仰望苍穹,大“眼睛”有大本事

2018年09月06日08:33  来源:科技日报
 

  拼装中的詹姆斯·韦伯望远镜镜片

  工欲善其事,必先利其器。大口径天文望远镜,一直是天文学家孜孜以求的利器。

  近日,从长春传来了好消息。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所承担的“4米量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统”项目通过了验收。验收专家组认为,该项目形成了大口径系列反射镜研制能力,是我国在大口径光学制造领域的重大技术突破。这意味着,我国深空探测、天文观测系统以及空间对地观测未来有可能用上更大口径的国产核心元件——光学反射镜。

  那么,对天文观测而言,更大的口径天文望远镜意味着什么?反射镜晶体有不同的材料可供选择,它们各有什么优缺点?镀膜技术对于提高观测效率有什么帮助?不同的观测需求对反射镜制造提出了哪些要求?科技日报记者就此采访了相关专家。

  为啥要造大镜片 为了看得更远更清楚

  作为天文望远镜最为重要的部件,有人将用于折射或反射光线的镜片比作是望远镜的“眼睛”。望远镜的“眼睛”越大越好吗?

  对此,中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所副研究员白华给出了肯定的答案。她指出,望远镜口径越大,集光能力越强,能够观测到更暗弱的天体,而且望远镜的空间分辨率也更高,能够观测到天体更多的细节。

  在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副所长张学军看来,为了提高光学望远镜的分辨率,科学家对更大口径望远镜的追求是无止境的。

  在光学望远镜中,能够分辨两个相邻物像的极限分辨角越小,其分辨率就越高。而极限分辨角是由光的波长和望远镜主镜的直径决定的。同样的波长下,主镜的直径越大,极限分辨角就越小,这意味着能看清楚更小的物体。

  事实上,自1609年伽利略使用天文望远镜仰望星空以来,望远镜一直在向更大口径发展。渐渐变大的“眼睛”,使光学系统观测能力不断提升。

  张学军举例道,口径2.4米的哈勃太空望远镜,最远已经观测到了距离地球134亿光年的宇宙深处;口径3.67米AEOS地基望远镜,能探测近地轨道上0.1米大小的碎片;口径超过3米的锁眼12(KH-12)卫星相机,对地分辨率可达0.1米。

  为了获得更大口径的望远镜,科学家发展出镜面拼接技术,将几块较小口径的镜片拼接在一起,协力运作,实现较大口径镜片才有的观测效果。白华介绍,这项技术使得建造8米以上的光学望远镜成为可能。

  镜坯材料哪家强 微晶玻璃、碳化硅各有所长

  尽管我们听说过许多不同的天文望远镜的名字,但总体而言,它们大致可以分为三类:折射式、反射式、折反射式。目前主流、先进的望远镜采用的是哪种形式?

  白华介绍,一般而言,目前用于天文观测的大望远镜的主体结构多为反射式望远镜。这主要是因为反射式望远镜口径可以做得更大,对观测波段限制更小。通常来说,镜面加工精度越高,膜层反射率越高,越有利于观测,但也要权衡用途和费用。

  事实上,不同的科学目标对望远镜的功能也有着不同的要求。白华举例道,红外望远镜对制冷有很高要求,巡天望远镜要求观测视场大,精测望远镜要求分辨率高。对于空间望远镜而言,要求反射镜质量更轻、热稳定性更强,因此也对反射镜的加工制造提出更高的要求。其中,镜坯制造、镜面抛光、反射镜镀膜技术都是重要环节。

  目前用于制作反射镜镜坯的材料,主要有微晶玻璃、熔石英、碳化硅、硼硅酸盐、金属铍等。白华认为,这几种材料各有所长。

  微晶玻璃和熔石英使用历史长,技术成熟可靠,仍是地面和空间光学红外望远镜主要采用的材料。硼硅酸盐在大口径地基望远镜中也经常使用,具有热膨胀系数小等特点,但其比刚度仅为碳化硅材料的四分之一。

  碳化硅镜面的优点是比刚度高、热稳定性好,但由于硬度大,导致其抛光难度大,对抛光技术要求高。美国3.5米赫歇尔空间红外望远镜采用的就是碳化硅镜坯。

  金属铍镜热容量大、比刚度高、重量轻,但金属铍有一定毒性,制作不易,价格也比较昂贵。美国斯必泽空间红外望远镜就采用了铍镜,詹姆斯·韦伯太空望远镜也采用铍镜。

  正是基于碳化硅材料的特性,张学军带领团队另辟蹊径,经历数百次实验探索与工艺验证,突破多项镜坯制备关键技术,建立了大口径碳化硅镜坯制造平台。他们先后研制成功可用于可见光成像的2米、2.4米、3米口径单体碳化硅镜坯和4米口径整体碳化硅镜坯,后者也是目前公开报道最大口径的整体碳化硅反射镜镜坯。

  造大“眼睛”有啥诀窍 打磨镀膜一个也不能少

  对观测者来说,望远镜口径自然是越大越好。可对于反射镜研制者而言,口径每提升一个量级,都意味着更大的挑战。

  为了保证望远镜的分辨率和成像质量,光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求,这种精度要求不会随着口径的增大而降低。

  张学军以4米口径整体碳化硅镜坯为例说道,其面形精度相当于平整完一块北京市面积大小的土地后,东南角和西北角的高低差在零点几毫米以内。在如此高的精度要求下,还要保证其结构稳定性。

  为此,长春光机所运用计算机控制光学表面成形技术,通过采用“应力盘”抛光、磁流变抛光等组合加工技术,大幅度提高了非球面的制造精度和效率。

  在对反射镜光学抛光以后,为提高其反射面的反射率,镀膜是必不可少的一环。对于反射镜面,目前的镀膜技术已经能使单块镜面在宽波段的反射率达到98%。例如,双子座望远镜(Gemini)在2004年对主镜面镀了新的保护银膜,在宽波段内的平均反射率达到95%以上。

  我国镀膜技术水平如何?白华介绍,南京天文光学技术研究所在高反膜研制方面走在国际前列,设计并镀制出紫外增强性银膜和金膜,在340纳米—1500纳米的波段范围内,平均反射率可达98%。这项技术已成功应用在郭守敬望远镜(LAMOST)光谱仪中。对于单片折射镜片,在较宽波段,光线透过率也可达到90%以上。

  随着技术的不断进步,人们不断研制出功能更强大的望远镜。张学军表示,未来,他们研制的大口径碳化硅反射镜将越来越多地应用于国产各型大口径光电装备上,让来自中国的目光抵达宇宙的更深处。(唐 婷)

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