова для сайта. Без этого стабильно делать призмы с допуском по углу в 5 угловых секунд — невозможно.
Когда призма готова, отполирована и проверена, возникает соблазн сразу нанести просветляющее покрытие. Но для дисперсионной призмы к покрытию особые требования. Оно должно быть широкополосным и, что важно, с минимальным сдвигом фазы при отражении на разных длинах волн. Иначе вносимые искажения сведут на нет всю точность геометрии.
Мы как-то работали над призмой для УФ-диапазона (около 250 нм). Стандартное многослойное диэлектрическое покрытие, отлично работающее в видимом диапазоне, в УФ оказалось слишком поглощающим. Пришлось колдовать с материалами слоёв — фторид магния, оксид алюминия… Толщина каждого слоя — в пределах нанометров. Ошибка в одну нанометровку, и коэффициент отражения на нужной длине волны вместо 0.5% подскакивал до 3%. Для сложных систем, где таких призм несколько, это уже существенные потери света.
Поэтому сейчас для критичных применений мы сначала изготавливаем контрольные образцы-свидетели из того же материала, что и призма, и на них отрабатываем режимы напыления. И только получив идеальную кривую пропускания/отражения, загружаем в установку саму деталь. На сайте https://www.nyjmgd.ru в разделе технологий я видел описание их вакуумных установок ионно-лучевого напыления — это как раз тот уровень оборудования, который позволяет добиваться стабильности в таких тонких процессах.
И вот, казалось бы, идеальная призма готова. Но её ещё нужно корректно установить в оправу спектрометра или монохроматора. И здесь начинается самое интересное. Оправка не должна создавать механических напряжений. Любое давление на грани, особенно если используется термокомпенсирующий клей, может привести к возникновению внутренних напряжений в стекле и, как следствие, к локальному изменению показателя преломления — двулучепреломлению.
Был у нас случай с портативным спектрометром для полевых измерений. Призма была прекрасна, но инженеры-конструкторы, борясь за жёсткость, сделали алюминиевую оправу с очень жёсткими прижимными пластинами. При температурном цикле (от +25°C в лаборатории до -5°C на улице) алюминий сжимался сильнее, чем стекло, и призма испытывала колоссальное давление. В итоге спектральные линии размывались. Пришлось переделывать оправу, вводя упругие (пружинные) элементы и используя специальные силиконовые герметики с низким модулем упругости.
Юстировка — это отдельная песня. Призму нужно выставить так, чтобы луч падал на первую рабочуюгрань под расчётным углом. Часто для этого используют лазер и автоколлиматор. Но если в системе есть несколько призм (например, в схеме Литра), то ошибка юстировки каждой предыдущей множится. Порой проще собрать весь оптический блок на юстировочном стенде, используя эталонный источник света (например, ртутную лампу с известными спектральными линиями), и методом итераций, вращая призмы в их посадочных местах, добиваться максимального разрешения на выходной щели.
Сейчас, глядя на тренды, вижу постепенный уход от классических объёмных дисперсионных призм в некоторых областях в пользу дифракционных решёток, особенно в комбинации с голографическими элементами. У решёток выше дисперсия, они компактнее. Но! Призмы незаменимы там, где нужна высокая светосила и минимальные потери на поляризацию, где важна устойчивость к высоким мощностям лазерного излучения (в решётках может быть проблема с повреждением штрихов).
Перспективным направлением мне видится изготовление призм из особых материалов — фторида кальция, фторида магния, синтетического кварца с особой ориентацией оптической оси — для работы в глубоком УФ или ИК-диапазонах. Это уже уровень для специализированной аэрокосмической или исследовательской аппаратуры. Тут требования к чистоте материала и однородности на порядок выше.
Компании, которые хотят оставаться на острие, как та же ООО Наньянская Цзинмин Оптоэлектроникс Технолоджи, вынуждены инвестировать не только в станки с ЧПУ, но и в метрологическую базу: интерферометры с разными длинами волн, спектрофотометры для измерения пропускания в широком диапазоне, установки для измерения коэффициента рассеяния. Без этого нельзя объективно оценить качество готовой дисперсионной призмы. Ведь в конечном счёте, клиенту важен не красивый паспорт с цифрами, а стабильная работа его прибора в реальных, далёких от идеальных, условиях. И именно способность обеспечить эту стабильность и отличает кустарную поделку от профессионального оптического компонента.
