中国研发世界大口径单体碳化硅反射镜

2018-09-20 15:35
中国科普博览

　　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)，这就好比将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。