工欲善其事，必先利其器。大口徑天文望遠鏡，一直是天文學家孜孜以求的利器。

近日，從長春傳來了好消息。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所承擔的“4米量級高精度sic非球面反射鏡集成制造系統”項目通過了驗收。驗收專家組認為，該項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制造領域的重大技術突破。這意味著，我國深空探測、天文觀測系統以及空間對地觀測未來有可能用上更大口徑的國產核心元件——光學反射鏡。

那么，對天文觀測而言，更大的口徑天文望遠鏡意味著什么？反射鏡晶體有不同的材料可供選擇，它們各有什么優缺點？鍍膜技術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？科技日報記者就此采訪了相關專家。

為啥要造大鏡片 為了看得更遠更清楚

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

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

在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所副所長張學軍看來，為了提高光學望遠鏡的分辨率，科學家對更大口徑望遠鏡的追求是無止境的。

在光學望遠鏡中，能夠分辨兩個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鏡主鏡的直徑決定的。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。

事實上，自1609年伽利略使用天文望遠鏡仰望星空以來，望遠鏡一直在向更大口徑發展。漸漸變大的“眼睛”，使光學系統觀測能力不斷提升。

張學軍舉例道，口徑2.4米的哈勃太空望遠鏡，最遠已經觀測到了距離地球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）衛星相機，對地分辨率可達0.1米。

為了獲得更大口徑的望遠鏡，科學家發展出鏡面拼接技術，將幾塊較小口徑的鏡片拼接在一起，協力運作，實現較大口徑鏡片才有的觀測效果。白華介紹，這項技術使得建造8米以上的光學望遠鏡成為可能。

鏡坯材料哪家強 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、先進的望遠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鏡的主體結構多為反射式望遠鏡。這主要是因為反射式望遠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，但也要權衡用途和費用。

事實上，不同的科學目標對望遠鏡的功能也有著不同的要求。白華舉例道，紅外望遠鏡對制冷有很高要求，巡天望遠鏡要求觀測視場大，精測望遠鏡要求分辨率高。對于空間望遠鏡而言，要求反射鏡質量更輕、熱穩定性更強，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、反射鏡鍍膜技術都是重要環節。

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、金屬鈹等。白華認為，這幾種材料各有所長。

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

碳化硅鏡面的優點是比剛度高、熱穩定性好，但由于硬度大，導致其拋光難度大，對拋光技術要求高。美國3.5米赫歇爾空間紅外望遠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，價格也比較昂貴。美國斯必澤空間紅外望遠鏡就采用了鈹鏡，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡也采用鈹鏡。

正是基于碳化硅材料的特性，張學軍帶領團隊另辟蹊徑，經歷數百次實驗探索與工藝驗證，突破多項鏡坯制備關鍵技術，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 打磨鍍膜一個也不能少

對觀測者來說，望遠鏡口徑自然是越大越好。可對于反射鏡研制者而言，口徑每提升一個量級，都意味著更大的挑戰。

為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量，光學系統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。

張學軍以4米口徑整體碳化硅鏡坯為例說道，其面形精度相當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幾毫米以內。在如此高的精度要求下，還要保證其結構穩定性。

為此，長春光機所運用計算機控制光學表面成形技術，通過采用“應力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術，大幅度提高了非球面的制造精度和效率。

在對反射鏡光學拋光以后，為提高其反射面的反射率，鍍膜是必不可少的一環。對于反射鏡面，目前的鍍膜技術已經能使單塊鏡面在寬波段的反射率達到98%。例如，雙子座望遠鏡（gemini）在2004年對主鏡面鍍了新的保護銀膜，在寬波段內的平均反射率達到95%以上。

我國鍍膜技術水平如何？白華介紹，南京天文光學技術研究所在高反膜研制方面走在國際前列，設計并鍍制出紫外增強性銀膜和金膜，在340納米—1納米的波段范圍內，平均反射率可達98%。這項技術已成功應用在郭守敬望遠鏡（lamost）光譜儀中。對于單片折射鏡片，在較寬波段，光線透過率也可達到90%以上。

隨著技術的不斷進步，人們不斷研制出功能更強大的望遠鏡。張學軍表示，未來，他們研制的大口徑碳化硅反射鏡將越來越多地應用于國產各型大口徑光電裝備上，讓來自中國的目光抵達宇宙的更深處。

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