ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОЙ КЕРАМИКИ Y2O3–MgO

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper investigates the polishing processes of two-phase Y2O3–MgO ceramics in order to improve the surface quality for optical applications. A comparative analysis of three processing methods is carried out: mechanical, chemical-mechanical and magnetorheological polishing. Consistent application of these approaches, including preliminary deep grinding and polishing to eliminate the disturbed layer, can significantly improve the cleanliness and accuracy of the treated surface. The final magnetorheological polishing ensures the achievement of an average roughness (Ra) of 0.6 nm, a standard deviation (RMS) of 0.8 nm, surface purity of the 2nd class according to GOST 11141-84 and shape accuracy of optical elements up to λ/4. Based on the results obtained, experimental optical elements were manufactured that meet modern requirements for a wide range of optical applications.

About the authors

E. O Timofeev

Lobachevsky Nizhny Novgorod State University

Nizhny Novgorod, Russian Federation

O. V Timofeev

Lobachevsky Nizhny Novgorod State University; G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Email: timofeev@ihps-nnov.ru
Nizhny Novgorod, Russian Federation; Nizhny Novgorod, Russian Federation

D. A Permin

Lobachevsky Nizhny Novgorod State University; G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation; Nizhny Novgorod, Russian Federation

О. Н Postnikova

Lobachevsky Nizhny Novgorod State University

Nizhny Novgorod, Russian Federation

Е. А Sorokina

Lobachevsky Nizhny Novgorod State University

Nizhny Novgorod, Russian Federation

S. S Balabanov

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

References

  1. Harris D.C., Cambrea L.R., Johnson L.F., Seaver R.T., Baronowski M., Gentilman R., Nordahl C.S., Gattuso T., Silberstein S., Rogan P., Hartnett T., Zelinski B., Sunne W., Fest E., Poisl W.H., Willingham C.B., Turri G., Warren C., Bass M., Zelmon D.E., Goodrich S.M. Properties of an infrared-transparent MgO:Y2O3 nanocomposite // J. Am. Ceram. Soc. / Ed. Krell A. 2013. V. 96. № 12. P. 3828–3835. http://doi.org/10.1111/jace.12589
  2. Matvienko O.O., Chernomorets D.G., Kryzhanovska O.S., Safronova N.A., Sofronov D.S., Balabanov A.E., Vorona I.O., Parkhomenko S.V., Mateychenko P.V., Mateychenko P., Grygorova G., Tolmachev A.V., Yavetskiy R.P. Formation features of MgO–Y2O3 nanocomposite of complex shape through aqueous slip casting using glycine-nitrate nanopowder // Ceram. Int. 2025. V. 51. № 3. P. 2803–2810. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.257
  3. Chen S., Chen L., Chen J., Yang S., Ma Z., Wang G. MgO–Y2O3:Eu composite ceramics with high quantum yield and excellent thermal performance // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 8. P. 3553–3562. http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.01.054
  4. Wang Y., Haojie M., Nan W., Zonggao M.,Qi Z., Xudong S., Xiaodong L. Effects of Ho3+ concentration on the fabrication and properties of Ho: Y2O3–MgO nanocomposite for Mid-infrared laser applications // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 7. P. 10625–10633. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.250
  5. Safronova N.A., Yavetskiy R., Kryzhanovska O., Dobrotvorska M., Balabanov A., Vorona I., Tolmachev А., Baumer V., Matolínová I., Kosyanov D., Shichalin O., Papynov E.K., Hau S., Gheorghe C. A novel IR-transparent Ho3+:Y2O3–MgO nanocomposite ceramics for potential laser applications // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 1. P. 1399–1406. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.08.263
  6. Ma H.J., Jung W.K., Park Y., Kim D.K. A novel approach of an infrared transparent Er:Y2O3–MgO nanocomposite for eye-safe laser ceramics // J. Mater. Chem. C. 2018. V. 6. № 41. P. 11096–11103. http://doi.org/10.1039/C7TC05991D
  7. Ланцев Е.А., Нохрин А.В., Болдин М.С., Сметанина К.Е., Благовещенский Ю.В., Исаева Н.В., Мурашов А.А., Чувильдеев В.Н., Терентьев А.В., Табачкова Н.Ю. Электроимпульсное плазменное спекание ультрамелкозернистой керамики WC–ZrO2 // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 5. С. 559–566. https://doi.org/10.31857/S0002337X23050111
  8. Муслимов А.Э., Асадчиков В.Е., Буташин А.В., Власов В.П., Дерябин А.Н., Рощин Б.С., Сульянов С.Н., Каневский В.М. Сверхгладкая и модифицированная поверхность кристаллов сапфира: получение, характеризция и применение в нанотехнологиях // Кристаллография. 2016. Т. 61. № 5. С. 703–717. http://doi.org/10.7868/S0023476116050143
  9. Li M., Karpushewski B., Ohmori H., Riemer O., Wang Y., Dong T. Adaptive shearing-gradient thickening polishing (AS-GTP) and subsurface damage inhibition // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2021. V. 160. P. 103651. http://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103651
  10. Jiannan Z., Cao Z.C., Junpeng Z., Chenyao Z., Haitao L. Development and theoretical analysis of novel surface adaptive polishing process for high-efficiency polishing of optical freeform surface // J. Manuf. Process. 2022. V. 80. P. 874–886. http://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.038
  11. Geng H., Wu D., Wang H. Experimental and simulation study of material removal behavior in ultra-precision turning of magnesium aluminate spinel (MgAl2O4) // J. Manuf. Process. 2022. V. 82. P. 36–50. http://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.07.044
  12. Lee R.-T., Hwang Y.-C., Chiou Y.-C. Lapping of ultra-precision ball surfaces. Part I. Concentric V-groove lapping system // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2006. V. 46. № 10. P. 1146–1156. http://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.08.003
  13. Худолей А.Л., Городкин Г.Р., Глеб Л.К., Александронец А.С. Высокоточная обработка поверхностей материалов магнитореологическими жидкостями // Наука и инновации. 2015. Т. 6. № 148. С. 20–23. https://www.researchgate.net/publication/326741232_Vysokotocnaa_obrabotka_poverhnostej_materialov_magnitoreologiceskimi_zidkostami_The_high-precision_surfacing_with_magnetorheological_fluids
  14. Lu M.-M., Yang Ya.K., Lin J.Q., Du Y.Sh., Zhou X.Q. Research progress of magnetorheological polishing technology: A review // Adv. Manuf. 2024. V. 12. № 4. P. 642–678. http://doi.org/10.1007/s40436-024-00490-4
  15. Kumar M., Kumar A., Alok A., Das M. Magnetorheological method applied to optics polishing: A review // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020. V. 804. P. 012012. http://doi.org/10.1088/1757-899X/804/1/012012
  16. Белов Д.В., Беляев С.Н., Мальшакова О.А., Сороколетова Н.А., Серебров Е.И. Получение наноабразива для магнитореологического полирования кристаллов KDP // Коллоидный журн. 2024. Т. 86. № 4. С. 407–421. http://doi.org/10.31857/S0023291224040016
  17. Zhai Q., Zhai W., Deng T. Study on process optimization of ultrasound assisted magneto-rheological polishing of sapphire hemisphere surface based on Fe3O4/SiO2 core-shell abrasives // Tribol. Int. 2023. V. 181. P. 108318. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108318
  18. Tian Y. Qiao S., Guo S., Hou Y., Shi F. Combined polishing process of a sapphire aspherical component based on temperature-controlled magnetorheological processing // Appl. Opt. 2023. V. 62. № 3. P. 805. http://doi.org/10.1364/AO.471270
  19. Ross D., Wang Y., Ramadhan H., Yamaguchi H. Polishing characteristics of transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet ceramics using magnetic field-assisted finishing // J. Micro Nano-Manufacturing. 2016. V. 4. № 4. http://doi.org/10.1115/1.4034641
  20. Salzman S.S., Romanofsky H.J., West G., Marshall K.L., Jacobs S.D., Lambropoulos J.C. Acidic magnetorheological finishing of infrared polycrystalline materials // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 30. P. 8448. http://doi.org/10.1364/AO.55.008448
  21. Gavrishchuk E.M. Kurashkin S.V., Savin D.V., Timofeev O.V. Effect of magnetorheological polishing on laser-induced damage in ZnSe and ZnSe:Cr polycrystals // Appl. Phys. B. 2023. V. 129. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00340-022-07946-0
  22. Гаврищук Е.М., Родин С.А., Тимофеев О.В., Худолей А.Л., Городкин Г.Р., Колпащиков В.Л. Получение высококачественных оптических поверхностей элементов на основе поликристаллического селенида цинка (CVD-ZnSe), легированного переходными металлами, в процессе механической, химико-механической и магнито-реологической обработки // Инженерно-физический журн. 2022. Т. 95. № 5. С. 1357–1362. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49769646
  23. Balabanov S. Permin D.A., Normani S., Belyaev A., Koshkin V., Andreev P., Ladenkov I., Braud A., Camy P., Sole R., Mateos X., Loiko P. Fabrication and luminescent properties of erbium-doped Y2O3–MgO and Gd2O3–MgO nanocomposite ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2025. V. 108. № 4. P. e20330. http://doi.org/10.1111/jace.20330
  24. Пермин Д.А., Беляев А.В., Кошкин В.А., Балабанов С.С., Болдин М.С., Ладенков И.В., Федотова И.Г. Влияние условий горячего прессования на микроструктуру и оптические свойства композиционной керамики MgO–Y2O3 // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 8. С. 901–909. https://doi.org/10.31857/S0002337X21080248
  25. Тимофеев О.В., Балабанов С.С., Пермин Д.А., Тимофеев Е.О., Постникова О.Н. Исследование процесса получения высококачественных поверхностей оптических элементов из керамики оксида иттрия // Контенант. 2024. Т. 23. № 2. С. 2–15. https://www.elibrary.ru/title_about_new.asp?id=7918
  26. Гаврищук Е.М., Вилкова Е.Ю., Тимофеев О.В., Колесников А.Н. Исследование полированных поверхностей халькогенидов цинка путем компьютерного распознавания дефектов на микрофотографиях // Опт. журн. 2010. Т. 77. № 1. С. 87–94. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13006682

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).