大口径高精度碳化硅非球面反射镜

1.大口径反射镜的作用

大口径望远镜为探测宇宙天体、国土资源普查、智慧城市建设、交通设施监测、农业估产、生态环境监测、防灾减灾、公共应急卫生等领域提供了重要的信息支持。而大口径反射镜是大口径望远镜成像的核心关键部件，大口径望远镜犹如我们观察世界的“千里眼”，而大口径反射镜好比是“千里眼”的“眼角膜”。

自1609年伽利略发明天文望远镜以来，光学系统观测能力的不断提升，离不开一个关键——口径。反射镜直径越大，光学望远镜的分辨率就越高。哈勃太空望远镜的口径2.4米，最远观测到距离地球134亿光年的宇宙深处，对地观测时图片清晰度可通过数人头的方式估计一支队伍的人数；先进光电望远镜（AEOS）口径3.67米，成功观测到美国哥伦比亚号航天飞机事故的症结所在；锁眼12（KH-12）卫星相机口径超过3米，对地分辨率可达0.1米。2009年发射的赫歇尔望远镜，其主反射镜采用碳化硅材料，口径达到3.5米，采用钎焊焊接方式，应用于远红外及亚毫米波段观测。

2.大口径碳化硅反射镜的优势

随着技术的不断进步和需求的不断提升，要求望远镜的分辨率越来越高，这就要求望远镜的口径越来越大，相应的反射镜的口径也越来越大。

与传统的金属和玻璃材料相比，由于碳化硅材料具有适中的密度、较高的弹性模量、高度的尺寸稳定性、较小的热膨胀系数、较强的辐射稳定性及良好的光学加工性能等一系列优秀的物理性质，目前已经成为大尺寸光学反射镜的最佳候选材料。

与常规玻璃材料相比，碳化硅比刚度提高了4倍，热导率提升了2个数量级，在相同刚度的情况下，相同口径的碳化硅反射镜重量可降低60%以上。即将退役的哈勃望远镜φ2.4 m主反射镜选用的是美国康宁公司研制的超低膨胀系数石英玻璃（ULE）材料，反射镜重量高达890公斤；而2009年发射升空的赫歇尔望远镜，其φ3.5 m主反射镜由于选用了碳化硅材料，反射镜重量仅为250 kg。

3.大口径碳化硅反射镜集成制造技术

反射镜口径越大，光学材料制备和光学加工的难度呈几何级上升；当口径超过一定量级时，会对光学材料和光学加工均带来巨大的挑战。

4米量级高精度碳化硅非球面反射镜

图片来源

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所经过20余年的潜心研究和技术攻关，突破了大口径轻量化碳化硅反射镜镜坯制备、大口径碳化硅非球面反射镜高效高精度加工与检测、大口径碳化硅非球面反射镜改性与镀膜等关键技术，建立了具有完全知识产权的4 m量级轻量化碳化硅非球面反射镜全链路集成制造系统，核心关键技术、原材料、软件和设备完全自主可控，整体达到国际领先水平，制造完成了口径4.03 m国际上公开报道尺寸最大的碳化硅非球面反射镜，最终面形精度达到15.2 nm RMS，是我国在大口径光学制造领域的重大技术突破。

制造完成的φ4.03 m碳化硅非球面反射镜

图片来源

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

特别感谢

王孝坤研究员

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

提供以上内容

鸣谢

中国科学院科技促进发展局

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

转载自：院史天地公众号

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