中科院長(zhǎng)春光機(jī)所先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)制造研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近20年技術(shù)攻關(guān)，攻克了大口徑碳化硅鏡坯制備、加工工藝、檢測(cè)方法、改性鍍膜等核心關(guān)鍵技術(shù)，突破了高結(jié)構(gòu)剛度復(fù)雜曲面碳化硅光學(xué)反射鏡先進(jìn)制造技術(shù)，建立了4m量級(jí)大口徑碳化硅非球面反射鏡全鏈路集成制造系統(tǒng)，完成了世界最大口徑碳化硅非球面反射鏡的高精度制造。

該成果發(fā)表在Light: Science & Applications，題為Challenges and strategies in high-accuracy manufacturing of the world's largest SiC aspheric mirror（世界最大口徑碳化硅非球面反射鏡高精度制造中的挑戰(zhàn)及對(duì)策 ）。

中科院長(zhǎng)春光機(jī)所是第一單位，論文的第一作者/通訊作者為中科院長(zhǎng)春光機(jī)所張學(xué)軍研究員。

古人云“四方上下曰宇，古往今來(lái)曰宙”，人類對(duì)于宇宙的觀察以及思考可以追溯到公元前幾千年的堯舜時(shí)代。直到伽利略第一次使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)，人類才對(duì)宇宙有了更為直觀的認(rèn)識(shí)。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，人類觀測(cè)宇宙的范圍越來(lái)越大，對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)——角分辨率和能量收集能力，都和光學(xué)系統(tǒng)通光口徑直接相關(guān)。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所制造的4m口徑碳化硅非球面反射鏡將極大提升望遠(yuǎn)鏡角分辨力和能量收集能力，對(duì)推動(dòng)我國(guó)空間探測(cè)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

圖1：世界口徑最大的(?4m)碳化硅非球面反射鏡

應(yīng)用于高性能成像的光學(xué)制造技術(shù)對(duì)反射鏡材料、口徑、曲面類型、面形誤差、表面粗糙度等提出了嚴(yán)苛的要求，帶來(lái)了多方面嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1、碳化硅鏡坯的制備過程伴隨著復(fù)雜的物理相變和化學(xué)反應(yīng)，國(guó)際上現(xiàn)有工藝難以突破2m量級(jí)，面向可見光波段應(yīng)用的?2.5m以上碳化硅鏡坯制備工藝和設(shè)備尚屬國(guó)際空白；

2、國(guó)際上一般利用CVD技術(shù)對(duì)大口徑碳化硅非球面進(jìn)行表面改性，通常需要對(duì)基底加熱到600℃以上，所產(chǎn)生的大溫度梯度容易導(dǎo)致反射鏡發(fā)生不可逆變形；

3、非球面反射鏡制造難度與口徑三次方成正比、碳化硅是已知最堅(jiān)硬的四種無(wú)機(jī)材料之一，使用常規(guī)手段與工藝，加工難度高、收斂效率低，最終面形檢測(cè)精度也受儀器動(dòng)態(tài)范圍、氣流擾動(dòng)等因素制約。

直面嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所歷經(jīng)多年技術(shù)攻關(guān)，提出了一整套解決方案：

1、針對(duì)碳化硅鏡坯制備過程內(nèi)應(yīng)力大、口徑受收縮比限制難以突破2m的難題，解決了背部半封閉超輕量化素坯成型、無(wú)宏觀裂紋干燥、同質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)連結(jié)等技術(shù)難題，完成了?4m碳化硅輕量化鏡坯的制備；

2、針對(duì)大口徑碳化硅非球面常規(guī)制造精度差、效率低，CVD改性技術(shù)溫度高、應(yīng)力變形大等難題，提出了高效高精度收斂組合加工等技術(shù)，開發(fā)了光學(xué)制造軟件平臺(tái)SLAM，全頻段面形誤差收斂效率提高了30%，完成了?4m碳化硅非球面反射鏡的高精度確定性制造；

圖2：高效高精度收斂組合加工技術(shù)

3、針對(duì)?4m非球面面形檢測(cè)手段動(dòng)態(tài)范圍低、長(zhǎng)光路檢測(cè)存在氣流擾動(dòng)等難題，提出了大口徑非球面面形誤差跨尺度/多方法組合檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了?4m反射鏡表面形貌誤差的高精度檢測(cè)。

圖3：?4m反射鏡面形誤差干涉檢測(cè)結(jié)果

中科院長(zhǎng)春光機(jī)所經(jīng)過多年潛心研究，突破了大口徑輕量化碳化硅材料制備技術(shù)、大口徑碳化硅非球面加工檢測(cè)技術(shù)、大口徑碳化硅改性鍍膜技術(shù)，完成了?4m碳化硅反射鏡的高精度制造，打破了國(guó)外在大口徑非球面制造技術(shù)的壟斷地位，形成了具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4m量級(jí)大口徑反射鏡研制能力，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)空白，大幅提升了我國(guó)在高性能大型光學(xué)儀器的研制水平。所制造的世界上口徑最大的碳化硅非球面反射鏡已經(jīng)在天文觀測(cè)等領(lǐng)域開展應(yīng)用，使得人類在觀測(cè)宇宙時(shí)又多了一只“大眼睛”。“天高地迥，覺宇宙之無(wú)窮”，浩渺無(wú)窮的宇宙，還在等待人們的探索與研究。

| 論文信息 |

Zhang, X., Hu, H., Wang, X. et al. Challenges and strategies in high-accuracy manufacturing of the world’s largest SiC aspheric mirror. Light Sci Appl 11, 310 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00994-3

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