2018年8月21日，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制的4.03米大口徑碳化硅反射鏡成功通過(guò)驗(yàn)收。這也是公開報(bào)道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。這一成果標(biāo)志我國(guó)光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)大口徑光電裝備跨越升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
口徑?jīng)Q定觀測(cè)極限
自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，無(wú)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(xué)系統(tǒng)的觀測(cè)能力不斷提升，都離不開一個(gè)關(guān)鍵——口徑。
基于幾何光學(xué)中的瑞利判據(jù)可知，在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，能夠分辨兩個(gè)相鄰物像的極限分辨角(θ)越小，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率就越高，而極限分辨角是由光的波長(zhǎng)(λ)和主反射鏡的直徑(D)決定的，因此，為了提高光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率，對(duì)更大口徑主反射鏡的需求是無(wú)止境的。
從天文觀測(cè)（深空探測(cè)）到空間對(duì)地觀測(cè)，大口徑望遠(yuǎn)鏡自誕生以來(lái)就不斷拓展著人類觀測(cè)的極限。
哈勃望遠(yuǎn)鏡（圖片來(lái)源：www.augspc.com）
著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)到了2.4米，最遠(yuǎn)已經(jīng)觀測(cè)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(shí)的狀態(tài)。
3.67m AEOS（Advanced Electro Optical System） 先進(jìn)光電望遠(yuǎn)鏡
AEOS地基望遠(yuǎn)鏡，口徑3.67米，能探測(cè)近地軌道上0.1米大小的碎片，成功觀測(cè)到了哥倫比亞號(hào)事故的癥結(jié)所在，為日后避免慘劇再次發(fā)生提供了相關(guān)依據(jù)。
鎖眼12（KH-12）衛(wèi)星相機(jī)，口徑超過(guò)3米，對(duì)地分辨率可達(dá)0.1米，這也是目前人類可以獲得的、分辨率最高的空間對(duì)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(xué)系統(tǒng)均采用反射式結(jié)構(gòu)，其中主鏡口徑直接決定了系統(tǒng)的分辨能力，同時(shí)也是系統(tǒng)中制造難度最大的核心關(guān)鍵；當(dāng)口徑超過(guò)一定量級(jí)時(shí)，會(huì)對(duì)光學(xué)材料和光學(xué)加工均帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。
為了保證望遠(yuǎn)鏡的分辨率和成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。對(duì)于大口徑光學(xué)系統(tǒng)而言，這種精度要求不會(huì)隨著口徑的增大而降低。
以可見光波段觀測(cè)的為例，面型精度要求至少在三十分之一以上波長(zhǎng)（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(jìn)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(duì)于反射鏡鏡坯材料和光學(xué)加工技術(shù)都提出了苛刻要求。
十余年攻關(guān) 造就我國(guó)的“大眼睛”
長(zhǎng)春光機(jī)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(duì)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(guó)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(jīng)反應(yīng)燒結(jié)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(yuǎn)？
然而，大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術(shù)一直被美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等少數(shù)西方國(guó)家掌握，我國(guó)始終不具備自主制造4米量級(jí)大口徑反射鏡能力。在此情況下，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所歷經(jīng)10余年攻關(guān)，于2016年研制出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯。
光學(xué)加工技術(shù)
