4.03米"大眼睛" 世界最大口径碳化硅单体反射镜研制

　　来源：中国科普博览

　　2018年8月21日，中科院长春光机所研制的4.03米大口径碳化硅反射镜成功通过验收。这也是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。这一成果标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平，为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。

　　口径决定观测极限

　　自1609年伽利略发明天文望远镜以来，无论是从地面仰望星空，还是从空间俯瞰大地、纵观寰宇，想要使光学系统的观测能力不断提升，都离不开一个关键――口径。

　　基于几何光学中的瑞利判据可知，在光学望远镜中，能够分辨两个相邻物像的极限分辨角（θ）越小，光学望远镜的分辨率就越高，而极限分辨角是由光的波长（λ）和主反射镜的直径（D）决定的，因此，为了提高光学望远镜的分辨率，对更大口径主反射镜的需求是无止境的。



　　从天文观测（深空探测）到空间对地观测，大口径望远镜自诞生以来就不断拓展着人类观测的极限。


哈勃望远镜（图片来源：www.augspc.com）

　　著名的哈勃太空望远镜，口径达到了2.4米，最远已经观测到了距离地球134亿光年的宇宙深处，让我们观察到宇宙更加接近诞生之时的状态。


3.67m AEOS（Advanced Electro Optical System） 先进光电望远镜

　　AEOS地基望远镜，口径3.67米，能探测近地轨道上0.1米大小的碎片，成功观测到了哥伦比亚号事故的症结所在，为日后避免惨剧再次发生提供了相关依据。

　　锁眼12（KH-12）卫星相机，口径超过3米，对地分辨率可达0.1米，这也是目前人类可以获得的、分辨率最高的空间对地遥感数据……

　　造大口径反射镜为什么这么难？

　　现代大口径光学系统均采用反射式结构，其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力，同时也是系统中制造难度最大的核心关键；当口径超过一定量级时，会对光学材料和光学加工均带来巨大的挑战。

　　为了保证望远镜的分辨率和成像质量，光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求。对于大口径光学系统而言，这种精度要求不会随着口径的增大而降低。

　　以可见光波段观测的为例，面型精度要求至少在三十分之一以上波长（λ/30，RMS值优于20nm），4米反射镜放大到北京市大小，进行土地平整，土地平整度要小于1毫米。如此这就好比将高的面形精度，对于反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了苛刻要求。

　　十余年攻关造就我国的“大眼睛”

　　长春光机所是如何满足上述“苛刻的要求”， 制造出大口径反射镜的呢？

　　镜坯制造

　　对于反射镜镜坯而言，反射镜材料的比刚度（E/ρ）和热稳定性（λ/α）必须尽可能大，这样随着口径的增大，材料的刚性仍然可以保证面型的稳定，受热环境影响较小，并且有利于减轻系统重量。

　　国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍等，其中以碳化硅（SiC）的比刚度和热稳定性最优，因此成为反射镜备选材料的宠儿。


经反应烧结后的4m碳化硅反射镜毛坯，是不是离你眼中的“镜子”还比较远？

　　然而，大口径反射镜镜坯制造和反射镜加工技术一直被美国、法国、德国等少数西方国家掌握，我国始终不具备自主制造4米量级大口径反射镜能力。在此情况下，中科院长春光机所历经10余年攻关，于2016年研制出拥有完全自主知识产权的、世界上最大口径的4.03米碳化硅反射镜坯。

　　光学加工技术

　　有了4米量级的碳化硅镜坯，虽然为研制4米口径反射镜奠定了坚实基础，但后面挑战仍十分艰巨：一方面反射镜面积大幅提升、而碳化硅材料本身硬度极高，给加工方法带来新挑战；另一方面由于碳化硅是一种陶瓷材料，在光学粗抛光后表面有细微缺陷、影响反射率等光学性能，需要通过后续工艺改进表面特性。


采用磁流变抛光加工4米反射镜

　　为突破4米大口径加工，长春光机所运用计算机控制光学表面成形（CCOS）技术，通过采用“应力盘”抛光、磁流变抛光等组合加工技术，大幅度提高了非球面的制造精度和效率；同时采用摆臂轮廓仪检测、光学零位补偿干涉测量等先进检测技术，实现对4米反射镜的原位检测。最终，实现了4米大口径非球面反射镜的高精度光学加工。


镀膜前的准备

　　在镜面材料缺陷改性方面，采用等离子辅助低温物理气相沉积（PIAD）方法，在碳化硅反射镜表面镀制Si改性层，然后进行面形精加工后，最终在4米反射镜表面镀制反射增强膜，使其反射率最终达到光学系统要求。




不改性直接抛光的表面与改性后抛光表面的显微照片对比

　　自主研发装备，全面掌握核心技术

　　仅仅掌握4米反射镜制造工艺，并不算自主掌握核心技术。与加工工艺同等重要的，还有完成4米反射镜制造所需全套制造装备的研发。围绕反射镜研制流程，项目完成了三个子系统、十余套加工检测设备研制，全部自主掌握知识产权。其中4米量级反应烧结炉、FSGJ-4型非球面数控光学加工中心、4米量级大型磁控溅射镀膜机三套核心装备达到国内领先水平。


4米量级反应烧结炉


4米量级大型磁控溅射镀膜机

　　结语

　　高精度大口径离轴非球面反射镜的制造技术是高性能光学系统的核心关键技术，也是促进高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测等领域发展的支撑技术。

　　目前，由长春光机所研发的2米量级口径反射镜已在实际工程应用；2022年，在中国空间站的多功能光学设施上，将使用我们中国自主研制的大口径反射镜；在不远的将来，4米量级反射镜也将应用在我国新一代光电观测系统中。

　　今天我们把努力聚焦在大口径反射镜之上，就是为了未来放眼更加宽广的视界！