且说“千里眼”的“角膜”
2016/10/26 科学大院
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作者：王兴 张舸(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
400多年前，伽利略发明了第一台光学望远镜，将遥远的星空拉近到目之所及，同时也开启了人类利用光学仪器的科学探索之路。
说到光学望远镜，顾名思义，它是利用可见光完成成像的，目前的光学望远镜有反射式和折射式两种，而现代大型的光学望远镜系统均采用反射式结构，因为反射式望远镜没有色差的困扰，可实现紫外线到红外线的大范围观测。下面我们要介绍的就是针对大型光学望远镜系统而言的。
如果把大型光学望远镜比作人类的“千里眼”，那么主反射镜就是这只“千里眼”的核心部件——“角膜”。
你知道目前世界最大的碳化硅主反射镜是哪国研制的吗？没错，就是咱中国，而且是我们拥有完全自主知识产权的!2016年3月9日，世界上最大口径的碳化硅反射镜坯在长春光机所研制成功，镜坯直径4.03米，采用中空夹心的背部半封闭结构，它标志着我国在大口径碳化硅光学材料制备领域取得了里程碑式的进展，填补了国际空白。
长期以来，包括我们中国在内，世界各国的科研工作者都在为制备大尺寸的主反射镜而不懈努力。这是为什么呢？
回答这个问题前，让我们先来看看世界最大碳化硅“角膜”的样子：
经反应烧结后的4m碳化硅反射镜毛坯，是不是离你眼中的“镜子”还比较远？
4m碳化硅反射镜毛坯经初步铣磨后的表面状态，是否距离大家想象中的“镜子”近了一步。其实，对于一块光学反射镜而言，这只是刚刚开始，后面它还要经历研磨、抛光、表面改性、精抛光和镀膜等关键技术过程
经历研磨、抛光、表面改性、精抛光和镀膜等过程后，2.04米碳化硅反射镜诞生了，是不是非常“光彩照人”？
接下来，我们就来解答上面提到的那个疑问，同时也对这块“光彩照人”的镜子的核心技术做一解读。
为什么要制造如此巨大的“角膜”？
基于瑞利判据[注]可知，在光学望远镜中，能够分辨两个相邻物像的极限分辨角(θ)越小，光学望远镜的分辨率就越高，能够看清楚的物体尺寸就越小。而极限分辨角是由光的波长(λ)和主反射镜的直径(D)决定的，因此，为了提高光学望远镜的分辨率，对更大尺寸主反射镜的需求是无止境的。
注释
瑞利判据：
在几何光学中，物体上的一个发光点经透镜成像后得到的应是一个几何像点。而由于光的波动性，即衍射，一个物点经透镜后在像平面上得到的是一个以几何像点为中心的光斑，即爱里斑。
如果另一个物点也经过这个透镜成像，则在像平面上产生另一个衍射光斑。当两个物点相距较远时，两个像斑也相距较远，此时物点是可以分辨的，若两个物点相距很近，以致两个像斑重叠而混为一体，此时两个物点就不能再分辨了。
什么情况下两个像斑刚好能被分辨呢？瑞利提出了一个判据：当一个爱里斑的边缘与另一个爱里斑的中心正好重合时，此时对应的两个物点刚好能被人眼或光学仪器所分辨，这个判据称为瑞利判据。
那么，我国研制的这个世界最大碳化硅“角膜”分辨率究竟如何呢？让我们来举个例子。
“吉林一号”卫星
拿开创了我国自主研发商用卫星应用先河的“吉林一号”卫星来说，它采用的也是长春光机所研制的碳化硅主反射镜，不过囗径只有0.624米，在轨的光学分辨率为0.72米，虽然该分辨率在商用卫星中已属佼佼者，但也仅能分辨出野餐时桌布大小的物体。
而如果换成我们的4米囗径的反射镜，其分辨率将小于0.1米，也许下次野餐时，你桌布上有多少个面包，多少个苹果， 在天空的那只“千里眼”都会一览无余。
为什么选择碳化硅作为反射镜材料？
随着反射镜尺寸的不断增加，反射镜的质量也会越来越大，这将导致整个望远镜系统的重量、制造成本和结构复杂程度都大幅增加。因此，为使反射镜的性能满足成像要求，反射镜材料的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α)必须尽可能大，碳化硅(SiC)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。
不同反射镜材料的性能对比
哈勃主反射镜(2.4m)，左侧为焊接中的样子，右侧为镀膜后的样子
举世瞩目的哈勃太空望远镜，其“角膜”材料选用了康宁公司的超低膨胀系数石英玻璃(ULE)，囗径为2.4米，但重量高达828公斤；中科院长春光机所于2013年研制的2.4米碳化硅反射镜坯，采用背部半封闭结构，重量仅为420公斤，新近研制成功的4米口径碳化硅反射镜毛坯重量也只有1700公斤，但若采用传统的玻璃材料，为实现可见光范围内观测，4米镜坯的重量将是碳化硅材料4米镜坯的3倍以上。
这就好比将人们眼镜的玻璃镜片(传统玻璃材料)换成当下流行的隐形树脂镜片(碳化硅材料)，大大降低了望远镜的重量，既节约了成本，又增加了望远镜的灵活性，可以说是一举两得。
碳化硅材料具备实现大尺寸、轻量化的能力的同时，其良好的热稳定性(λ/α)也是其在这场反射镜材料的“选美比赛”能够胜出的关键。
我们都知道，任何材料在经历冷热变化时都会发生变形，而光学反射镜能够容忍的变形量达到纳米级，比我们头发丝直径的千分之一还要小。因此，作为反射镜材料，拥有“良好的体魄”是至关重要的。
碳化硅的导热系数很高，是传统玻璃材料的近100倍。可以说，与传统玻璃材料相比，热量在碳化硅中传递拥有高铁般的速度。因此采用碳化硅材料制备反射镜，能够最大程度降低镜面上的温度梯度，当环境温度变化时，整个镜体温度能够很快达到一致。
为什么选择背部半封闭轻量化结构？
尽管碳化硅的密度已经足够小，但对于反射镜的“瘦身计划”还远未完成。为进一步降低反射镜的质量，反射镜普遍采用轻量化的结构设计。
不同轻量化结构的碳化硅反射镜坯
目前世界上大多数的反射镜均采用开放式的轻量化结构，但与它们不同，长春光机所采用类似“果冻”制品的成型方式，通过一次注模实现具有背部半封闭轻量化结构的镜坯成型，这既避免了实现轻量化结构的复杂机械加工过程，又进一步降低反射镜的质量、提高反射镜的结构刚度。
基于以上原因，碳化硅材料目前已经成为大型望远镜最佳的反射镜候选材料。但大口径复杂形状碳化硅反射镜坯的制造难度非常大，此前世界上最大口径的碳化硅反射镜坯为3.5米，其制备技术仅被少数几个发达国家掌握，而且长期对我国实行技术封锁和禁运。
3.5米口径的赫歇尔反射镜
这下你明白了吧，中科院长春光机所的这次技术突破意义非凡，它将我国大口径碳化硅反射镜坯制造技术提升到了一个新的高度。
随着技术发展，碳化硅反射镜的应用领域正在不断扩大，在空间对地观测、深空探测、天文观测和量子通讯等方面都能看到它的身影。
大口径碳化硅反射镜坯制备核心技术的突破和4米口径碳化硅镜坯的研制成功，标志着我国大口径先进光学材料研制技术已跻身国际领先行列，相信在不远的将来，大囗径光学望远镜中，必然有属于中国的“角膜”。
作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室研究人员
(本文首发于科学大院，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所供稿，转载请注明出处并保留下方二维码)
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