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中国突破瓶颈 自主研发世界最大口径单体碳化硅反射镜


  来源: 科普中国 时间:2018-08-22 编辑:思扬
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2018年8月21日,中科院长春光机所研制的4.03米大口径碳化硅反射镜成功通过验收。这也是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。这一成果标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平,为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。




口径决定观测极限

自1609年伽利略发明天文望远镜以来,无论是从地面仰望星空,还是从空间俯瞰大地、纵观寰宇,想要使光学系统的观测能力不断提升,都离不开一个关键——口径。

基于几何光学中的瑞利判据可知,在光学望远镜中,能够分辨两个相邻物像的极限分辨角(θ)越小,光学望远镜的分辨率就越高,而极限分辨角是由光的波长(λ)和主反射镜的直径(D)决定的,因此,为了提高光学望远镜的分辨率,对更大口径主反射镜的需求是无止境的。

从天文观测(深空探测)到空间对地观测,大口径望远镜自诞生以来就不断拓展着人类观测的极限。

哈勃望远镜(图片来源:www.augspc.com)


著名的哈勃太空望远镜,口径达到了2.4米,最远已经观测到了距离地球134亿光年的宇宙深处,让我们观察到宇宙更加接近诞生之时的状态。



3.67m  AEOS(Advanced Electro Optical System) 先进光电望远镜


AEOS地基望远镜,口径3.67米,能探测近地轨道上0.1米大小的碎片,成功观测到了哥伦比亚号事故的症结所在,为日后避免惨剧再次发生提供了相关依据。

锁眼12(KH-12)卫星相机,口径超过3米,对地分辨率可达0.1米,这也是目前人类可以获得的、分辨率最高的空间对地遥感数据……

造大口径反射镜 为什么这么难?

现代大口径光学系统均采用反射式结构,其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力,同时也是系统中制造难度最大的核心关键;当口径超过一定量级时,会对光学材料和光学加工均带来巨大的挑战。

为了保证望远镜的分辨率和成像质量,光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求。对于大口径光学系统而言,这种精度要求不会随着口径的增大而降低。

以可见光波段观测的为例,面型精度要求至少在三十分之一以上波长(λ/30,RMS值优于20nm),这就好比将4米反射镜放大到北京市大小,进行土地平整,土地平整度要小于1毫米。如此高的面形精度,对于反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了苛刻要求。

十余年攻关 造就我国的“大眼睛”

长春光机所是如何满足上述“苛刻的要求”, 制造出大口径反射镜的呢?

镜坯制造

对于反射镜镜坯而言,反射镜材料的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α)必须尽可能大,这样随着口径的增大,材料的刚性仍然可以保证面型的稳定,受热环境影响较小,并且有利于减轻系统重量。

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、金属铍等,其中以碳化硅(SiC)的比刚度和热稳定性最优,因此成为反射镜备选材料的宠儿。


经反应烧结后的4m碳化硅反射镜毛坯,是不是离你眼中的“镜子”还比较远?


然而,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,我国始终不具备自主制造4米量级大口径反射镜能力。在此情况下,中科院长春光机所历经10余年攻关,于2016年研制出拥有完全自主知识产权的、世界上最大口径的4.03米碳化硅反射镜坯。

光学加工技术

关键词:单体 碳化硅 反光镜    浏览量:4412

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