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大口径光学镜头中的4米量级碳化硅反射镜是怎样“炼”成的

2020年04月26日 镜头知识 445 views

在2018年7月,中国科学院长春光学精密器械与物理研究所完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制,它也是目前为止世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。 4米量级碳化硅反射镜的研制成功,不仅标志着我国光学系统先进制造能力达到国际先进水平,也为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。 

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站在4米碳化硅反射镜旁边,顿时感觉自己很渺小。反射镜像一个巨大的圆环形圆盘,镜面在灯光的照射下闪闪发亮,犹如刚出生婴儿的眼睛一般闪亮。如果把这只大眼睛装到望远镜里,将极大的提升望远镜的分辨率。那么这只美丽的大眼睛是怎样炼成的呢? 

 3步 “炼”就4米的“大眼睛” 

大口径光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件,其制造技术水平是衡量一个国家高性能光学系统研制水平的重要标志。 

大口径光学反射镜的制造难度主要集中在反射镜镜坯制造、反射镜光学加工等制造工艺环节。如何把碳化硅粉末最终变成高刚度、高面形精度的4米反射镜?让我们一起来看一下科研人员如何像变魔术一样,化腐朽为神奇吧。 

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口径反射镜制造流程 

百炼成“坯”的强壮筋骨 

制造碳化硅反射镜的第一步,就是将碳化硅粉末烧制成整体的反射镜镜坯。4米碳化硅反射镜绝不仅仅是看着美丽,要想能够实际工程化应用,必须达到并保持极高面形精度(RMS值优于20nm),而这种高精度面形的保持正是依赖于反射镜“强健的筋骨”——碳化硅陶瓷镜坯。 

国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍,以及碳纤维/碳化硅复合材料等。与其他材料相比,碳化硅具有更大的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α),这使得在实现同样的光学口径和精度要求下,碳化硅反射镜具有更小的重量和更优的热稳定性,因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者。 

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不同反射镜材料的性能对比 

尽管碳化硅的面密度已经足够小,但对反射镜的“瘦身”还远未完成。目前世界上大多数的反射镜由于制备技术限制,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。 

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 成型后的反射镜镜坯经过两次烧结后,“大眼睛”的一身“钢筋铁骨”就练好了。    

丑小鸭变天鹅,从镜坯到反射镜的转变 


反射镜强健的身体是有了,可黑黑、笨笨的样子,怎么也看不出来美丽啊?别着急,要想让我们的4米反射镜华丽变身,还要靠光学加工、改性和镀膜。 

4米碳化硅反射镜镜坯制造完成后,还要经过漫长的加工工艺,才能变成高精度的反射镜。试想一下,原始的镜坯就是一块整体的、粗糙的陶瓷坯,经过复杂的工序后,它的背面被安装上高精度的结构件;正面被加工成非球面面形,在整个4米口径范围内面形精度在20nmRMS以内;并且需要通过改性、镀膜等工艺,改善表面缺陷、提高镜面反射率。其技术难度可见一斑!

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反射镜加工流程 

碳化硅材料硬度极高,常见材料中仅次于金刚石,其磨削抛光至纳米表面精度难度极大,因此需要通过采用应力盘抛光、磁流变抛光等组合加工技术来实现非球面的制造精度、提升加工效率。 

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 应力盘抛光 

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磁流变抛光 

“神助攻”——反射镜检测技术 

与加工技术同等重要的是反射镜检测技术,这也直接决定着最终加工精度。超大口径光学元件检测,由于检测光路长,受重力、检测环境干扰严重,需要通过复杂、精密的检测环境控制措施才能实现高精度检测。为此,长春光机所专门建立了28米高的多功能检测塔,用于完成大口径反射镜检测工作。 

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多功能检测塔 

碳化硅镜坯完成粗抛光之后,由于陶瓷材料表面的细小缺陷,反射镜表面产生散射,从而降低了光学性能。通过在碳化硅反射镜表面镀制和反射镜基底结构相近硅材料,使表面缺陷得到改善;然后在改性层基础上进行精抛光,这种方式可以大幅改善光线在反射镜表面的散射。最终可以使反射镜的反射率达到95%以上。 

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 碳化硅表面改性前后散射性能对比

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科研人员在做镀膜前准备工作 

十年磨练 成就今日光辉 

4米量级碳化硅反射镜研制成功,标志着我国大口径光学系统制造能力跻身世界前列。这一成果的取得,也凝结了众多科研人员十几年的心血。 

在世界上,大口径反射镜镜坯制造和反射镜加工技术一直被美国、法国、德国等少数西方国家掌握。为了打破垄断,早在20世纪90年代末,长春光机所就已布局光学级碳化硅陶瓷材料研究。研究团队耗时十余年、经历数百次实验探索与工艺验证,先后突破1米口径碳化硅反射镜镜坯、2米口径碳化硅反射镜镜坯,最终在2016年成功研制出4米口径碳化硅镜坯。 

在镜坯材料研制技术突破的同时,反射镜加工制造及其工程化应用的研究脚步也从未停止。2015年,2米口径反射镜完成研制;2017年,2米口径反射镜完成实际工程应用。反射镜加工制造技术与大口径光电装备研制,始终紧密联系、互相促进,使核心制造技术的掌握及时转化为科研装备实力。 

与此同步,围绕着大口径反射镜制造的工艺路线,一整套完整的、具有完全自主知识产权的加工、检测装备也同步开发完成,使大口径反射镜制造的全部核心技术真正掌握自己手中。 

未来,“美丽的大眼睛”将越来越多的应用于国产各型大口径光电装备上,这些装备将遍及祖国陆地、海洋、天空,让中国的目光更加深邃、视野更加宽广!!! 


本文转自 长春光学精密机械与物理研究所

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