出品：科普中国
制作：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 周立勋 肖含
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2018年8月21日， 中科院长春光机所研制的4.03米大口径碳化硅反射镜成功通过验收 。 这也是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜 。 这一成果标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平， 为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础 。
口径决定观测极限
自1609年伽利略发明天文望远镜以来， 无论是从地面仰望星空， 还是从空间俯瞰大地、纵观寰宇， 想要使光学系统的观测能力不断提升， 都离不开一个关键——口径 。
基于几何光学中的瑞利判据可知， 在光学望远镜中， 能够分辨两个相邻物像的极限分辨角(θ)越小， 光学望远镜的分辨率就越高， 而极限分辨角是由光的波长(λ)和主反射镜的直径(D)决定的， 因此， 为了提高光学望远镜的分辨率， 对更大口径主反射镜的需求是无止境的 。
从天文观测（深空探测）到空间对地观测， 大口径望远镜自诞生以来就不断拓展着人类观测的极限 。
哈勃望远镜（图片来源：www.augspc.com）
著名的哈勃太空望远镜， 口径达到了2.4米， 最远已经观测到了距离地球134亿光年的宇宙深处， 让我们观察到宇宙更加接近诞生之时的状态 。
3.67m AEOS（Advanced Electro Optical System） 先进光电望远镜
AEOS地基望远镜， 口径3.67米， 能探测近地轨道上0.1米大小的碎片， 成功观测到了哥伦比亚号事故的症结所在， 为日后避免惨剧再次发生提供了相关依据 。
锁眼12（KH-12）卫星相机， 口径超过3米， 对地分辨率可达0.1米， 这也是目前人类可以获得的、分辨率最高的空间对地遥感数据……
造大口径反射镜 为什么这么难？
现代大口径光学系统均采用反射式结构， 其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力， 同时也是系统中制造难度最大的核心关键；当口径超过一定量级时， 会对光学材料和光学加工均带来巨大的挑战 。
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 。 对于大口径光学系统而言， 这种精度要求不会随着口径的增大而降低 。
以可见光波段观测的为例， 面型精度要求至少在三十分之一以上波长（λ/30， RMS值优于20nm）， 这就好比将4米反射镜放大到北京市大小,进行土地平整， 土地平整度要小于1毫米 。 如此高的面形精度， 对于反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了苛刻要求 。
十余年攻关 造就我国的“大眼睛”
长春光机所是如何满足上述“苛刻的要求”， 制造出大口径反射镜的呢？
镜坯制造
对于反射镜镜坯而言， 反射镜材料的比刚度（E/ρ）和热稳定性(λ/α)必须尽可能大， 这样随着口径的增大， 材料的刚性仍然可以保证面型的稳定， 受热环境影响较小， 并且有利于减轻系统重量 。
国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍等， 其中以碳化硅（SiC）的比刚度和热稳定性最优， 因此成为反射镜备选材料的宠儿 。
经反应烧结后的4m碳化硅反射镜毛坯， 是不是离你眼中的“镜子”还比较远？
然而， 大口径反射镜镜坯制造和反射镜加工技术一直被美国、法国、德国等少数西方国家掌握， 我国始终不具备自主制造4米量级大口径反射镜能力 。 在此情况下， 中科院长春光机所历经10余年攻关， 于2016年研制出拥有完全自主知识产权的、世界上最大口径的4.03米碳化硅反射镜坯 。
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