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    美麗的大眼睛:看4米量級碳化硅反射鏡是怎樣“煉”成的
    2018-10-26 周立勛 歐陽銳
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      20187月,中國科學院長春光學精密器械與物理研究所(以下簡稱“長春光機所”)完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制,它也是目前為止世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。 

        

      4米量級碳化硅反射鏡的研制成功,不僅標志著我國光學系統先進制造能力達到國際先進水平,也為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。 

        

     

     

        

      站在4米碳化硅反射鏡旁邊,頓時感覺自己很渺小。反射鏡像一個巨大的圓環形圓盤,鏡面在燈光的照射下閃閃發亮,猶如剛出生嬰兒的眼睛一般閃亮。如果把這只大眼睛裝到望遠鏡里,將極大的提升望遠鏡的分辨率。那么這只美麗的大眼睛是怎樣煉成的呢? 

        

      3步 “煉”就4米的“大眼睛” 

        

      大口徑光學反射鏡是高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測系統的核心元件,其制造技術水平是衡量一個國家高性能光學系統研制水平的重要標志。 

        

      大口徑光學反射鏡的制造難度主要集中在反射鏡鏡坯制造、反射鏡光學加工等制造工藝環節。如何把碳化硅粉末最終變成高剛度、高面形精度的4米反射鏡?讓我們一起來看一下科研人員如何像變魔術一樣,化腐朽為神奇吧。 

        

     

     

      大口徑反射鏡制造流程 

        

      | 百煉成“坯”的強壯筋骨 

        

      

      制造碳化硅反射鏡的第一步,就是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著美麗,要想能夠實際工程化應用,必須達到并保持極高面形精度RMS值優于20nm),而這種高精度面形的保持正是依賴于反射鏡“強健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。 

        

      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,以及碳纖維/碳化硅復合材料等。與其他材料相比,碳化硅具有更大的比剛度(E/ρ)和熱穩定性(λ/α),這使得在實現同樣的光學口徑和精度要求下,碳化硅反射鏡具有更小的重量和更優的熱穩定性,因此碳化硅也成為大口徑反射鏡鏡坯材料中的佼佼者。 

        

      

      不同反射鏡材料的性能對比 

        

      盡管碳化硅的面密度已經足夠小,但對反射鏡的“瘦身”還遠未完成。目前世界上大多數的反射鏡由于制備技術限制,均采用開放式的輕量化結構,但與它們不同,長春光機所采用類似“果凍”制品的成型方式。通過一次注模實現具有背部半封閉輕量化結構的鏡坯成型,這既避免了實現輕量化結構的復雜機械加工過程,又進一步降低反射鏡的質量、提高反射鏡的結構剛度。 

        

      

        

      成型后的反射鏡鏡坯經過兩次燒結后,“大眼睛”的一身“鋼筋鐵骨”就練好了。 

        

      

        

      | 丑小鴨變天鵝,從鏡坯到反射鏡的轉變 

        

      

      反射鏡強健的身體是有了,可黑黑、笨笨的樣子,怎么也看不出來美麗???別著急,要想讓我們的4米反射鏡華麗變身,還要靠光學加工、改性和鍍膜。 

        

      4米碳化硅反射鏡鏡坯制造完成后,還要經過漫長的加工工藝,才能變成高精度的反射鏡。試想一下,原始的鏡坯就是一塊整體的、粗糙的陶瓷坯,經過復雜的工序后,它的背面被安裝上高精度的結構件;正面被加工成非球面面形,在整個4米口徑范圍內面形精度在20nmRMS以內;并且需要通過改性、鍍膜等工藝,改善表面缺陷、提高鏡面反射率。其技術難度可見一斑! 

        

      

      反射鏡加工流程 

        

      碳化硅材料硬度極高,常見材料中僅次于金剛石,其磨削拋光至納米表面精度難度極大,因此需要通過采用應力盤拋光、磁流變拋光等組合加工技術來實現非球面的制造精度、提升加工效率。 

        

      

      應力盤拋光 

        

      

      磁流變拋光 

        

      | “神助攻”——反射鏡檢測技術 

        

      

      與加工技術同等重要的是反射鏡檢測技術,這也直接決定著最終加工精度。超大口徑光學元件檢測,由于檢測光路長,受重力、檢測環境干擾嚴重,需要通過復雜、精密的檢測環境控制措施才能實現高精度檢測。為此,長春光機所專門建立了28米高的多功能檢測塔,用于完成大口徑反射鏡檢測工作。 

        

      

      多功能檢測塔 

        

      碳化硅鏡坯完成粗拋光之后,由于陶瓷材料表面的細小缺陷,反射鏡表面產生散射,從而降低了光學性能。通過在碳化硅反射鏡表面鍍制和反射鏡基底結構相近硅材料,使表面缺陷得到改善;然后在改性層基礎上進行精拋光,這種方式可以大幅改善光線在反射鏡表面的散射。最終可以使反射鏡的反射率達到95%以上。 

        

      

      碳化硅表面改性前后散射性能對比 

        

      

      科研人員在做鍍膜前準備工作 

        

      十年磨練 成就今日光輝 

        

      4米量級碳化硅反射鏡研制成功,標志著我國大口徑光學系統制造能力躋身世界前列。這一成果的取得,也凝結了眾多科研人員十幾年的心血。 

        

      在世界上,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。為了打破壟斷,早在20世紀90年代末,長春光機所就已布局光學級碳化硅陶瓷材料研究。研究團隊耗時十余年、經歷數百次實驗探索與工藝驗證,先后突破1米口徑碳化硅反射鏡鏡坯、2米口徑碳化硅反射鏡鏡坯,最終在2016年成功研制出4米口徑碳化硅鏡坯。 

        

      在鏡坯材料研制技術突破的同時,反射鏡加工制造及其工程化應用的研究腳步也從未停止。2015年,2米口徑反射鏡完成研制;2017年,2米口徑反射鏡完成實際工程應用。反射鏡加工制造技術與大口徑光電裝備研制,始終緊密聯系、互相促進,使核心制造技術的掌握及時轉化為科研裝備實力。 

        

      與此同步,圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線,一整套完整的、具有完全自主知識產權的加工、檢測裝備也同步開發完成,使大口徑反射鏡制造的全部核心技術真正掌握自己手中。 

        

      未來,“美麗的大眼睛”將越來越多的應用于國產各型大口徑光電裝備上,這些裝備將遍及祖國陸地、海洋、天空,讓中國的目光更加深邃、視野更加寬廣?。?! 

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