中科院長春光機所先進光學系統制造研究團隊經過近20年技術攻關，攻克了大口徑碳化硅鏡坯制備、加工工藝、檢測方法、改性鍍膜等核心關鍵技術，突破了高結構剛度復雜曲面碳化硅光學反射鏡先進制造技術，建立了4m量級大口徑碳化硅非球面反射鏡全鏈路集成制造系統，完成了世界最大口徑碳化硅非球面反射鏡的高精度制造。

該成果發表在Light: Science & Applications，題為Challenges and strategies in high-accuracy manufacturing of the world's largest SiC aspheric mirror（世界最大口徑碳化硅非球面反射鏡高精度制造中的挑戰及對策 ）。

中科院長春光機所是第一單位，論文的第一作者/通訊作者為中科院長春光機所張學軍研究員。

古人云“四方上下曰宇，古往今來曰宙”，人類對于宇宙的觀察以及思考可以追溯到公元前幾千年的堯舜時代。直到伽利略第一次使用光學望遠鏡對天體進行觀測，人類才對宇宙有了更為直觀的認識。隨著現代科技發展，人類觀測宇宙的范圍越來越大，對望遠鏡系統的性能要求越來越高。光學望遠鏡系統關鍵性能指標——角分辨率和能量收集能力，都和光學系統通光口徑直接相關。中科院長春光機所制造的4m口徑碳化硅非球面反射鏡將極大提升望遠鏡角分辨力和能量收集能力，對推動我國空間探測、天文觀測等領域的快速發展具有重要戰略意義。

圖1：世界口徑最大的(?4m)碳化硅非球面反射鏡

應用于高性能成像的光學制造技術對反射鏡材料、口徑、曲面類型、面形誤差、表面粗糙度等提出了嚴苛的要求，帶來了多方面嚴峻的挑戰。

1、碳化硅鏡坯的制備過程伴隨著復雜的物理相變和化學反應，國際上現有工藝難以突破2m量級，面向可見光波段應用的?2.5m以上碳化硅鏡坯制備工藝和設備尚屬國際空白；

2、國際上一般利用CVD技術對大口徑碳化硅非球面進行表面改性，通常需要對基底加熱到600℃以上，所產生的大溫度梯度容易導致反射鏡發生不可逆變形；

3、非球面反射鏡制造難度與口徑三次方成正比、碳化硅是已知最堅硬的四種無機材料之一，使用常規手段與工藝，加工難度高、收斂效率低，最終面形檢測精度也受儀器動態范圍、氣流擾動等因素制約。

直面嚴峻挑戰，中科院長春光機所歷經多年技術攻關，提出了一整套解決方案：

1、針對碳化硅鏡坯制備過程內應力大、口徑受收縮比限制難以突破2m的難題，解決了背部半封閉超輕量化素坯成型、無宏觀裂紋干燥、同質微觀結構連結等技術難題，完成了?4m碳化硅輕量化鏡坯的制備；

2、針對大口徑碳化硅非球面常規制造精度差、效率低，CVD改性技術溫度高、應力變形大等難題，提出了高效高精度收斂組合加工等技術，開發了光學制造軟件平臺SLAM，全頻段面形誤差收斂效率提高了30%，完成了?4m碳化硅非球面反射鏡的高精度確定性制造；

圖2：高效高精度收斂組合加工技術

3、針對?4m非球面面形檢測手段動態范圍低、長光路檢測存在氣流擾動等難題，提出了大口徑非球面面形誤差跨尺度/多方法組合檢測技術，實現了?4m反射鏡表面形貌誤差的高精度檢測。

圖3：?4m反射鏡面形誤差干涉檢測結果

中科院長春光機所經過多年潛心研究，突破了大口徑輕量化碳化硅材料制備技術、大口徑碳化硅非球面加工檢測技術、大口徑碳化硅改性鍍膜技術，完成了?4m碳化硅反射鏡的高精度制造，打破了國外在大口徑非球面制造技術的壟斷地位，形成了具備自主知識產權的4m量級大口徑反射鏡研制能力，填補了多項國內空白，大幅提升了我國在高性能大型光學儀器的研制水平。所制造的世界上口徑最大的碳化硅非球面反射鏡已經在天文觀測等領域開展應用，使得人類在觀測宇宙時又多了一只“大眼睛”。“天高地迥，覺宇宙之無窮”，浩渺無窮的宇宙，還在等待人們的探索與研究。

| 論文信息 |

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).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00994-3

閱讀原文