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    4.03米的“大眼睛”!世界最大口徑單體碳化硅反射鏡成功研制
      2018-10-26 周立勛 肖含
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      2018821日,中科院長春光機所研制的4.03米大口徑碳化硅反射鏡成功通過驗收。這也是公開報道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。這一成果標志我國光學系統制造能力躋身國際先進水平,為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。 

        

        

      口徑決定觀測極限 

        

      1609年伽利略發明天文望遠鏡以來,無論是從地面仰望星空,還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇,想要使光學系統的觀測能力不斷提升,都離不開一個關鍵——口徑。 

        

      基于幾何光學中的瑞利判據可知,在光學望遠鏡中,能夠分辨兩個相鄰物像的極限分辨角(θ)越小,光學望遠鏡的分辨率就越高,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,為了提高光學望遠鏡的分辨率,對更大口徑主反射鏡的需求是無止境的。 

        

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

        

     

     

      哈勃望遠鏡(圖片來源:www.augspc.com 

        

      著名的哈勃太空望遠鏡,口徑達到了2.4米,最遠已經觀測到了距離地球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的狀態。 

        

      

      3.67m  AEOSAdvanced Electro Optical System) 先進光電望遠鏡 

        

       AEOS地基望遠鏡,口徑3.67米,能探測近地軌道上0.1米大小的碎片,成功觀測到了哥倫比亞號事故的癥結所在,為日后避免慘劇再次發生提供了相關依據。 

        

      鎖眼12KH-12)衛星相機,口徑超過3米,對地分辨率可達0.1米,這也是目前人類可以獲得的、分辨率最高的空間對地遙感數據…… 

        

      造大口徑反射鏡 為什么這么難? 

        

      現代大口徑光學系統均采用反射式結構,其中主鏡口徑直接決定了系統的分辨能力,同時也是系統中制造難度最大的核心關鍵;當口徑超過一定量級時,會對光學材料和光學加工均帶來巨大的挑戰。 

        

      為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量,光學系統對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。對于大口徑光學系統而言,這種精度要求不會隨著口徑的增大而降低。 

        

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

        

      十余年攻關 造就我國的“大眼睛” 

        

      長春光機所是如何滿足上述“苛刻的要求”, 制造出大口徑反射鏡的呢? 

        

        

      鏡坯制造 

        

      對于反射鏡鏡坯而言,反射鏡材料的比剛度(E/ρ)和熱穩定性(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定,受熱環境影響較小,并且有利于減輕系統重量。 

        

      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、金屬鈹等,其中以碳化硅(SiC)的比剛度和熱穩定性最優,因此成為反射鏡備選材料的寵兒。 

        

      

      經反應燒結后的4m碳化硅反射鏡毛坯,是不是離你眼中的“鏡子”還比較遠? 

        

      然而,大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術一直被美國、法國、德國等少數西方國家掌握,我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡能力。在此情況下,中科院長春光機所歷經10余年攻關,于2016年研制出擁有完全自主知識產權的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯。 

        

        

      光學加工技術 

        

      有了4米量級的碳化硅鏡坯,雖然為研制4米口徑反射鏡奠定了堅實基礎,但后面挑戰仍十分艱巨: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;另一方面由于碳化硅是一種陶瓷材料,在光學粗拋光后表面有細微缺陷、影響反射率等光學性能,需要通過后續工藝改進表面特性。 

        

      

      采用磁流變拋光加工4米反射鏡 

        

      為突破4米大口徑加工,長春光機所運用計算機控制光學表面成形(CCOS)技術,通過采用“應力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術,大幅度提高了非球面的制造精度和效率;同時采用擺臂輪廓儀檢測、光學零位補償干涉測量等先進檢測技術,實現對4米反射鏡的原位檢測。最終,實現了4米大口徑非球面反射鏡的高精度光學加工。 

        

      

      鍍膜前的準備 

        

      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,然后進行面形精加工后,最終在4米反射鏡表面鍍制反射增強膜,使其反射率最終達到光學系統要求。 

        

      

      不改性直接拋光的表面與改性后拋光表面的顯微照片對比 

        

        

       自主研發裝備,全面掌握核心技術 

        

      僅僅掌握4米反射鏡制造工藝,并不算自主掌握核心技術。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。圍繞反射鏡研制流程,項目完成了三個子系統、十余套加工檢測設備研制,全部自主掌握知識產權。其中4米量級反應燒結爐、FSGJ-4型非球面數控光學加工中心、4米量級大型磁控濺射鍍膜機三套核心裝備達到國內領先水平。 

        

      

      4米量級反應燒結爐 

        

      

      4米量級大型磁控濺射鍍膜機 

        

      結語 

        

      高精度大口徑離軸非球面反射鏡的制造技術是高性能光學系統的核心關鍵技術,也是促進高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測等領域發展的支撐技術。 

        

      目前,由長春光機所研發的2米量級口徑反射鏡已在實際工程應用;2022年,在中國空間站的多功能光學設施上,將使用我們中國自主研制的大口徑反射鏡;在不遠的將來,4米量級反射鏡也將應用在我國新一代光電觀測系統中。 

        

      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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