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我国光学系统4米量级反射镜将实现应用
山东保蓝环保工程有限公司   2018-11-22 00:55

我国光学系统制造能力跻身国际先进水平
4米量级反射镜将实现应用
本报记者 李芃达

前不久,由长春光机所承担的国家重大科研装备研制项目“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”通过项目验收。这是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。该成果的取得,也标志着我国光学系统制造能力跻身国际先进水平,为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。

这个直径4米、重达1.6吨的“大镜子”犹如一个巨大的环形圆盘——如果把它装到望远镜里,将极大提升其分辨率。

“现代大口径光学系统均采用反射式结构,其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力,口径越大,光学望远镜的分辨率和精度就越高。”4米碳化硅反射镜项目验收专家、中国工程院院士姜会林说。

造大口径反射镜,实属不易。“反射镜口径的上限取决于制造加工能力。同时,为了保证望远镜的分辨率和成像质量,反射镜必须具有非常高的面型精度。”长春光机所副所长张学军介绍,以可见光波段观测为例,面型精度要求至少在1/30以上波长,这就好比将4米反射镜放大到一个城市大小,进行土地平整,并要求东南角和西北角的高低差在正负零点几毫米以内,土地平整度要小于1毫米。这对反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了极为严苛的要求。

对于反射镜镜坯而言,材料的比刚度和热稳定性必须尽可能大,这样随着口径的增大,材料的刚性仍然可以保证面型的稳定,受热环境影响较小,并且有利于减轻系统重量。

国际上常用的反射镜镜坯材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍等,碳化硅以其优异的比刚度和热稳定性成为反射镜备选材料的宠儿。

碳化硅虽然性能优良、导热快、受热变形小,但比起微晶玻璃等其他原材料,其制造难度也更大——碳化硅本身属于陶瓷,口径一旦增大,烧结很容易出现裂纹甚至破碎,一度被认为无法突破1.5米的口径极限。

“大口径反射镜镜坯制造和反射镜加工技术一直被少数西方国家掌握,我国始终不具备自主制造4米量级大口径反射镜的能力。”张学军坦言。为打破垄断,20世纪90年代末,长春光机所就已布局光学级碳化硅陶瓷材料研究。团队耗时10余年、经历数百次实验探索与工艺验证,先后突破1米、2米口径碳化硅反射镜镜坯,终于在2016年成功研制出4米口径碳化硅镜坯。

镜坯有了,但碳化硅极高的硬度也给加工方法带来新挑战。此外,碳化硅在光学粗抛光后表面有细微缺陷,这会影响反射率等光学性能,因此需要通过后续工艺改进表面特性。

项目组运用计算机控制光学表面成形技术,通过采用“应力盘”抛光、磁流变抛光等组合加工技术,大幅度提高了非球面的制造精度和效率;同时采用摆臂轮廓仪检测、光学零位补偿干涉测量等先进检测技术,实现对4米反射镜的原位检测。最终,经过精抛光的反射镜镀膜后反射率达到95%以上,具备工程化应用条件,实现了4米大口径非球面反射镜的高精度光学加工。

“仅仅掌握4米反射镜制造工艺,并不算自主掌握核心技术。”张学军说,与加工工艺同等重要的,还有完成4米反射镜制造所需全套制造装备的研发。围绕反射镜研制流程,项目完成了3个子系统、10余套加工检测设备研制,全部来自自主知识产权。

目前,由长春光机所研发的2米量级口径反射镜已在实际工程中应用;2022年,在中国空间站的多功能光学设施上,将使用我国自主研制的大口径反射镜;在不远的将来,4米量级反射镜也将应用在我国新一代光电观测系统中。

李芃达