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;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,實現對4米反射鏡的原位檢測。最終,實現了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。圍繞反射鏡研制流程,項目完成了三個子系統、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展的支撐技術。
目前,由長春光機所研發的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中。