2018年8月21日，中科院長春光機所研制的4.03米大口徑碳化硅反射鏡成功通過驗收。這也是公開報道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。這一成果標志我國光學系統(tǒng)制造能力躋身國際先進水平，為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。
口徑決定觀測極限
自1609年伽利略發(fā)明天文望遠鏡以來，無論是從地面仰望星空，還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇，想要使光學系統(tǒng)的觀測能力不斷提升，都離不開一個關鍵——口徑。
基于幾何光學中的瑞利判據(jù)可知，在光學望遠鏡中，能夠分辨兩個相鄰物像的極限分辨角(θ)越小，光學望遠鏡的分辨率就越高，而極限分辨角是由光的波長(λ)和主反射鏡的直徑(D)決定的，因此，為了提高光學望遠鏡的分辨率，對更大口徑主反射鏡的需求是無止境的。
從天文觀測（深空探測）到空間對地觀測，大口徑望遠鏡自誕生以來就不斷拓展著人類觀測的極限。
哈勃望遠鏡（圖片來源：www.augspc.com）
著名的哈勃太空望遠鏡，口徑達到了2.4米，最遠已經觀測到了距離地球134億光年的宇宙深處，讓我們觀察到宇宙更加接近誕生之時的狀態(tài)。
3.67m AEOS（Advanced Electro Optical System） 先進光電望遠鏡
AEOS地基望遠鏡，口徑3.67米，能探測近地軌道上0.1米大小的碎片，成功觀測到了哥倫比亞號事故的癥結所在，為日后避免慘劇再次發(fā)生提供了相關依據(jù)。
鎖眼12（KH-12）衛(wèi)星相機，口徑超過3米，對地分辨率可達0.1米，這也是目前人類可以獲得的、分辨率最高的空間對地遙感數(shù)據(jù)……
造大口徑反射鏡 為什么這么難？
現(xiàn)代大口徑光學系統(tǒng)均采用反射式結構，其中主鏡口徑直接決定了系統(tǒng)的分辨能力，同時也是系統(tǒng)中制造難度最大的核心關鍵；當口徑超過一定量級時，會對光學材料和光學加工均帶來巨大的挑戰(zhàn)。
為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量，光學系統(tǒng)對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。對于大口徑光學系統(tǒng)而言，這種精度要求不會隨著口徑的增大而降低。
以可見光波段觀測的為例，面型精度要求至少在三十分之一以上波長（λ/30，RMS值優(yōu)于20nm），這就好比將4米反射鏡放大到北京市大小,進行土地平整，土地平整度要小于1毫米。如此高的面形精度，對于反射鏡鏡坯材料和光學加工技術都提出了苛刻要求。
十余年攻關 造就我國的“大眼睛”
長春光機所是如何滿足上述“苛刻的要求”， 制造出大口徑反射鏡的呢？
鏡坯制造
對于反射鏡鏡坯而言，反射鏡材料的比剛度（E/ρ）和熱穩(wěn)定性(λ/α)必須盡可能大，這樣隨著口徑的增大，材料的剛性仍然可以保證面型的穩(wěn)定，受熱環(huán)境影響較小，并且有利于減輕系統(tǒng)重量。
國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?shù)龋渲幸蕴蓟瑁⊿iC）的比剛度和熱穩(wěn)定性最優(yōu)，因此成為反射鏡備選材料的寵兒。
經反應燒結后的4m碳化硅反射鏡毛坯，是不是離你眼中的“鏡子”還比較遠？
然而，大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術一直被美國、法國、德國等少數(shù)西方國家掌握，我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡能力。在此情況下，中科院長春光機所歷經10余年攻關，于2016年研制出擁有完全自主知識產權的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯。
光學加工技術
有了4米量級的碳化硅鏡坯，雖然為研制4米口徑反射鏡奠定了堅實基礎，但后面挑戰(zhàn)仍十分艱巨：一方面反射鏡面積大幅提升、而碳化硅材料本身硬度極高，給加工方法帶來新挑戰(zhàn)；另一方面由于碳化硅是一種陶瓷材料，在光學粗拋光后表面有細微缺陷、影響反射率等光學性能，需要通過后續(xù)工藝改進表面特性。
采用磁流變拋光加工4米反射鏡
為突破4米大口徑加工，長春光機所運用計算機控制光學表面成形（CCOS）技術，通過采用“應力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術，大幅度提高了非球面的制造精度和效率；同時采用擺臂輪廓儀檢測、光學零位補償干涉測量等先進檢測技術，實現(xiàn)對4米反射鏡的原位檢測。最終，實現(xiàn)了4米大口徑非球面反射鏡的高精度光學加工。
鍍膜前的準備
在鏡面材料缺陷改性方面，采用等離子輔助低溫物理氣相沉積（PIAD）方法，在碳化硅反射鏡表面鍍制Si改性層，然后進行面形精加工后，最終在4米反射鏡表面鍍制反射增強膜，使其反射率最終達到光學系統(tǒng)要求。
不改性直接拋光的表面與改性后拋光表面的顯微照片對比
自主研發(fā)裝備，全面掌握核心技術
僅僅掌握4米反射鏡制造工藝，并不算自主掌握核心技術。與加工工藝同等重要的，還有完成4米反射鏡制造所需全套制造裝備的研發(fā)。圍繞反射鏡研制流程，項目完成了三個子系統(tǒng)、十余套加工檢測設備研制，全部自主掌握知識產權。其中4米量級反應燒結爐、FSGJ-4型非球面數(shù)控光學加工中心、4米量級大型磁控濺射鍍膜機三套核心裝備達到國內領先水平。
4米量級反應燒結爐
4米量級大型磁控濺射鍍膜機
結語
高精度大口徑離軸非球面反射鏡的制造技術是高性能光學系統(tǒng)的核心關鍵技術，也是促進高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測等領域發(fā)展的支撐技術。
目前，由長春光機所研發(fā)的2米量級口徑反射鏡已在實際工程應用；2022年，在中國空間站的多功能光學設施上，將使用我們中國自主研制的大口徑反射鏡；在不遠的將來，4米量級反射鏡也將應用在我國新一代光電觀測系統(tǒng)中。
