研究室动态 研究室动态

回到完整页面
«返回

内容

大口径离轴非球面镜预应力环抛技术取得突破

国际天文界在研制成功8-10 米级望远镜的基础上,已开始30米级极大口径光学/红外望远镜建设,一架30 米口径的望远镜集光面积,几乎与现有8-10 米级望远镜总和相当。极大口径光学/红外望远镜的主镜,一般由数百块口径1 到2 米的离轴非球面子镜拼接而成。

由于子镜口径大,精度高,其研制技术成为所有极大望远镜必须攻克的难题。从KECK、GTC 等10 米望远镜研制中发展的预应力镜面加工技术只能应用于10米望远镜30余块子镜的研制,而巨型望远镜的子镜数量为10米望远镜的几十倍,沿用此技术需要很长的加工时间,无法满足科学和工程需求。当前国外多家公司正在开展此项研究,多数是通过同型号设备的堆积实现量化增加和周期缩短,并无新的技术突破。

南京天文光学技术研究所在国家自然科学基金委资助下,首先提出预应力环抛技术概念并开展了相关研究,该项技术的基础是预应力镜面加工技术和大口径镜面环抛技术。利用预应力技术,可以改变离轴非球面磨制方式,同时避免了小磨头带来的高频误差;利用环抛技术,可以同时磨制多块子镜,大大提高了磨制效率;上述两种技术有机融合,能同时满足大批量子镜高面型精度和高磨制效率的要求。

基于中国极大口径光学望远镜的设计,2009 年技术人员磨制了一块离轴抛物面,顶点曲率半径21.6米, 离轴量3.6米,离轴口径Φ330mm,达到了比较理想的效果。图1 给出了相关结果。连续抛光大约40 小时以后,镜面误差趋于恒定,其均方值为0.327λ。经过最终修抛并切成正六边形以后,表面误差的均方值优于0.02λ。

本方法引起了美国TMT 项目的重视,在国家天文台协调下与TMT 项目合作开展了批量离轴非球面磨制方法的试验。利用现有的3.6米环抛设备,研制了1米级子镜的预应力加载装置和检验设施,于2014 年底完成了两块口径为1.1 米的TMT 主镜缩比子镜研制,两块子镜离轴量分别为8米和12米,对应TMT主镜上不同区域的子镜,在较短时间的预应力环抛工序后,均达到了TMT项目子镜第一阶段的研制要求(结果如图2)。在2015年3月的评估会上,该研究结果得到了TMT 项目的认可(见图3)。

图1.左上图为预应力环抛试验,右上图为预应力环抛结果。左下图为镜面抛光收敛过程示意图,右下图为切成六边形镜面干涉条纹。

图2 离轴量分别为8 米和12 米的两块试验镜的抛光结果    

图3 摘自进展评估报告

高精度非球面子镜研制是极大口径光学望远镜研制的核心技术之一,预应力环抛技术对于研制下一代极大口径光学望远镜具有重要意义,本技术同时也可应用于其他有批量非球面研制需求的行业。