給中國“千里眼”造最大“角膜”：相當於把北京五環內地面平整到高低差小於1毫米

中國神話故事中的能人異士“一目千里”，17世紀伽利略發明第一台光學望遠鏡探尋宇宙的奧秘……千百年來，人類一直有追逐視覺極限的夢想。

如果把光學望遠鏡比作人類的“千里眼”，那麼光學望遠鏡中的主反射鏡就是“角膜”。主反射鏡口徑越大，光學望遠鏡的空間分辨率越高。

把一塊1米口徑的反射鏡安裝到空間相機中，可以在幾百公里的高空看到地面上汽車的輪廓。如果把反射鏡口徑加大到4米，則可以清晰地看到汽車的天窗、後視鏡等。反射鏡口徑為2.4米的哈勃空間望遠鏡，可探測到134億光年外宇宙大爆炸時的宇宙信號。

全世界大大小小的光學望遠鏡的反射鏡中，採用碳化硅材質、口徑最大的那一塊來自中國。

長期以來，各國都將米級及以上口徑反射鏡作為戰略物資。“買不到又必須用，把我們逼上了自主創新這條路。”中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱長春光機所）所長張學軍説，這一“逼”竟讓他們製造出了全球最大口徑高精度碳化硅光學反射鏡。

下決心做“全球最大”

“原來碳化硅的性能竟比玻璃好這麼多。”1996年，時任長春光機所奧普光學材料事業部主任趙文興在俄羅斯瓦維洛夫國家光學研究院訪問，看到碳化硅反射鏡的那一刻異常振奮，感到“身體中每個細胞都被調動了起來”。

大口徑反射鏡通常採用玻璃、碳化硅、金屬鈹製作，究竟哪個才是最優選擇？20世紀70年代，美國、法國等率先實現了碳化硅反射鏡光學應用。其中，最具代表性的法國BOOSTEC公司，以製造的碳化硅反射鏡應用於蓋亞、赫歇爾、歐幾里德等望遠鏡而聞名。

長春光機所自建所以來一直研究玻璃反射鏡製造。趙文興此行所見的碳化硅反射鏡，其材料綜合性能遠優於玻璃、金屬鈹等，顯然是更適合的材質。然而，碳化硅本身為陶瓷材料，再加上硬度高，僅次於已知最硬的金剛石，用其製造反射鏡難度很大。從俄羅斯回來，他馬上向所領導彙報了相關情況。

由於空間對地觀測的敏感性，我國一度只能從國外購買口徑1米以下的“小鏡子”。科研人員希望早日實現大口徑反射鏡“中國製造”的願望。

20世紀90年代，我國載人航天工程立項，急需大口徑離軸非球面反射鏡。當時國外斷言：“中國根本加工不出離軸非球面，即使加工出來也組裝不出離軸非球面光學系統。”留學回國不久的張學軍與翁志成、餘景池等老一輩科學家，頂住壓力開發了國內首台光學數控加工機牀，並掌握了離軸非球面製造技術，將其應用於反射鏡光學加工。

經過十餘年艱苦攻關，2008年，長春光機所團隊研製出我國首套具有自主知識產權的0.7米量級碳化硅反射鏡。當時，世界上應用於可見光望遠鏡的碳化硅反射鏡最大口徑為1.5米量級，由BOOSTEC公司製造。“我們最初的思路是做到米級，先解決有無的問題，並沒想做全球最大。”張學軍説。

然而，國家的重大需求讓科研人員來不及多想。2009年9月，國家重大科研裝備研製項目啓動，張學軍和時任長春光機所光學中心主任高勁松、副主任鄭立功把大家召集到一起，宣佈將研發4米碳化硅反射鏡。

“什麼？4米！”所有人都明白，這是碳化硅反射鏡口徑的全球之最。

但現實問題是，在國內外相關技術、裝備、經驗基本為零的情況下，把4米碳化硅反射鏡做出來，不僅要突破鏡坯製備、光學加工與檢測、改性與鍍膜等關鍵技術，還要自主設計研發全鏈路集成製造系統，沒有人敢拍胸脯説“一定能成功”。

“我們要發揚老一輩科學家‘敢打敢拼，沒有條件也要創造條件幹’的精神，啃下這塊國際上還沒人啃下的‘硬骨頭’。”最後，高勁松、鄭立功帶頭表態，鼓勵大家大膽假設、充分論證，形成了4米碳化硅反射鏡全鏈路製造系統的技術方案。

一塊比一塊做得更好

2012年，第一塊4米碳化硅反射鏡坯剛出爐，還沒來得及讓張學軍看一眼，就被趙文興下令砸了。望着有較大裂紋且炸裂的鏡坯，趙文興迫不及待地想弄清楚問題究竟出在哪兒。

5個小夥子整整砸了一天半，揚起的粉塵瀰漫了整個實驗室，終於把出現裂紋的具體位置找了出來。

鏡坯製備是製造碳化硅反射鏡的第一步。把微米級的碳化硅粉末變成鏡坯，是怎樣實現的？為什麼要把燒壞的鏡坯砸了？趙文興提出了用凝膠注模成型結合反應燒結的技術路線。成型過程就像做“果凍”，先把碳化硅粉末通過凝膠注模成型，做成想要的形狀，再通過一系列工藝排出“果凍”中的水分，並將“果凍”中的有機物變成碳，形成具有毛細微孔的多孔塊體。

最後把多孔塊體與硅放到一起反應燒結，形成緻密的碳化硅反射鏡坯。此時的鏡坯是黑乎乎的一塊，大家給它起了一個綽號——“出土文物”。“反應燒結中工藝參數的選擇、控制，類似於‘蒸饅頭’需控制蒸制時間、火候、氣氛等，這對鏡坯燒結的成敗有很大影響。”長春光機所光學中心主任張舸説。

砸了第一塊鏡坯，趙文興根據裂紋出現的位置，通過模擬計算，優化了鏡坯反應燒結工藝參數，為4米碳化硅反射鏡坯的成功製備奠定了基礎。

反應燒結後的4米碳化硅反射鏡坯。

4米高温真空燒結爐。

2010年至2016年，團隊一共開展了5次4米碳化硅反射鏡坯製備試驗。第一塊、第二塊鏡坯裂紋寬度都在10毫米以上，第三塊、第四塊鏡坯裂紋逐漸縮小。直到2016年第五次試驗，鏡坯才研製成功。

在長春光機所的花園裏，至今還留有2015年研製的第四塊碳化硅反射鏡坯。它呈圓餅形，直徑4.03米，中間留有一孔，整體彷彿一隻圓溜溜的眼睛，在陽光照耀下閃動着灰藍色的光。它已經成為長春光機所一處地標性景觀。鏡面有幾條頭髮絲粗細的裂紋，但鏡前婆娑的樹影依然能纖毫畢見地映照其中。

雖然4米碳化硅反射鏡坯製備試驗只有5次，但其間1米、2米、2.5米、3米鏡坯製備試驗，他們做了若干次。失敗的次數遠比成功多，特別磨人。試驗不順利時，趙文興總會搖着頭躲進屋裏，一會兒寫一張字條遞出來，讓大家完善試驗方案；再過一會兒，他可能又興致勃勃地跑出來，找人一起總結、討論。

在張舸看來，趙文興雖然五十幾歲了，“勁頭卻像小夥子”。有一次，趙文興在所裏一邊騎自行車一邊思考科研問題，被一輛小汽車蹭到。其實，小汽車司機已按喇叭提醒他了，他因為過於專注愣是沒聽見。

加工到極致平整

加工一面普通鏡子，尚且要做到平整，對於反射鏡而言，這一要求更是達到了極致——4米碳化硅反射鏡的面形精度甚至不能超過20納米。“如果等比放大，相當於把北京五環內的地面平整到高低差小於1毫米。”張學軍説。

這麼苛刻的要求，他們是怎麼達到的？

2011年，長春光機所接到2米碳化硅反射鏡的加工任務。當時的成熟技術是小磨頭加工，但做不到“指哪兒打哪兒”。張學軍提議，將提前佈局的磁流變技術投入應用。

磁流變具有拋光精度高、材料去除確定性高等優點，可實現近零亞表面損傷和納米級精度拋光。美國QED公司掌握了磁流變的核心技術，但公開報道中最大隻做到1.8米反射鏡。之後，再無任何更大口徑的反射鏡論文發表。

能否採用磁流變技術超越國外的拋光水平，團隊一開始心裏沒底。他們做好兩手準備，一方面向國外訂購2米反射鏡，另一方面積極自主研發。可是錢已付給了國外廠商，對方也完成了加工，臨交貨卻以“許可證過期”為由拒絕供貨。

“背水一戰”的局面，激發了科研人員的最大斗志。團隊成員劉振宇、李龍響、李英傑等不分晝夜地刻苦攻關，終於將2米碳化硅反射鏡打磨成功。這是世界上首次將磁流變技術投入到大口徑反射鏡的工程應用中。

後來，2米碳化硅反射鏡製造技術應用在巡天空間望遠鏡上。這台望遠鏡是未來十年國際上最重要的空間天文觀測儀器之一，被稱為“中國哈勃”。

還沒等大家鬆一口氣，打磨4米碳化硅反射鏡的任務又來了。這時，精度和效率的矛盾凸顯出來：採用同樣的工序，加工2米反射鏡需要8個月，而加工4米反射鏡則需要64個月，很難做到又快又好。

李龍響介紹，磁流變拋光技術中的拋光輪是一個碩大的輪子，重達上百公斤。它在離鏡面不到2毫米的空間作業，稍微控制不好就會觸碰鏡面形成裂紋，導致反射鏡報廢。即便一切順利，能否加工出精度合格的反射鏡也是未知數。

使用原有的小磨頭、應力盤等技術頂多是延長工期，可一旦磁流變技術失敗，就是反射鏡有無的問題。敢不敢冒這個險？大家躊躇不決。最後，還是張學軍拍板：“你們放心大膽去用磁流變，只要足夠細心，咱們肯定能夠成功。”

在長春光機所光學樓的4米加工實驗室，科研人員夜以繼日採用砂輪磨削、小磨頭、磁流變等技術，將4米碳化硅反射鏡的面形精度從毫米加工到納米。反射鏡最終的面形精度達到15.2納米，實現了國際領先。

銑磨後的4米碳化硅反射鏡。

4米磁流變拋光裝備。

讓“出土文物”明眸善睞

對於碳化硅反射鏡製造來説，改性能讓反射鏡表面更加平整，鍍膜則堪稱“點睛之筆”。只有鍍了膜，它才有神采，才能明眸善睞。

4米碳化硅反射鏡採用真空鍍膜工藝。國外的大口徑改性/鍍膜裝備幾乎都是圓形的，長春光機所的改性/鍍膜裝備卻是長方形的。這又是為什麼呢？

其實，團隊最初使用的也是圓形改性/鍍膜裝備，但他們很快發現，圓形改性/鍍膜裝備要求反射鏡中心必須有一個孔，否則鍍膜後的反射鏡將無法使用。

“可不可以讓固定的靶材‘跑’起來？”一個大膽的想法在高勁松腦海中閃現。這樣一來，即使將來反射鏡中間沒有孔，也能順利完成鍍制，改性/鍍膜裝備也因此變成了獨特的方形。採用該裝備，長春光機所在4米口徑範圍內將膜厚不均勻性控制在5%以內。

然而，實驗樣品剛從裝備裏拿出來時還不錯，但不一會兒膜層就一點點開裂、剝落。有時像放煙花一樣，星星點點的小碎末往上蹦；有時形成一條條“小裂谷”，膜層從鏡面成片翹起。沒過多久，整個鏡面佈滿灰塵一樣的碎末，一吹便散了。最差的時候，不到一個小時膜層就掉得乾乾淨淨。看到這樣的場景，團隊成員急得在辦公室裏來回踱步。

高勁松、時任長春光機所光學中心薄膜室主任王笑夷帶領團隊進行研究，經過團隊成員劉震、劉海、王延超等半年多的反覆實驗和調整才找到合適的工藝參數，最終將磁控濺射技術應用於4米碳化硅反射鏡表面改性/鍍膜。這在國內外都屬於首次。

鍍膜後的4米碳化硅反射鏡。

4米磁控濺射鍍膜機。

他們最終完成了改性膜層/高反射膜層的鍍制，此時的4米碳化硅反射鏡才算“破繭成蝶”，蜕變成真正的反射鏡。至此，國際上公開報道口徑最大的4.03米碳化硅反射鏡研製成功。

實現全鏈路製造

大口徑反射鏡在高分辨率空間對地觀測、深空探測、天文觀測等領域具有迫切需求，國內多家科研機構、高校相繼開展了相關研究。其中，中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國建築材料科學研究總院、哈爾濱工業大學等以碳化硅反射鏡坯製備為主，北京空間機電研究所、中國科學院光電技術研究所等以反射鏡加工技術為主，長春光機所則以碳化硅反射鏡坯製備、光學加工與檢測、改性與鍍膜等全鏈路製造為目標。

為什麼要做全鏈路？這與長春光機所建所以來，王大珩等老一輩科學家提出的科研單位要“一竿子插到底”的目標密切相關。他們本着“時時放心不下、處處放心不下”的危機感，主張從基礎理論到研究、設計、製造、裝調、檢驗和試驗所有環節入手，為社會經濟和國家安全提供重要裝備。

在4米碳化硅反射鏡技術攻關過程中，長春光機所自主設計、研製了以4米高温真空燒結爐、4米磁流變拋光裝備、FSGJ-4型非球面數控光學加工中心、4米磁控濺射鍍膜機為代表的反射鏡坯製備、光學加工與檢測、改性與鍍膜所需的30餘台套大型裝備，並自主開發了磁流變拋光控制、數控加工控制、3D輪廓檢測、面形檢測、膜層厚度檢測等反射鏡加工及檢測軟件，真正實現了大口徑碳化硅反射鏡全鏈路製造。

多功能立式光學檢測裝備。長春光機所供圖

2018年8月，國家重大科研裝備研製項目“4米量級高精度SiC非球面反射鏡集成製造系統”順利通過驗收。中國工程院院士金國藩、潘君驊等驗收組專家認為：“該項目是我國在大口徑光學制造領域的重大技術突破，形成了大口徑系列反射鏡研製能力，為我國大型光電系統研製解決了核心技術難題。”

2018年12月，在“大口徑碳化硅光學複雜曲面高效高精度製造技術”科技成果鑑定中，中國工程院院士姜會林等鑑定組專家認為：“該項目研發難度極大，創新性與引領性很強，核心關鍵技術、原材料、軟件和裝備完全自主可控，具有自主知識產權，研究成果整體達到國際領先水平。”

目前，長春光機所研製的大口徑碳化硅反射鏡已應用於多項國家重大工程任務。與此同時，長春光機所面向國民經濟主戰場，立足團隊研究成果，孵化了多家高新技術企業，實現了以碳化硅陶瓷及其複合材料製品、中大口徑非球面及自由曲面的高端精密光學元件加工與檢測裝備、新型光譜濾光片及基於光譜濾光片的成像光譜儀等為代表的高科技成果轉化。延伸出來的技術、產品已經開花結果，廣泛應用於我國半導體裝備製造、汽車、生物醫療、食品衞生、現代農業等領域，有力促進了相關產業轉型升級、快速發展。

（《中國科學報》 記者 温才妃）