FASI INIZIALI E CONTROLLO TENSIONI INTERNE AL BLANK
In questi capitoli descriverò le fasi che mi ha portato alla realizzazione di uno specchio parabolico da 410 mm f/4.5, concentrandomi innanzitutto sulle fasi che mi hanno portato a realizzare una buona superfice sferica, necessaria per la successiva fase di parabolizzazione. Partiamo dai controlli preliminari che sono stati eseguiti.
Il blank da cui sono partito era già sgrossato, con la curvatura di base definita e una prima lucidatura quasi completata. Prima di proseguire, però, ho voluto verificare la presenza di eventuali tensioni interne nel vetro, un aspetto spesso trascurato ma fondamentale per la stabilità dello specchio nel lungo periodo.
Il test che ho utilizzato si basa sul principio della fotoelasticità: quando un materiale trasparente presenta tensioni interne, modifica la polarizzazione della luce che lo attraversa. Illuminando il vetro con luce polarizzata e osservandolo attraverso un secondo polarizzatore, eventuali tensioni si manifestano come frange colorate o pattern luminosi; in assenza di tensioni, invece, l’immagine appare uniformemente scura.
Per realizzare il set-up ho sfruttato una soluzione semplice ma efficace: come sorgente di luce polarizzata ho utilizzato lo schermo bianco di una TV LCD, mentre come filtro analizzatore ho riciclato un paio di occhiali 3D da cinema.
Il risultato è stato immediatamente evidente: mentre lo schermo appariva quasi nero, sulla superficie del blank compariva un pattern chiaro, con un vero arcobaleno di colori in prossimità del bordo. Al centro si distingueva la classica croce nera, segno di tensioni interne marcate. Per confermare che non si trattasse di un artefatto, ho ruotato lo specchio di 90°: il pattern ha ruotato con esso, prova definitiva che le tensioni erano nel vetro e non nel set-up.
Figura 1. Tensioni interne al blank per due orientazioni a 90°.
A quel punto la scelta era obbligata: prima di procedere con la lavorazione fine, ho deciso di sottoporre il blank a un ciclo di ricottura per rilassare le tensioni interne. È un’operazione delicata, che richiede tempo e un forno adeguato, ma è l’unico modo per rilassare le tensioni interne e garantire che lo specchio rimanga stabile nel lungo periodo.
RICOTTURA DEL BLANK
Ho deciso di procedere con la ricottura del blank dopo aver rilevato tensioni interne con il test di fotoelasticità. La scelta del ciclo è stata fatta in funzione delle caratteristiche fisiche del pezzo.
Il blank è in borosilicato e ha uno spessore di 30 mm, valori che guidano la scelta delle temperature e dei tempi. Per vetri a bassa dilatazione come il borosilicato si adottano temperature di distensionamento più alte rispetto al soda-lime, ma con rampa e raffreddamento molto controllati. Ho calcolato i tempi di plateau e i passaggi termici per garantire che tutta la massa vetrosa raggiungesse l’omogeneità termica necessaria.
Dettaglio del ciclo di ricottura eseguito
- Rampa di riscaldamento: aumento della temperatura con trend di +70 °C/h fino a 565 °C, ovvero la temperatura di distensionamento scelta per questo blank.
- Plateau di mantenimento: 5 ore a 565 °C, corrispondente a circa 1h ogni 6mm di spessore, per permettere all’intera massa vetrosa di raggiungere una temperatura uniforme.
- Primo raffreddamento controllato: discesa di -10 °C/h fino a 510 °C, seguita da un mantenimento di 3 ore per uniformare la temperatura con il centro del blank.
- Raffreddamento intermedio: discesa di -18 °C/h fino a 370 °C, valore sotto il quale le tensioni interne si considerano congelate.
- Raffreddamento finale controllato: proseguimento del raffreddamento a circa -30 °C/h fino alla temperatura ambiente.
L’intero ciclo ha avuto una durata complessiva di circa 42 ore.
La ricottura è stata effettuata presso una ditta che possiede forni per la ceramica e che mi ha aiutato ad impostare il ciclo. Vista la durata complessiva del trattamento, abbiamo concordato di eseguire la ricottura durante il weekend in modo da non interferire con le normali attività lavorative.
Per minimizzare gradienti termici locali il blank è stato appoggiato su una lamina di refrattario ed anche circondato sempre con blocchi di refrattario. Questa disposizione crea una massa calda attorno al bordo dello specchio durante il raffreddamento, evitando che si raffreddi troppo rapidamente rispetto al core, riducendo il rischio di introdurre nuove tensioni o deformazioni.
|
tempo |
Temp. |
Delta t |
Delta T |
|
[h] |
[°C] |
[h] |
[°C/h] |
|
0 |
25 |
– |
– |
|
8 |
565 |
8 |
68 |
|
13 |
565 |
5 |
0 |
|
19 |
510 |
6 |
-9 |
|
22 |
510 |
3 |
0 |
|
30 |
370 |
8 |
-18 |
|
42 |
25 |
12 |
-29 |
Verifica post ricottura con test di birifrangenza:
Dopo la ricottura ho ripetuto il test di fotoelasticità con lo stesso set-up usato in precedenza. Il miglioramento è evidente: la superficie del blank risultava prevalentemente scura, indicazione di assenza di tensioni interne significative. Sono rimaste visibili quattro zone più chiare disposte a 45° rispetto alla verticale; ruotando il blank però, le zone non hanno ruotato con il vetro, confermando che si trattava di artefatti del set-up e non di tensioni residue nel materiale.
Prima
Dopo
Figura 3. Tensioni interne prima e dopo la ricottura del blank
È stata ottenuta una riduzione significativa delle tensioni interne e ottenuto un buon blank per procedere con la fase di lucidatura e figuring.
PRIMI TEST OTTICI
Dopo la ricottura in forno sono state eseguite le prime misure ottiche.
Lo specchio è stato testato in verticale, sostenendolo con una cinghia che appoggia per 180° sul bordo, per minimizzare vincoli puntuali.
La misura è stata eseguito utilizzando un interferometro di Bath autocostruito.
Innanzitutto, è stato misurato con precisione il raggio di curvatura dello specchio (3684 mm) e la frequenza del laser dell’interferometro (633 nm). Dopo di che sono stati acquisiti diversi interferogrammi, processati e mediati per ottenere la misura.
Qui di seguito un esempio di uno degli interferogrammi:
Figura 4. Interferogramma iniziale
E qui sotto il risultato della media di una decina di misure:
Figura 5. Mappa delle aberrazioni post ricottura del blank
Come si può vedere dall’immagine, il risultato della misura indica che la superfice ottica è dominata dalle aberrazioni di astigmatismo, sferica, trifoglio e chi più ne ha più ne metta, per un totale di 879 nm rms WFE. Evidentemente la distensione delle tensioni interne ha provocato la distorsione della superfice ottica. Anche la conica è bel lontana dalla sfera K=-1.135 contro K=0 che generalmente si cerca di raggiungere prima di partire per la fase di parabolizzazione. Non è essenziale partire proprio dalla sfera, ma è la strada che solitamente consente di ottenere i risultati migliori.
Decido di non ritornare indietro alle grane, ma di provare a sistemare la situazione con pece ed ossido di cerio.
Sicuramente la strada più lunga, ma mi permetterà di sperimentare varie tecniche, necessarie a capire come rimuovere e poi gestire l’astigmatismo, cosa essenziale visto lo spessore davvero esiguo del blank (rapporto diametro/spessore 15:1).