光之眼
——碳化硅反射鏡

自伽利略制造了世界上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，將人類(lèi)視力首次延伸到了土星的光環(huán)以來(lái)，人們不斷地改進(jìn)光學(xué)儀器，鏡頭口徑越來(lái)越大，以期能看的更遠(yuǎn)、更清晰，同時(shí)成像方式也從伽利略望遠(yuǎn)鏡的折射式演變?yōu)榉瓷涫?。逐漸地，人們不滿足于受大氣影響的地面觀測(cè)，將天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到外空間，1990年升空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，將人類(lèi)視野延伸到數(shù)十億光年之外的深邃空間。隨著社會(huì)發(fā)展，災(zāi)害防控、國(guó)防工業(yè)、導(dǎo)航通信等領(lǐng)域?qū)Υ笮凸怆妰x器的需求也日益增大。

主反射鏡作為現(xiàn)代大型光學(xué)儀器鏡頭中最為核心的零部件，如同人眼的“角膜”，其極限分辨能力和集光能力與口徑大小成正比。同時(shí)，主反射鏡的材料性質(zhì)是其性能的有力支撐。從最初的折射式鏡頭的光學(xué)玻璃，到第一代反射式鏡片的鋁合金、銅合金，再到第二代的金屬鈹、ULE、Zerodur，這些材料在力熱性能上或多或少存在短板，因此西方發(fā)達(dá)國(guó)家把目光投向具有優(yōu)異綜合性能的碳化硅陶瓷。

圖1 裝有2 m碳化硅反射鏡的望遠(yuǎn)鏡

中科院長(zhǎng)春光機(jī)所根據(jù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和碳化硅陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)，于二十世紀(jì)末開(kāi)始開(kāi)展碳化硅反射鏡制備技術(shù)的研究。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人趙文興研究員帶領(lǐng)項(xiàng)目組歷經(jīng)十余年的刻苦攻關(guān)，突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷預(yù)置體成型、素坯連接、致密化反應(yīng)燒結(jié)等核心技術(shù)，先后研制出0.5～2 m量級(jí)碳化硅反射鏡，并成功應(yīng)用于商用遙感、“天問(wèn)一號(hào)”有效載荷、“高分”等型號(hào)任務(wù)。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目組于2009年提出了4 m量級(jí)碳化硅反射鏡的研究目標(biāo)，在其后八年時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了數(shù)百次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和四次燒結(jié)試驗(yàn)的失敗，仍堅(jiān)守“甘坐冷板凳，永不言敗”的科研精神，最終于2016年3月成功研制出第五塊鏡坯，成為世界上最大口徑的碳化硅反射鏡，鏡坯直徑達(dá)4.03 m，重量1.7 t。該鏡坯于2018年完成光學(xué)加工和鍍膜，其面形精度值和反射率等指標(biāo)完全滿足用戶要求，目前已應(yīng)用于工程項(xiàng)目。研究成果在國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)SPIE NEWSROOM主頁(yè)進(jìn)行了報(bào)告，得到了國(guó)際同行的認(rèn)可，同時(shí)相關(guān)產(chǎn)品也在長(zhǎng)春長(zhǎng)光精瓷復(fù)合材料有限公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。4 m量級(jí)碳化硅反射鏡的成功研制，打破了國(guó)外壟斷，標(biāo)志著我國(guó)大口徑光學(xué)制造技術(shù)躋身國(guó)際先進(jìn)行列，進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)新型光學(xué)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

圖2 2 m量級(jí)碳化硅反射鏡

圖3 4 m量級(jí)碳化硅反射鏡