[科普中國]-中國研發(fā)最大口徑單體碳化硅反射鏡

2018年8月21日，中科院長春光機(jī)所研制的4.03米大口徑碳化硅反射鏡成功通過驗(yàn)收。這也是公開報(bào)道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。這一成果標(biāo)志我國光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身國際先進(jìn)水平，為我國大口徑光電裝備跨越升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

口徑?jīng)Q定觀測(cè)極限

自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來，無論是從地面仰望星空，還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇，想要使光學(xué)系統(tǒng)的觀測(cè)能力不斷提升，都離不開一個(gè)關(guān)鍵——口徑。

基于幾何光學(xué)中的瑞利判據(jù)可知，在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，能夠分辨兩個(gè)相鄰物像的極限分辨角(θ)越小，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率就越高，而極限分辨角是由光的波長(λ)和主反射鏡的直徑(D)決定的，因此，為了提高光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率，對(duì)更大口徑主反射鏡的需求是無止境的。

從天文觀測(cè)（深空探測(cè)）到空間對(duì)地觀測(cè)，大口徑望遠(yuǎn)鏡自誕生以來就不斷拓展著人類觀測(cè)的極限。

哈勃望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：www.augspc.com）

著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)到了2.4米，最遠(yuǎn)已經(jīng)觀測(cè)到了距離地球134億光年的宇宙深處，讓我們觀察到宇宙更加接近誕生之時(shí)的狀態(tài)。

3.67m AEOS（Advanced Electro Optical System） 先進(jìn)光電望遠(yuǎn)鏡

AEOS地基望遠(yuǎn)鏡，口徑3.67米，能探測(cè)近地軌道上0.1米大小的碎片，成功觀測(cè)到了哥倫比亞號(hào)事故的癥結(jié)所在，為日后避免慘劇再次發(fā)生提供了相關(guān)依據(jù)。

鎖眼12（KH-12）衛(wèi)星相機(jī)，口徑超過3米，對(duì)地分辨率可達(dá)0.1米，這也是目前人類可以獲得的、分辨率最高的空間對(duì)地遙感數(shù)據(jù)……

造大口徑反射鏡 為什么這么難？

現(xiàn)代大口徑光學(xué)系統(tǒng)均采用反射式結(jié)構(gòu)，其中主鏡口徑直接決定了系統(tǒng)的分辨能力，同時(shí)也是系統(tǒng)中制造難度最大的核心關(guān)鍵；當(dāng)口徑超過一定量級(jí)時(shí)，會(huì)對(duì)光學(xué)材料和光學(xué)加工均帶來巨大的挑戰(zhàn)。

為了保證望遠(yuǎn)鏡的分辨率和成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。對(duì)于大口徑光學(xué)系統(tǒng)而言，這種精度要求不會(huì)隨著口徑的增大而降低。

以可見光波段觀測(cè)的為例，面型精度要求至少在三十分之一以上波長（λ/30，RMS值優(yōu)于20nm），這就好比將4米反射鏡放大到北京市大小,進(jìn)行土地平整，土地平整度要小于1毫米。如此高的面形精度，對(duì)于反射鏡鏡坯材料和光學(xué)加工技術(shù)都提出了苛刻要求。

十余年攻關(guān) 造就我國的“大眼睛”

長春光機(jī)所是如何滿足上述“苛刻的要求”， 制造出大口徑反射鏡的呢？

鏡坯制造 對(duì)于反射鏡鏡坯而言，反射鏡材料的比剛度（E/ρ）和熱穩(wěn)定性(λ/α)必須盡可能大，這樣隨著口徑的增大，材料的剛性仍然可以保證面型的穩(wěn)定，受熱環(huán)境影響較小，并且有利于減輕系統(tǒng)重量。

國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹?shù)龋渲幸蕴蓟瑁⊿iC）的比剛度和熱穩(wěn)定性最優(yōu)，因此成為反射鏡備選材料的寵兒。

經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)后的4m碳化硅反射鏡毛坯，是不是離你眼中的“鏡子”還比較遠(yuǎn)？

然而，大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術(shù)一直被美國、法國、德國等少數(shù)西方國家掌握，我國始終不具備自主制造4米量級(jí)大口徑反射鏡能力。在此情況下，中科院長春光機(jī)所歷經(jīng)10余年攻關(guān)，于2016年研制出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯。

光學(xué)加工技術(shù) 有了4米量級(jí)的碳化硅鏡坯，雖然為研制4米口徑反射鏡奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但后面挑戰(zhàn)仍十分艱巨：一方面反射鏡面積大幅提升、而碳化硅材料本身硬度極高，給加工方法帶來新挑戰(zhàn)；另一方面由于碳化硅是一種陶瓷材料，在光學(xué)粗拋光后表面有細(xì)微缺陷、影響反射率等光學(xué)性能，需要通過后續(xù)工藝改進(jìn)表面特性。

采用磁流變拋光加工4米反射鏡

為突破4米大口徑加工，長春光機(jī)所運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形（CCOS）技術(shù)，通過采用“應(yīng)力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術(shù)，大幅度提高了非球面的制造精度和效率；同時(shí)采用擺臂輪廓儀檢測(cè)、光學(xué)零位補(bǔ)償干涉測(cè)量等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4米反射鏡的原位檢測(cè)。最終，實(shí)現(xiàn)了4米大口徑非球面反射鏡的高精度光學(xué)加工。

鍍膜前的準(zhǔn)備

在鏡面材料缺陷改性方面，采用等離子輔助低溫物理氣相沉積（PIAD）方法，在碳化硅反射鏡表面鍍制Si改性層，然后進(jìn)行面形精加工后，最終在4米反射鏡表面鍍制反射增強(qiáng)膜，使其反射率最終達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求。

不改性直接拋光的表面與改性后拋光表面的顯微照片對(duì)比

自主研發(fā)裝備，全面掌握核心技術(shù) 僅僅掌握4米反射鏡制造工藝，并不算自主掌握核心技術(shù)。與加工工藝同等重要的，還有完成4米反射鏡制造所需全套制造裝備的研發(fā)。圍繞反射鏡研制流程，項(xiàng)目完成了三個(gè)子系統(tǒng)、十余套加工檢測(cè)設(shè)備研制，全部自主掌握知識(shí)產(chǎn)權(quán)。其中4米量級(jí)反應(yīng)燒結(jié)爐、FSGJ-4型非球面數(shù)控光學(xué)加工中心、4米量級(jí)大型磁控濺射鍍膜機(jī)三套核心裝備達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

4米量級(jí)反應(yīng)燒結(jié)爐

4米量級(jí)大型磁控濺射鍍膜機(jī)

結(jié)語

高精度大口徑離軸非球面反射鏡的制造技術(shù)是高性能光學(xué)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，也是促進(jìn)高分辨率空間對(duì)地觀測(cè)、深空探測(cè)和天文觀測(cè)等領(lǐng)域發(fā)展的支撐技術(shù)。

目前，由長春光機(jī)所研發(fā)的2米量級(jí)口徑反射鏡已在實(shí)際工程應(yīng)用；2022年，在中國空間站的多功能光學(xué)設(shè)施上，將使用我們中國自主研制的大口徑反射鏡；在不遠(yuǎn)的將來，4米量級(jí)反射鏡也將應(yīng)用在我國新一代光電觀測(cè)系統(tǒng)中。

今天我們把努力聚焦在大口徑反射鏡之上，就是為了未來放眼更加寬廣的視界！

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