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”

来源：中国科学报

责任编辑：王颖