拼裝中的詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡鏡片

工欲善其事，必先利其器。大口徑天文望遠(yuǎn)鏡，一直是天文學(xué)家孜孜以求的利器。

近日，從長春傳來了好消息。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所承擔(dān)的“4米量級高精度SiC非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項(xiàng)目通過了驗(yàn)收。驗(yàn)收專家組認(rèn)為，該項(xiàng)目形成了大口徑系列反射鏡研制能力，是我國在大口徑光學(xué)制造領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。這意味著，我國深空探測、天文觀測系統(tǒng)以及空間對地觀測未來有可能用上更大口徑的國產(chǎn)核心元件――光學(xué)反射鏡。

那么，對天文觀測而言，更大的口徑天文望遠(yuǎn)鏡意味著什么？反射鏡晶體有不同的材料可供選擇，它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？鍍膜技術(shù)對于提高觀測效率有什么幫助？不同的觀測需求對反射鏡制造提出了哪些要求？科技日報(bào)記者就此采訪了相關(guān)專家。

為啥要造大鏡片 為了看得更遠(yuǎn)更清楚

作為天文望遠(yuǎn)鏡最為重要的部件，有人將用于折射或反射光線的鏡片比作是望遠(yuǎn)鏡的“眼睛”。望遠(yuǎn)鏡的“眼睛”越大越好嗎？

對此，中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所副研究員白華給出了肯定的答案。她指出，望遠(yuǎn)鏡口徑越大，集光能力越強(qiáng)，能夠觀測到更暗弱的天體，而且望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率也更高，能夠觀測到天體更多的細(xì)節(jié)。

在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副所長張學(xué)軍看來，為了提高光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率，科學(xué)家對更大口徑望遠(yuǎn)鏡的追求是無止境的。

在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，能夠分辨兩個(gè)相鄰物像的極限分辨角越小，其分辨率就越高。而極限分辨角是由光的波長和望遠(yuǎn)鏡主鏡的直徑?jīng)Q定的。同樣的波長下，主鏡的直徑越大，極限分辨角就越小，這意味著能看清楚更小的物體。

事實(shí)上，自1609年伽利略使用天文望遠(yuǎn)鏡仰望星空以來，望遠(yuǎn)鏡一直在向更大口徑發(fā)展。漸漸變大的“眼睛”，使光學(xué)系統(tǒng)觀測能力不斷提升。

張學(xué)軍舉例道，口徑2.4米的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，最遠(yuǎn)已經(jīng)觀測到了距離地球134億光年的宇宙深處；口徑3.67米AEOS地基望遠(yuǎn)鏡，能探測近地軌道上0.1米大小的碎片；口徑超過3米的鎖眼12（KH-12）衛(wèi)星相機(jī)，對地分辨率可達(dá)0.1米。

為了獲得更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家發(fā)展出鏡面拼接技術(shù)，將幾塊較小口徑的鏡片拼接在一起，協(xié)力運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)較大口徑鏡片才有的觀測效果。白華介紹，這項(xiàng)技術(shù)使得建造8米以上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡成為可能。

鏡坯材料哪家強(qiáng) 微晶玻璃、碳化硅各有所長

盡管我們聽說過許多不同的天文望遠(yuǎn)鏡的名字，但總體而言，它們大致可以分為三類：折射式、反射式、折反射式。目前主流、先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡采用的是哪種形式？

白華介紹，一般而言，目前用于天文觀測的大望遠(yuǎn)鏡的主體結(jié)構(gòu)多為反射式望遠(yuǎn)鏡。這主要是因?yàn)榉瓷涫酵h(yuǎn)鏡口徑可以做得更大，對觀測波段限制更小。通常來說，鏡面加工精度越高，膜層反射率越高，越有利于觀測，但也要權(quán)衡用途和費(fèi)用。

事實(shí)上，不同的科學(xué)目標(biāo)對望遠(yuǎn)鏡的功能也有著不同的要求。白華舉例道，紅外望遠(yuǎn)鏡對制冷有很高要求，巡天望遠(yuǎn)鏡要求觀測視場大，精測望遠(yuǎn)鏡要求分辨率高。對于空間望遠(yuǎn)鏡而言，要求反射鏡質(zhì)量更輕、熱穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此也對反射鏡的加工制造提出更高的要求。其中，鏡坯制造、鏡面拋光、反射鏡鍍膜技術(shù)都是重要環(huán)節(jié)。

目前用于制作反射鏡鏡坯的材料，主要有微晶玻璃、熔石英、碳化硅、硼硅酸鹽、金屬鈹?shù)?。白華認(rèn)為，這幾種材料各有所長。

微晶玻璃和熔石英使用歷史長，技術(shù)成熟可靠，仍是地面和空間光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡主要采用的材料。硼硅酸鹽在大口徑地基望遠(yuǎn)鏡中也經(jīng)常使用，具有熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，但其比剛度僅為碳化硅材料的四分之一。

碳化硅鏡面的優(yōu)點(diǎn)是比剛度高、熱穩(wěn)定性好，但由于硬度大，導(dǎo)致其拋光難度大，對拋光技術(shù)要求高。美國3.5米赫歇爾空間紅外望遠(yuǎn)鏡采用的就是碳化硅鏡坯。

金屬鈹鏡熱容量大、比剛度高、重量輕，但金屬鈹有一定毒性，制作不易，價(jià)格也比較昂貴。美國斯必澤空間紅外望遠(yuǎn)鏡就采用了鈹鏡，詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡也采用鈹鏡。

正是基于碳化硅材料的特性，張學(xué)軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，經(jīng)歷數(shù)百次實(shí)驗(yàn)探索與工藝驗(yàn)證，突破多項(xiàng)鏡坯制備關(guān)鍵技術(shù)，建立了大口徑碳化硅鏡坯制造平臺。他們先后研制成功可用于可見光成像的2米、2.4米、3米口徑單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯，后者也是目前公開報(bào)道最大口徑的整體碳化硅反射鏡鏡坯。

造大“眼睛”有啥訣竅 打磨鍍膜一個(gè)也不能少

對觀測者來說，望遠(yuǎn)鏡口徑自然是越大越好?？蓪τ诜瓷溏R研制者而言，口徑每提升一個(gè)量級，都意味著更大的挑戰(zhàn)。

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

張學(xué)軍以4米口徑整體碳化硅鏡坯為例說道，其面形精度相當(dāng)于平整完一塊北京市面積大小的土地后，東南角和西北角的高低差在零點(diǎn)幾毫米以內(nèi)。在如此高的精度要求下，還要保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

為此，長春光機(jī)所運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)，通過采用“應(yīng)力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術(shù)，大幅度提高了非球面的制造精度和效率。

在對反射鏡光學(xué)拋光以后，為提高其反射面的反射率，鍍膜是必不可少的一環(huán)。對于反射鏡面，目前的鍍膜技術(shù)已經(jīng)能使單塊鏡面在寬波段的反射率達(dá)到98%。例如，雙子座望遠(yuǎn)鏡（Gemini）在2004年對主鏡面鍍了新的保護(hù)銀膜，在寬波段內(nèi)的平均反射率達(dá)到95%以上。

我國鍍膜技術(shù)水平如何？白華介紹，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所在高反膜研制方面走在國際前列，設(shè)計(jì)并鍍制出紫外增強(qiáng)性銀膜和金膜，在340納米―1500納米的波段范圍內(nèi)，平均反射率可達(dá)98%。這項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用在郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）光譜儀中。對于單片折射鏡片，在較寬波段，光線透過率也可達(dá)到90%以上。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們不斷研制出功能更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。張學(xué)軍表示，未來，他們研制的大口徑碳化硅反射鏡將越來越多地應(yīng)用于國產(chǎn)各型大口徑光電裝備上，讓來自中國的目光抵達(dá)宇宙的更深處。（記者 唐 婷）