Оптика и клей

Любой физик знает, что объективы фотоаппаратов, хороших биноклей, детали теодолитов и другие оптические системы набирают из нескольких деталей. На личном опыте знаю, что в интерферометре-газоанализаторе окуляр состоит из трёх линз. Много оптики приносят ученики, мы тогда разбираем вместе, а затем они мастерят подзорные трубы и телескопы.

А как же соединяют оптические детали?

Для этого существуют четыре способа: склеивание (эти системы разбираются), сваривание, пайка и спекание. Все они имеют недостатки.

Склеивание – хороший способ. Но, хотя и научились делать клеи с оптическими свойствами, очень близкими к свойствам оптических деталей, полного совпадения нет, поэтому изображение будет получаться с искажениями, часть (малая, конечно) света будет теряться на отражение.

Можно ли исключить искажения? Склеивая детали, прижимают их друг к другу, от этого плёнка клея деформируется. Всего-то на доли микрона, но и это нежелательно. Вывод ясен: искажения при склеивании неустранимы. Далее, все помнят золотое правило оптики: держать объективы и окуляры приборов под защитными непрозрачными колпачками. Но это не только защита от механических повреждений, но и от света! Оказывается, что даже при небольшом нагреве клеи плавятся, пузырятся, а со временем и желтеют. Так пожелтели линзы у прекрасного артиллерийского бинокля, который мне подарил в 1976 г. знакомый фронтовик.

Сварка тоже не совсем устраивает оптиков: стекло размягчается, может загрязниться и даже «поплыть», при этом его форма искажается. Да иногда к оптическому узлу и не подобраться, чтобы сварить его. Но самое главное – стекло очень плохо выдерживает температурные перепады: возникают такие механические напряжения, что оно лопается. Есть линзы, которые раскалываются даже от тепла человеческой руки! В линзе-то +20 °С, а в руке +34...35 °С, и линза от такого перепада лопается.

У спекания и пайки примерно те же минусы, что и у сварки. Поэтому стараются использовать оптический контакт, который «копирует» склеивание плиток Иогансона за счёт межмолекулярных сил притяжения тщательно обработанных поверхностей, сил Ван дер Ваальса. Промежуточная среда просто не нужна. Оптические поверхности обрабатывают очень тщательно по 14-му классу (шероховатости не превышают 10^–7 м), протирают спиртом, смывая жир и пылинки. После этого надёжный оптический контакт обеспечен. Но самое печальное – контакт легко нарушается из-за механических (тряска, удар) или температурных воздействий.

Как же быть? Учтя всё это, инженеры Г.Я.Подвигалкина и Ю.Е.Бекетов предложили новую технологию соединения деталей. Она увеличивает прочность оптического контакта так, что сборка превращается в монолит, а свет проходит через контакт, не преломляясь! Технология довольно проста (когда открыта!): на соединяемые поверхности наносят тончайшую плёнку диоксида кремния SiO₂ и равномерно облучают узел в специальных ИК-камерах при сравнительно невысоких температурах (150–250 °С). Получается холодная сварка, при которой однородность оптической среды на границе контакта не нарушается. В результате получаются монолитные оптические блоки, в которых геометрия и качество соединяемых поверхностей абсолютно сохраняется.

Инженеры пошли дальше, придумали цикл испытаний для проверки соединения. Они вдоволь «поиздевались» над творением своих рук. Пробовали отрывать детали друг от друга, старались сдвинуть их с места, подвергали гидравлическим ударам и, наконец, мощным термоударам. Но «склеенные» детали разъединить не могли. Затем несколько сотен часов действовали на монолит гигантскими ускорениями (до 11 000g). А это означает, что бинокль, изготовленный по этой технологии, легко выдержит падение с высоты 1,5–2 м.

Опускали соединённые детали в воду и держали их при температуре +40 °С до тех пор, пока стекло не стало выщелачиваться, а контакт не потерял своих свойств. Кислоты и щёлочи, растворители и органические красители, нитробензол и растворы каучука, причём нагретые до 100 °С, – всё это не оказывало никакого влияния на контакт. Ступенчато изменяли температуру от +100 °С до –196 °С, причём многократно, – а соединение оставалось целёхоньким... Соединённые стеклянные детали выдерживали температуру до 400–500 °С, а кварцевые – до 1000 °С. Фантастика, да и только: обычные клеи разрушаются при 60–70 °С.

Действовали такими потоками излучения, что образцы разрушались, а контакт снова сохранялся. Можно добавить, что узлы остались вакуум-плотными, газонепроницаемыми и не давали дополнительного газовыделения до вакуума 10^–8 мм рт.ст.

Область применения новой технологии – многокомпонентные оптические узлы, которые работают в тяжёлых условиях. Соединению поддаются однородные и разнородные оптические материалы: стекло цветное и бесцветное, кварцевое стекло и ситалл, монокристаллический кремний и стекло. В зависимости от габаритов и сложности изделий их склеивают за 2–5 ч.

Технология оказалась настолько эффективной и конкурентоспособной на мировом рынке, что получила патенты в ФРГ, Японии, США, Франции, Италии.

Этот пример ещё раз доказывает, что в России умеют и могут работать в области высоких технологий. А то в разговорах звучит: в России всё (?!) плохо: наука, образование, техника и т.д. А вот на Западе всё отличного качества. Такое отношение к работам наших учёных и инженеров снижает престиж физико-технических профессий в глазах учеников. Надо всемерно подчёркивать приоритет российской науки и техники там, где он есть.

Литература

Изобретатель и рационализатор, 1989, № 2.

Савельев И.В. Оптика: Курс общей физики. – М., 1968.

В.А.ХАМИТОВ,
школа № 1, пос. Октябрьский, Пермский кр.