Light | 世界最大碳化硅非球面反射镜的高精度制造
中科院长春光机所先进光学系统制造研究团队经过近20年技术攻关，攻克了大口径碳化硅镜坯制备、加工工艺、检测方法、改性镀膜等核心关键技术，突破了高结构刚度复杂曲面碳化硅光学反射镜先进制造技术，建立了4m量级大口径碳化硅非球面反射镜全链路集成制造系统，完成了世界最大口径碳化硅非球面反射镜的高精度制造。
该成果发表在Light: Science & Applications，题为Challenges and strategies in high-accuracy manufacturing of the world's largest SiC aspheric mirror（世界最大口径碳化硅非球面反射镜高精度制造中的挑战及对策 ）。
中科院长春光机所是第一单位，论文的第一作者/通讯作者为中科院长春光机所张学军研究员。
古人云“四方上下曰宇，古往今来曰宙”，人类对于宇宙的观察以及思考可以追溯到公元前几千年的尧舜时代。直到伽利略第一次使用光学望远镜对天体进行观测，人类才对宇宙有了更为直观的认识。随着现代科技发展，人类观测宇宙的范围越来越大，对望远镜系统的性能要求越来越高。光学望远镜系统关键性能指标——角分辨率和能量收集能力，都和光学系统通光口径直接相关。中科院长春光机所制造的4m口径碳化硅非球面反射镜将极大提升望远镜角分辨力和能量收集能力，对推动我国空间探测、天文观测等领域的快速发展具有重要战略意义。
图1：世界口径最大的(⌀4m)碳化硅非球面反射镜
应用于高性能成像的光学制造技术对反射镜材料、口径、曲面类型、面形误差、表面粗糙度等提出了严苛的要求，带来了多方面严峻的挑战。
1、碳化硅镜坯的制备过程伴随着复杂的物理相变和化学反应，国际上现有工艺难以突破2m量级，面向可见光波段应用的⌀2.5m以上碳化硅镜坯制备工艺和设备尚属国际空白；
2、国际上一般利用CVD技术对大口径碳化硅非球面进行表面改性，通常需要对基底加热到600℃以上，所产生的大温度梯度容易导致反射镜发生不可逆变形；
3、非球面反射镜制造难度与口径三次方成正比、碳化硅是已知最坚硬的四种无机材料之一，使用常规手段与工艺，加工难度高、收敛效率低，最终面形检测精度也受仪器动态范围、气流扰动等因素制约。
直面严峻挑战，中科院长春光机所历经多年技术攻关，提出了一整套解决方案：
1、针对碳化硅镜坯制备过程内应力大、口径受收缩比限制难以突破2m的难题，解决了背部半封闭超轻量化素坯成型、无宏观裂纹干燥、同质微观结构连结等技术难题，完成了⌀4m碳化硅轻量化镜坯的制备；
2、针对大口径碳化硅非球面常规制造精度差、效率低，CVD改性技术温度高、应力变形大等难题，提出了高效高精度收敛组合加工等技术，开发了光学制造软件平台SLAM，全频段面形误差收敛效率提高了30%，完成了⌀4m碳化硅非球面反射镜的高精度确定性制造；
图2：高效高精度收敛组合加工技术
3、针对⌀4m非球面面形检测手段动态范围低、长光路检测存在气流扰动等难题，提出了大口径非球面面形误差跨尺度/多方法组合检测技术，实现了⌀4m反射镜表面形貌误差的高精度检测。
图3：⌀4m反射镜面形误差干涉检测结果
中科院长春光机所经过多年潜心研究，突破了大口径轻量化碳化硅材料制备技术、大口径碳化硅非球面加工检测技术、大口径碳化硅改性镀膜技术，完成了⌀4m碳化硅反射镜的高精度制造，打破了国外在大口径非球面制造技术的垄断地位，形成了具备自主知识产权的4m量级大口径反射镜研制能力，填补了多项国内空白，大幅提升了我国在高性能大型光学仪器的研制水平。所制造的世界上口径最大的碳化硅非球面反射镜已经在天文观测等领域开展应用，使得人类在观测宇宙时又多了一只“大眼睛”。“天高地迥，觉宇宙之无穷”，浩渺无穷的宇宙，还在等待人们的探索与研究。
| 论文信息 |
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).