在2018年7月，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密器械與物理研究所完成了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(jí)碳化硅反射鏡的研制成功，不僅標(biāo)志著我國(guó)光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，也為我國(guó)大口徑光電裝備跨越升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 

站在4米碳化硅反射鏡旁邊，頓時(shí)感覺自己很渺小。反射鏡像一個(gè)巨大的圓環(huán)形圓盤，鏡面在燈光的照射下閃閃發(fā)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(yuǎn)鏡里，將極大的提升望遠(yuǎn)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(xué)反射鏡是高分辨率空間對(duì)地觀測(cè)、深空探測(cè)和天文觀測(cè)系統(tǒng)的核心元件，其制造技術(shù)水平是衡量一個(gè)國(guó)家高性能光學(xué)系統(tǒng)研制水平的重要標(biāo)志。 

大口徑光學(xué)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(xué)加工等制造工藝環(huán)節(jié)。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(shù)一樣，化腐朽為神奇吧。 

口徑反射鏡制造流程 

百煉成“坯”的強(qiáng)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?qū)嶋H工程化應(yīng)用，必須達(dá)到并保持極高面形精度（RMS值優(yōu)于20nm），而這種高精度面形的保持正是依賴于反射鏡“強(qiáng)健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。 

國(guó)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(fù)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(wěn)定性(λ/α)，這使得在實(shí)現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量和更優(yōu)的熱穩(wěn)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(duì)比 

盡管碳化硅的面密度已經(jīng)足夠小，但對(duì)反射鏡的“瘦身”還遠(yuǎn)未完成。目前世界上大多數(shù)的反射鏡由于制備技術(shù)限制，均采用開放式的輕量化結(jié)構(gòu)，但與它們不同，長(zhǎng)春光機(jī)所采用類似“果凍”制品的成型方式。通過一次注模實(shí)現(xiàn)具有背部半封閉輕量化結(jié)構(gòu)的鏡坯成型，這既避免了實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜機(jī)械加工過程，又進(jìn)一步降低反射鏡的質(zhì)量、提高反射鏡的結(jié)構(gòu)剛度。 

　成型后的反射鏡鏡坯經(jīng)過兩次燒結(jié)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(zhuǎn)變 

反射鏡強(qiáng)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(xué)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(jīng)過漫長(zhǎng)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(jīng)過復(fù)雜的工序后，它的背面被安裝上高精度的結(jié)構(gòu)件；正面被加工成非球面面形，在整個(gè)4米口徑范圍內(nèi)面形精度在20nmRMS以內(nèi)；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(shù)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(yīng)力盤拋光、磁流變拋光等組合加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非球面的制造精度、提升加工效率。 

　應(yīng)力盤拋光 

磁流變拋光 

“神助攻”——反射鏡檢測(cè)技術(shù) 

與加工技術(shù)同等重要的是反射鏡檢測(cè)技術(shù)，這也直接決定著最終加工精度。超大口徑光學(xué)元件檢測(cè)，由于檢測(cè)光路長(zhǎng)，受重力、檢測(cè)環(huán)境干擾嚴(yán)重，需要通過復(fù)雜、精密的檢測(cè)環(huán)境控制措施才能實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。為此，長(zhǎng)春光機(jī)所專門建立了28米高的多功能檢測(cè)塔，用于完成大口徑反射鏡檢測(cè)工作。 

多功能檢測(cè)塔 

碳化硅鏡坯完成粗拋光之后，由于陶瓷材料表面的細(xì)小缺陷，反射鏡表面產(chǎn)生散射，從而降低了光學(xué)性能。通過在碳化硅反射鏡表面鍍制和反射鏡基底結(jié)構(gòu)相近硅材料，使表面缺陷得到改善；然后在改性層基礎(chǔ)上進(jìn)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(dá)到95%以上。 

　碳化硅表面改性前后散射性能對(duì)比

科研人員在做鍍膜前準(zhǔn)備工作 

十年磨練 成就今日光輝 

4米量級(jí)碳化硅反射鏡研制成功，標(biāo)志著我國(guó)大口徑光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身世界前列。這一成果的取得，也凝結(jié)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(shù)一直被美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等少數(shù)西方國(guó)家掌握。為了打破壟斷，早在20世紀(jì)90年代末，長(zhǎng)春光機(jī)所就已布局光學(xué)級(jí)碳化硅陶瓷材料研究。研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)十余年、經(jīng)歷數(shù)百次實(shí)驗(yàn)探索與工藝驗(yàn)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(shù)突破的同時(shí)，反射鏡加工制造及其工程化應(yīng)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(shí)際工程應(yīng)用。反射鏡加工制造技術(shù)與大口徑光電裝備研制，始終緊密聯(lián)系、互相促進(jìn)，使核心制造技術(shù)的掌握及時(shí)轉(zhuǎn)化為科研裝備實(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)的加工、檢測(cè)裝備也同步開發(fā)完成，使大口徑反射鏡制造的全部核心技術(shù)真正掌握自己手中。 

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

本文轉(zhuǎn)自 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所