您好,欢迎来到大连富泓机械设备有限公司!
在线留言 |  联系我们 13154115663
您的当前位置:首页>>行业资讯>>行业动态
美丽的大眼睛:4米碳化硅反射镜是如何制作的
浏览量:90 上传更新:2024-06-12

2018年7月米机加工工艺,中国科学院长春光学精密仪器与物理研究所(以下简称“长春光学精密机械与物理研究所”)完成4.03米大口径碳化硅反射镜研制,这也是迄今为止世界最大单面碳化硅反射镜。

4米碳化硅反射镜的研制成功,不仅标志着我国光学系统先进制造能力达到国际先进水平,也为我国大口径光电装备跨越式升级奠定了坚实基础。

站在4米碳化硅反射镜旁边,突然感觉自己很渺小。反射镜是一个巨大的环形圆盘,镜面在灯光的照射下闪闪发光,就像刚出生的婴儿的眼睛一样。如果把这只大眼睛装在望远镜里,将大大提高望远镜的分辨率。那么这只美丽的大眼睛是怎么做出来的呢?

3步打造4米“大眼睛”

大口径光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心部件,其制造技术水平是衡量一个国家高性能光学系统发展水平的重要标志。

大口径光学反射镜制造难度主要在于反射镜毛坯制造工艺、反射镜光学加工等。如何将碳化硅粉末变成高刚性、高面型精度的4米反射镜?我们来看看科研人员如何像变魔术一样,化腐朽为神奇。

大口径反射镜制造工艺

| 强健的骨骼和肌肉,被锤炼成“刀刃”

制造碳化硅反射镜的第一步就是将碳化硅粉末烧结成整体反射镜毛坯。4米的碳化硅反射镜不仅仅是看上去漂亮,要能够用于实际工程,必须达到并保持极高的面型精度(RMS值优于20nm),而这种高精度的面型精度,依赖于反射镜的“硬骨头”——碳化硅陶瓷镜毛坯。

国际上常用的反射镜基片材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍以及碳纤维/碳化硅复合材料等。碳化硅与其他材料相比,具有较大的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α),使得在同样的光学口径和精度要求下,碳化硅反射镜具有较小的重量和较好的热稳定性。因此,碳化硅也成为大口径反射镜毛坯材料的佼佼者。

不同镜面材料性能对比

虽然碳化硅的面密度足够小,但反射镜的“瘦身”还远未彻底。目前国际上大多数反射镜由于制造工艺的限制,都采用开放式轻量化结构。但与它们不同的是,长春光学精密机械与物理研究所采用的是类似“果冻”产品的成型方式。将背面带有半封闭式轻量化结构的镜毛坯一次性注塑成型,不仅避免了实现轻量化结构复杂的机械加工工序,还进一步减轻了反射镜质量,提高了反射镜的结构刚度。

米机加工工艺_米制品加工机器_米加工工艺机器图片

成型的反光镜毛坯经过两次烧结后,“大眼睛”的“铁骨头”就做好了。

| 从丑小鸭到天鹅钻孔,从镜坯到反光镜

反射镜体型坚固,但看上去却又黑又笨重,怎么会显得美观呢?别担心,如果想让我们的4米反射镜变得华丽,还需要进行光学加工、改性和镀膜。

4米碳化硅镜毛坯制造出来之后,还需要经过漫长的加工过程,才能成为一面高精度的镜子。试想一下铆工技术,原来的镜毛坯是一块整体、粗糙的陶瓷毛坯,经过复杂的工艺,它的背面安装上高精度的结构件;正面被加工成整个4米口径范围内面型精度在20nmRMS以内的非球面;并且还要通过改性、镀膜等工艺,改善表面缺陷米机加工工艺,增加镜面反射率。技术难度可见一斑!

反射器加工

碳化硅材料硬度极高,在常见材料中仅次于金刚石,将其研磨抛光至纳米级面形精度极其困难,因此需要采用应力盘抛光、磁流变抛光等加工工艺组合,实现非球面的制造精度,提高加工效率。

应力板抛光

磁流变抛光

米机加工工艺_米制品加工机器_米加工工艺机器图片

| “神助攻”——反射板检测技术

与加工技术同样重要的是反射面检测技术,它直接决定了最终的加工精度。由于检测光路较长,超大口径光学元件的检测受重力和检测环境的影响严重,需要通过复杂、精密的检测环境控制措施才能实现高精度检测。为此,长春光学精密机械与物理研究所专门建造了一座28米高的多功能检测塔,用于完成大口径反射面的检测。

多功能试验塔

碳化硅镜毛坯粗抛完成后,陶瓷材料表面的微小缺陷会造成镜面散射,从而降低光学性能。通过在碳化硅镜表面镀一层与镜基体结构相似的硅材料,可以改善表面缺陷;再在改性层的基础上进行精抛。此方法可以大大改善镜面对光的散射。最终镜面的反射率可达95%以上。

碳化硅表面改性前后散射性能对比

科研人员正在进行涂层前的准备工作

十年耕耘,成就今日辉煌

4米碳化硅反射镜的研制成功,标志着我国大口径光学系统制造能力已跻身世界前列,这一成果也是众多科研人员十余年艰苦努力的结果。

国际上,大口径镜坯制造加工技术一直被美国、法国、德国等少数西方国家掌握。为打破垄断,早在上世纪 90 年代末,长春光学精密机械与物理研究所便已布局光学级碳化硅陶瓷材料研究。研究团队历经十余年时间,经过上百次实验探索和工艺验证,相继突破1米口径碳化硅镜坯、2米口径碳化硅镜坯,并最终于 2016 年成功研制出4米口径碳化硅镜坯。

在镜面毛坯材料研制技术研究取得突破的同时,镜面加工制造及其工程应用的研究也从未停止。2015年组立工,2米口径反射镜研制成功;2017年,2米口径反射镜投入实际工程应用。镜面加工制造技术与大口径光电设备研制始终紧密联系、相互促进,使核心制造技术的掌握能够及时转化为科研装备的实力。

同时围绕大口径反射面制造工艺路线,研发完成了具有完全自主知识产权的全套加工和检测设备,使大口径反射面制造的各项核心技术真正掌握在自己手中。

未来,“美丽大眼睛”将越来越多地运用在国产各类大口径光电设备上,这些设备将遍布祖国的陆海空,让中国的眼光更加深邃,让中国的视野更加宽广!!!