前不久，由長春光機所承擔的國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”通過項目驗收。這是公開報道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。該成果的取得，也標志著我國光學系統(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。

這個直徑4米、重達1.6噸的“大鏡子”猶如一個巨大的環(huán)形圓盤——如果把它裝到望遠鏡里，將極大提升其分辨率。

“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，口徑越大，光學望遠鏡的分辨率和精度就越高。”4米碳化硅反射鏡項目驗收專家、中國工程院院士姜會林說。

造大口徑反射鏡，實屬不易。“反射鏡口徑的上限取決于制造加工能力。同時，為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量，反射鏡必須具有非常高的面型精度。”長春光機所副所長張學軍介紹，以可見光波段觀測為例，面型精度要求至少在1/30以上波長，這就好比將4米反射鏡放大到一個城市大小,進行土地平整，并要求東南角和西北角的高低差在正負零點幾毫米以內(nèi)，土地平整度要小于1毫米。這對反射鏡鏡坯材料和光學加工技術都提出了極為嚴苛的要求。

對于反射鏡鏡坯而言，材料的比剛度和熱穩(wěn)定性必須盡可能大，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鏡坯材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹?shù)龋蓟枰云鋬?yōu)異的比剛度和熱穩(wěn)定性成為反射鏡備選材料的寵兒。

碳化硅雖然性能優(yōu)良、導熱快、受熱變形小，但比起微晶玻璃等其他原材料，其制造難度也更大——碳化硅本身屬于陶瓷，口徑一旦增大，燒結很容易出現(xiàn)裂紋甚至破碎，一度被認為無法突破1.5米的口徑極限。

“大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術一直被少數(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的能力。”張學軍坦言。為打破壟斷，20世紀90年代末，長春光機所就已布局光學級碳化硅陶瓷材料研究。團隊耗時10余年、經(jīng)歷數(shù)百次實驗探索與工藝驗證，先后突破1米、2米口徑碳化硅反射鏡鏡坯，終于在2016年成功研制出4米口徑碳化硅鏡坯。

鏡坯有了，但碳化硅極高的硬度也給加工方法帶來新挑戰(zhàn)。此外，碳化硅在光學粗拋光后表面有細微缺陷，這會影響反射率等光學性能，因此需要通過后續(xù)工藝改進表面特性。

項目組運用計算機控制光學表面成形技術，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，經(jīng)過精拋光的反射鏡鍍膜后反射率達到95%以上，具備工程化應用條件，實現(xiàn)了4米大口徑非球面反射鏡的高精度光學加工。

“僅僅掌握4米反射鏡制造工藝，并不算自主掌握核心技術。”張學軍說，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3個子系統(tǒng)、10余套加工檢測設備研制，全部來自自主知識產(chǎn)權。

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中應用；2022年，在中國空間站的多功能光學設施上，將使用我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。