光学望远镜好比人类的“千里眼”
其中的主反射镜就是它的“角膜”
主反射镜口径越大
光学望远镜的空间分辨率就越高
把一块1米口径的反射镜安装到空间相机中
可以在几百公里的高空看到地面上汽车的轮廓
如果把反射镜的口径加大到4米
则可以清晰地看到汽车的天窗、后视镜等
反射镜口径为2.4米的美国哈勃望远镜
可探测到134亿光年外
宇宙大爆炸时的宇宙信号
目前，在全世界的光学望远镜的反射镜中
采用碳化硅材质、口径最大的
那一块来自中国
长期以来
各国都将米级及以上口径反射镜
作为战略物资
“买不到又必须用
把我们逼上了自主创新这条路！”
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
（以下简称长春光机所）
所长张学军说
这一“逼”竟让他们制造出了
▲镀膜后的4米碳化硅反射镜。
由于空间对地观测的敏感性
我国一度只能从国外购买
直径1米以下的“小镜子”
科研人员希望早日实现
大口径反射镜“中国制造”的愿望
制作大口径反射镜
碳化硅综合性能远优于玻璃、金属铍等
然而，碳化硅是陶瓷材料
硬度高，仅次于已知最硬的金刚石
制造难度很大
经过十余年艰苦攻关
2008年
长春光机所团队研制出
我国首套具有自主知识产权的
0.7米量级碳化硅反射镜
2009年9月
国家重大科研装备研制项目启动
所里宣布将研发4米碳化硅反射镜
在国内外相关技术、装备、经验
基本为零的情况下
要做到碳化硅反射镜口径的全球之最
这意味着不仅要突破镜坯制备等关键技术
还要自主设计研发全链路集成制造系统
没有人敢拍胸脯说“一定能成功”
▲4米高温真空烧结炉。
镜坯制备是碳化硅反射镜制造的第一步
2010年至2016年
团队一共开展了
5次4米碳化硅反射镜坯制备试验
镜坯裂纹在每一次的试验中逐渐缩小
虽然只有5次4米的碳化硅反射镜坯制备试验
但过程中团队还做了若干次
1米、2米、2.5米、3米的制备试验
失败的次数远比成功多
非常磨人
2012年
第一块4米碳化硅反射镜坯刚出炉
就被砸了
望着有较大裂纹且炸裂的镜坯
时任长春光机所奥普光学材料事业部主任赵文兴
迫不及待地想弄清楚问题究竟出在哪儿
他根据裂纹出现位置
优化了镜坯反应烧结工艺参数
为4米碳化硅反射镜坯成功制备奠定了基础
▲反应烧结后的4米碳化硅反射镜坯。
加工一面普通镜子
尚且需要做到平整
对于反射镜而言
这一要求更是达到了极致
4米碳化硅反射镜的面形精度
甚至不能超过20纳米
如果把它等比放大
就相当于要把北京五环范围内的地面
平整到高低差小于1毫米
这么苛刻的要求，如何做到？
其关键便是磁流变技术
团队先是成功打磨出2米碳化硅反射镜
实现了世界上首次将该技术投入到
大口径反射镜的工程应用中
采用同样的工序
加工2米量级反射镜需要8个月
而加工4米量级反射镜则需要64个月
即便一切顺利
能否加工出精度合格的反射镜
仍是巨大的考验
在不懈的努力下
团队成功将反射镜从毫米精度加工到纳米精度
4米碳化硅反射镜的最终面形精度
达到15.2纳米
实现了国际领先
▲4米磁流变抛光装备。
改性让反射镜表面更加平整
镀膜更是堪称点睛之笔
只有镀了膜，它才能“明眸善睐”
长春光机所采用的改性/镀膜装备
并非常用的圆形，而是长方形
这样即便将来反射镜中间没有孔
也能顺利完成镀制
采用该装备
团队将膜厚不均匀性控制在5%以内
最初的膜层应力非常大
实验样品刚拿出来时还不错
不一会儿，膜层像放烟花一样
星星点点的小碎末往上蹦
最差的时候
不到一个小时
膜层就掉得干干净净
经过半年多的反复实验、调整
他们最终采用磁控溅射技术
完成了改性膜层/高反射膜层的镀制
4米碳化硅反射镜“破茧成蝶”
蜕变成了真正的反射镜
至此，国际上公开报道口径最大的
4.03米碳化硅反射镜研制成功
▲4米磁控溅射镀膜机。本文图片均由长春光机所提供
2018年8月
国家重大科研装备研制项目
“4米量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统”
顺利通过验收
中国工程院院士金国藩、潘君骅等专家
评价该项目
“是我国在大口径光学制造领域的重大技术突破
形成了大口径系列反射镜研制能力
为我国大型光电系统研制解决了核心技术难题”
阅读全文请见
来源：中国科学报
责任编辑：王颖
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