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突破瓶頸！中國自主研發世界最大口徑單體碳化硅反射鏡

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突破瓶頸！中國自主研發世界最大口徑單體碳化硅反射鏡



出品：科普中國
制作：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 周立勛 肖含
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
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 。
口徑決定觀測極限
自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來， 無論是從地面仰望星空， 還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇， 想要使光學系統的觀測能力不斷提升， 都離不開一個關鍵——口徑 。
基于幾何光學中的瑞利判據可知， 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 。
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所在， 為日后避免慘劇再次發生提供了相關依據 。
鎖眼12（KH-12）衛星相機， 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據……
造大口徑反射鏡 為什么這么難？
現代大口徑光學系統均采用反射式結構， 其中主鏡口徑直接決定了系統的分辨能力， 同時也是系統中制造難度最大的核心關鍵；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 。
為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量， 光學系統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都提出了苛刻要求 。
十余年攻關 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定， 受熱環境影響較小， 并且有利于減輕系統重量 。
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、金屬鈹等， 其中以碳化硅（SiC）的比剛度和熱穩定性最優， 因此成為反射鏡備選材料的寵兒 。
經反應燒結后的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一直被美國、法國、德國等少數西方國家掌握， 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10余年攻關， 于2016年研制出擁有完全自主知識產權的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯 。

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