高精度碳化硅非球面反射镜

不久前，由长春光机所承担的国家重大科研装备研制项目 “4米尺度高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统” 通过项目验收。这是世界上公开报道的孔径最大的碳化硅单面镜。该成果的取得，也标志着我国光学系统制造能力跻身国际先进水平，为我国大口径光电设备的跨越升级奠定了坚实的基础。

直径4米、重达1.6吨的 “大镜子” 就像一个巨大的环形圆盘 -- 如果将其安装在望远镜上，将大大提升其分辨率。

“现代大口径光学系统用于反射结构，其中主镜孔径直接决定系统的分辨能力，口径越大，光学望远镜的分辨率和精度越高。4米碳化硅反射镜项目验收专家、中国工程院院士姜会林说。

建造大口径反射器并不容易。“反射器孔径的上限取决于制造和加工能力。同时，为了保证望远镜的分辨率和成像质量，反射镜必须具有非常高的表面精度。长春光机所副所长张学军介绍，以可见光波长观测为例，表面精度要求至少在波长的1/30以上，这就像一个4米长的反射镜，放大到一个城市的大小，土地平整，并要求东南角和西北角之间的高度差正负几毫米，土地平整应小于1毫米。这反映出镜面对镜面毛坯材料和光学加工技术都提出了极其严格的要求。

对于反射镜镜坯，材料的比刚度和热稳定性必须尽可能大，以便随着孔径的增加，材料的刚性仍然可以保证面形的稳定性，受热环境的影响较小，并且有利于减轻系统的重量。

国际上常用的镜面镜坯材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、铍金属等，碳化硅以其优良的比刚度和热稳定性成为人们喜爱的镜面替代材料。

虽然碳化硅具有优异的性能，导热速度快，热变形小，但与微晶玻璃等其他原材料相比，它的制造难度也更大 -- 碳化硅本身属于陶瓷，一旦口径增大，烧结容易出现裂纹甚至破碎，曾经被认为无法突破1.5米口径的极限。

“大口径镜面镜坯制造和镜面加工技术已被少数西方国家掌握，中国从来没有独立制造4米级大口径镜子的能力。张学军坦率地说。为了打破垄断，上世纪90年代末，长春光机所先后布局了光学级碳化硅陶瓷材料的研究。该团队花了10多年时间，经历了上百次的实验探索和工艺验证，先后突破了1米、2米口径碳化硅镜镜坯、终于在2016年成功开发出了4 m口径的碳化硅镜坯。

镜面毛坯有，但碳化硅的极高硬度也给加工方法带来了新的挑战。此外，碳化硅在光学粗抛光后的表面上存在较小的缺陷，这些缺陷会影响光学性能如反射率，因此需要通过后续工艺来改善表面性能。

项目团队使用计算机控制的光学表面形式ing技术，通过采用 “应力盘” 抛光、磁流变抛光等组合加工技术，大大提高了非球面的制造精度和效率；同时采用摆臂式轮廓仪检测、光学零点补偿干涉等先进检测技术，实现了4米反射镜的原位检测。最终，经过精细抛光的镜面涂层反射率达到95% 以上，具备工程应用条件，实现了4米大口径非球面镜的高精度光学加工。

“只掌握了4米反射镜的制造工艺，并没有被认为是独立掌握的核心技术。张学军说，与加工技术同样重要的是，需要有一整套制造设备来完成4米反射镜的制造研发。围绕镜面开发过程，该项目完成了3个子系统，10多套加工和检测设备的开发，全部来自自主知识产权。

目前，由长春光学研究所研发的2米量级孔径反射镜已在实际工程中得到应用; 2022年，在中国空间站的多功能光学设施中，将使用中国自主研发的大口径反射镜; 在不久的将来，4米量级镜将应用于中国新一代光电观测系统。

从现在开始，中国的光学系统制造能力跻身国际先进水平。

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