НПО «Луч» создал технологию нанесения отражающего и защитного покрытия на оборудование обсерватории «Спектр-УФ»

В 2025 году в космос запустят российскую обсерваторию «Спектр-УФ». Планируется, что она заменит знаменитый «Хаббл», ресурс которого истекает в 2021 году, — ​будет изучать Вселенную в ультрафиолетовом диапазоне частот, исследовать атмосферу экзопланет и искать барионное вещество. В НИИ НПО «Луч» создали технологию нанесения отражающего и защитного покрытия на оборудование обсерватории. Специально для «СР» разработчики Валерий Жупанов и Валентин Щипалкин подготовили материал о методе измерения, который при этом используется.

Со школьной скамьи нам известно, что свет, проходя сквозь прозрачное тело, частично отражается от границы раздела, частично поглощается им. Чтобы управлять этим явлением, на оптические поверхности наносят покрытия: просветляющие для уменьшения отражения на границе сред и отражающие — ​для увеличения.

Для мощных лазерных установок с большой плотностью энергии нужны особые покрытия — ​диэлектрические четвертьволновые. Они представляют собой тонкие пленки, последовательно нанесенные друг на друга, из материалов с разными коэффициентами преломления. Это придает оптическим поверхностям уникальные свойства: зеркальное отражение пленок достигает 99,995 %.

Техникой нанесения таких покрытий владеют специалисты НИИ НПО «Луч». Недавно в лаборатории оптических покрытий нанесли отражающее и защитное покрытия на главное зеркало телескопа Т‑170М (диаметр зеркала из астроситалла — ​1,7 м), входящее в состав комплекса научной аппаратуры проекта «Спектр-УФ».

Нанесение пленочных покрытий — ​трудоемкий процесс, требующий контроля характеристик каждого слоя в реальном времени. Основная проблема для высоконагруженных зеркал и других оптических элементов — ​поглощение лазерного излучения, это приводит к искажению их формы и даже разрушению. Главное — ​минимизировать поглощение (хотя его уровень всего порядка 10–5–10–8), для этого нужно уменьшить нагрев оптического элемента.

Мы предложили новый подход к измерению характеристик подобных структур: измерить поглощение лазерного излучения на одном слое пленки, нанесенном на оптический материал, и на этой основе определить характеристики многослойного покрытия. Особенность методики — ​создание таких граничных условий, когда образец можно рассматривать как полупространство, подвергнутое воздействию точечного теплового источника. Есть аналитическое решение для двумерного нестационарного температурного поля с возможностью вычисления деформаций за счет измерения терморасширения опытного образца — ​оно имеет однозначную связь с поглощением излучения. Отношение поглощаемого излучения к падающему дает коэффициент поглощения материала пленки.

Этот подход был реализован на стенде измерения поглощения лазерного излучения, построенном в нашем институте. Сфокусированное пятно рабочего лазерного излучения исчислялось несколькими десятками микронов. На зону воздействия лазера одновременно накладывалось излучение от диодного лазера размером на один-два порядка большим, чем фокусное пятно. Диаметральный размер возмущения, возникающего на оптической поверхности, — ​порядка 100 мк, терморасширение — ​порядка 10–140 нм. Ставилась задача провести измерения в такой малой зоне при таких незначительных деформациях поверхности с помощью метода Шака — ​Гартмана. Она была решена применением объективов, которые увеличили площадку измерения до величины, позволяющей осветить линзовый растр и направить волновой фронт отразившегося от оптической поверхности излучения от диодного лазера на матрицу телекамеры. Восстановление искаженного волнового фронта излучения по его наклонам на субапертурах, создаваемых растром, осуществлялось программными средствами. Их разработали специалисты «Луча» Дмитрий Ляхов, Андрей Боршевников, Денис Дементьев.

На установке нанесения оптических покрытий в «Луче» были проведены первые эксперименты, которые подтвердили эффективность нового метода измерения. Дальше метод будет дорабатываться, нужно подобрать линзовый растр для увеличения чувствительности и точности на порядок. Метод планируется проверить на искусственно созданной микронеровности, имитирующей неровность при нагружении поверхности лазером. Также необходима калибровка измерений и аттестация стенда измерения поглощения лазерного излучения.

Применение этого метода улучшит качество продукции «Луча». Оптические элементы с нашими покрытиями используются в оптике термоядерного лазерного синтеза, обеспечивая наряду с необходимыми отражающими свойствами высокую лучевую прочность зеркал, подвергающихся воздействию мощного импульсного лазерного излучения. Высокий коэффициент отражения позволяет использовать неохлаждаемую оптику в технологических лазерах.

Наше предприятие внесло весомый вклад в разработку и развитие отечественных адаптивных лазерных зеркал и адаптивных систем. Новый стенд – уникальная научно-техническая система, симбиоз, науки, техники и технологии. Аналогов ему в России нет.