前不久，由長春光機所承擔的國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度碳化矽非球面反射鏡集成制造系統”通過項目驗收。這是公開報道的世界上最大口徑碳化矽單體反射鏡。該成果的取得，也標誌著我國光學系統制造能力躋身國際先進水平，為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。這個直徑4米、重達1.6噸的“大鏡子”猶如壹個巨大的環形圓盤——如果把它裝到望遠鏡裏，將極大提升其分辨率。“現代大口徑光學系統均采用反射式結構，其中主鏡口徑直接決定了系統的分辨能力，口徑越大，光學望遠鏡的分辨率和精度就越高。”4米碳化矽反射鏡項目驗收專家、中國工程院院士姜會林說。
造大口徑反射鏡，實屬不易。“反射鏡口徑的上限取決於制造加工能力。同時，為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量，反射鏡必須具有非常高的面型精度。”長春光機所副所長張學軍介紹，以可見光波段觀測為例，面型精度要求至少在1/30以上波長，這就好比將4米反射鏡放大到壹個城市大小,進行土地平整，並要求東南角和西北角的高低差在正負零點幾毫米以內，土地平整度要小於1毫米。這對反射鏡鏡坯材料和光學加工技術都提出了極為嚴苛的要求。
對於反射鏡鏡坯而言，材料的比剛度和熱穩定性必須盡可能大，這樣隨著口徑的增大，材料的剛性仍然可以保證面型的穩定，受熱環境影響較小，並且有利於減輕系統重量。
國際上常用的反射鏡鏡坯材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化矽、金屬鈹等，碳化矽以其優異的比剛度和熱穩定性成為反射鏡備選材料的寵兒。碳化矽雖然性能優良、導熱快、受熱變形小，但比起微晶玻璃等其他原材料，其制造難度也更大——碳化矽本身屬於陶瓷，口徑壹旦增大，燒結很容易出現裂紋甚至破碎，壹度被認為無法突破1.5米的口徑極限。
大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術壹直被少數西方國家掌握，我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡的能力。”張學軍坦言。為打破壟斷，20世紀90年代末，長春光機所就已布局光學級碳化矽陶瓷材料研究。團隊耗時10余年、經歷數百次實驗探索與工藝驗證，先後突破1米、2米口徑碳化矽反射鏡鏡坯，終於在2016年成功研制出4米口徑碳化矽鏡坯。鏡坯有了，但碳化矽極高的硬度也給加工方法帶來新挑戰。此外，碳化矽在光學粗拋光後表面有細微缺陷，這會影響反射率等光學性能，因此需要通過後續工藝改進表面特性。項目組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；同時采用擺臂輪廓儀檢測、光學零位補償幹涉測量等先進檢測技術，實現對4米反射鏡的原位檢測。最終，經過精拋光的反射鏡鍍膜後反射率達到95%以上，具備工程化應用條件，實現了4米大口徑非球面反射鏡的高精度光學加工。僅僅掌握4米反射鏡制造工藝，並不算自主掌握核心技術。”張學軍說，與加工工藝同等重要的，還有完成4米反射鏡制造所需全套制造裝備的研發。圍繞反射鏡研制流程，項目完成了3個子系統、10余套加工檢測設備研制，全部來自自主知識產權。目前，由長春光機所研發的2米量級口徑反射鏡已在實際工程中應用；2022年，在中國空間站的多功能光學設施上，將使用我國自主研制的大口徑反射鏡；在不遠的將來，4米量級反射鏡也將應用在我國新壹代光電觀測系統中。