2018年8月21日，中科院長春光機所研制的4.03米大口徑碳化硅反射鏡成功通過驗收。這也是公開報道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。這一成果標志我國光學系統(tǒng)制造能力躋身國際先進水平，為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎(chǔ)。

口徑?jīng)Q定觀測極限

自1609年伽利略發(fā)明天文望遠鏡以來，無論是從地面仰望星空，還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇，想要使光學系統(tǒng)的觀測能力不斷提升，都離不開一個關(guān)鍵——口徑。

基于幾何光學中的瑞利判據(jù)可知，在光學望遠鏡中，能夠分辨兩個相鄰物像的極限分辨角(θ)越小，光學望遠鏡的分辨率就越高，而極限分辨角是由光的波長(λ)和主反射鏡的直徑(D)決定的，因此，為了提高光學望遠鏡的分辨率，對更大口徑主反射鏡的需求是無止境的。

從天文觀測（深空探測）到空間對地觀測，大口徑望遠鏡自誕生以來就不斷拓展著人類觀測的極限。

哈勃望遠鏡（圖片來源：www.augspc.com）

著名的哈勃太空望遠鏡，口徑達到了2.4米，最遠已經(jīng)觀測到了距離地球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的狀態(tài)。

3.67m  AEOS（Advanced Electro Optical System） 先進光電望遠鏡

AEOS地基望遠鏡，口徑3.67米，能探測近地軌道上0.1米大小的碎片，成功觀測到了哥倫比亞號事故的癥結(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，口徑超過3米，對地分辨率可達0.1米，這也是目前人類可以獲得的、分辨率最高的空間對地遙感數(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，同時也是系統(tǒng)中制造難度最大的核心關(guān)鍵；當口徑超過一定量級時，會對光學材料和光學加工均帶來巨大的挑戰(zhàn)。

為了保證望遠鏡的分辨率和成像質(zhì)量，光學系統(tǒng)對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。對于大口徑光學系統(tǒng)而言，這種精度要求不會隨著口徑的增大而降低。

以可見光波段觀測的為例，面型精度要求至少在三十分之一以上波長（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，對于反射鏡鏡坯材料和光學加工技術(shù)都提出了苛刻要求。

十余年攻關(guān) 造就我國的“大眼睛”

長春光機所是如何滿足上述“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？

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、法國、德國等少數(shù)西方國家掌握，我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡能力。在此情況下，中科院長春光機所歷經(jīng)10余年攻關(guān)，于2016年研制出擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯。

光學加工技術(shù)