全球最大口径碳化硅光学反射镜，中国造！ | 科技自立自强之路

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

全球最大口径高精度碳化硅光学反射镜

▲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