如果把大型光學望遠鏡比作“千里眼”，那麽主反射鏡就是這隻“千里眼”的核心部件——“角膜”。張舸研究員的工作就是給“千里眼”配上“角膜”。隨著技術的進步，要求光學儀器的分辨率越來越高，希望光學儀器看得越遠，看得越清楚，為此張舸研究員和他的團隊克服了一系列技術難題成功研製出世界最大口徑的碳化矽反射鏡坯，為中國國防建設和空間探測與開發事業的發展起到了無與倫比的推動作用。
張舸
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員
以下內容為張舸演講實錄：
我叫張舸，來自中科院長春光機所，今天我報告的題目是：為“千里眼”配“角膜”。
400年前，意大利有一個人叫伽利略，他將一個凸透鏡和一個凹透鏡放在一個光學鏡筒上面，發明了世界上第一台望遠鏡。我們利用這台望遠鏡可以看到遙遠的星空，也開創了人類利用光學儀器來探索整個世界的開端。
這台望遠鏡相當於為我們配備了“千里眼”，就像葫蘆娃一樣，使人類的視力得到了極大的增長。“千里眼”的主要元器件，就是剛才我說的兩個反射鏡，是一種光學材料。我們團隊的工作就是為“千里眼”研製光學材料，我們把它比喻成“角膜”。
建國之初，為了發展中國的兵工光學儀器和民用光學儀器，在長春建立了儀器館，首任館長是“中國光學之父”王大珩先生。建所的時候，王大珩先生看到了光學材料對光學儀器的重要性，便向當時的東北政府申請了40萬元的專用經費，邀請當時在上海耀華玻璃廠就職的龔祖同先生一起進行光學玻璃的研製。
得到消息之後，龔祖同先生非常高興，於1951年來到長春，為光學玻璃的建設進行了基礎的配備。由於王大珩先生和龔祖同先生早年在國外求學的專業經歷與光學玻璃息息相關，因此，他們大概花了兩年的時間就熔煉出國內第一堝光學玻璃。
熔煉之後，龔祖同先生心情非常舒暢，從這段話中我們可以看到，他喜悅的心情溢於言表，而且對光學玻璃非常重視。
下圖就是中國的第一堝光學玻璃，它被加工成很多光學鏡片，應用在光機所引以自豪的“八大件”上。
“八大件”是我們光機研製的一些光學儀器，應用在兩彈一星以及其他科研工作中。
下面的圖非常模糊，是當時熔煉光學玻璃的廠房和一些設備。雖然這幅圖比較模糊，但我們還是可以看到當時的工作條件是非常艱苦的。在這麽艱苦的條件下，我們老一輩的科學家為中國創造了許多的第一。為此，我們向他們表示致敬。
但是，隨著社會的發展、技術的進步，對光學儀器的分辨率要求越來越高，我們希望光學儀器能看得更遠，看得更清楚，這對光學材料提出了更高的要求，要求它的口徑越來越大。
為什麽要求口徑大？因為口徑大，可以讓我們看得更遠，看得更清楚。大家看這幾張圖片，這些是我們在同一高度，用不同口徑的反射鏡看到的圖片效果：用0.5米口徑的反射鏡，看到的圖片非常模糊，相當於在光學儀器面前放了一塊毛玻璃，什麽也看不清楚。
用1米口徑的光學儀器看物體，基本上能分辨一些資訊，但是還不是很滿意；
2米口徑是這樣的狀態；
如果用4米口徑的光學儀器來探測同樣的事物，清晰度非常好，而且把照片放大，甚至可以看到汽車的一些細節，比如天窗、後照鏡等。
所以，從瑞利判據來看，一個光學儀器的極限分辨角與它的口徑成反比，口徑越大，它的極限分辨角越小，我們看到的物體就越清楚，而且可以看到更遠的物體。
對於光學材料，如光學玻璃這種透射式的材料，隨著口徑的增大，內應力消除非常困難，因此，在20世紀5、60年代，光學玻璃慢慢被淘汰，發展出一些反射式的光學材料，其中就包括今天我所說的碳化矽陶瓷。
為什麽碳化矽陶瓷得到了大家的認同？它有幾個優勢：第一，碳化矽陶瓷重量非常輕，用專業的術語來說，就是碳化矽陶瓷的比剛度非常大，是玻璃的近四倍。
輕的優勢帶來什麽好處呢？下圖左邊是哈勃望遠鏡2.4米口徑的主反射鏡，由於它採用玻璃材料，所以重量達928千克。如果選用碳化矽材料，那麽它的重量只有200多千克。
如果我們用相同的火箭去發射哈勃望遠鏡，可以發射四個選用碳化矽陶瓷製備的望遠鏡，這樣一方面能夠降低發射費用，另一方面可以提高發射效率。目前一彈多星能夠發射成功，一方面得益於火箭技術的進步，另一方面得益於光學儀器對先進材料的選擇。
第二，碳化矽陶瓷的導熱率非常大，大概是玻璃的100多倍。我們做個比喻，熱量在碳化矽陶瓷中的傳播速度就像高鐵一樣迅速。這樣，碳化矽陶瓷反射鏡的均勻性是能夠保證的。
碳化矽陶瓷很快能夠實現溫度平穩，而對玻璃來說長時間也很難達到這樣一個比較理想的狀態。但是，任何事物都是有兩面性的，碳化矽也不例外。
它的弱勢有兩點：一是它的硬度非常高，如果採用摩氏硬度來評價，金剛石的硬度值大概是10，碳化矽的硬度是9.5以上，碳化矽的硬度僅次於金剛石。如果要把碳化矽陶瓷打磨成一個反射鏡，只能選用金剛石材料，那麽，便會帶來成本的提高和加工效率的降低。
二是碳化矽陶瓷加工到一定精度的難度非常大，並且其精度要求非常高。如果把一個1.5米口徑的碳化矽反射鏡加工到所需要的精度，相當於我們開著壓路機，對整個北京市的地面做一個平整。
從東北角的順義到西南角的房山，61公里的範圍內，它的精度值需要達到多少？ 0.5毫米以下。相當於從順義到房山的61公里的範圍之內，地面的高低起伏，不能高於五張A4紙疊起來的厚度。
這個難度，大家可以想象是非常難的。基於這種難度，大家對材料也有了另外一些認識，它的綜合性能吸引了很多科學家去做更深一步的探討，這其中就包括我的老師趙文興研究員。
1983年，他師從王大珩院士，也是王大珩院士的第一批博士生。1988年左右畢業後，趙文興老師留所跟王大珩院士一起進行了光學材料精密退火工藝以及理論方面的研究工作。
隨著時間的推移，光學玻璃受到了一些限制，我的老師在將近50歲的時候，毅然決然從光學玻璃轉移到光學陶瓷領域。當時我剛進入研製團隊，研製團隊人員非常少，大概有五個人。
當時我對趙老師的轉行非常疑惑，於是問他為什麽要轉行？趙老師說，他認為陶瓷材料的發展非常迅猛，而且大有代替光學玻璃的趨勢。
當時他帶領著我們幾個人進行碳化矽陶瓷的研製工作。在這裡，我給大家介紹兩個內容，一是素坯的研製，當時國際上選用的是素坯壓製加機壓的方法。
這種方法存在的最大問題就像做月餅一樣，從做一個小尺寸的月餅，到做一個大尺寸月餅的過程中，月餅的內應力發生改變，月餅的形狀非常難保證。素坯壓製加機壓的方法就存在形狀難以保證的情況。
我們選擇做豆腐的方式，把經過點鹵的漿料注入到模具當中，然後點過鹵的漿料從流動的漿料狀態變成膠體狀態，最後成為需要的形狀，不管多大尺寸，其形式和工藝都是一致的。
二是它的致密化，只有致密的材料才能夠加工成我們所需要的光學反射面。在這個過程中采取的工藝是燒結收縮工藝，打個比方，比如一塊海綿，是多孔的狀態，想讓它致密就需要把它像壓縮餅乾一樣壓緊，最終從一個手掌大的海綿變成了可能只有手指頭大的一個固體。這個過程出現的最大問題是什麽？它的燒結收縮大概達到了20%，在這個過程當中可能會出現一些變形或者是開裂。
我們當時經過很多討論，排除很多方案，最終確定了方案。當時在方案制定的時候，實際上我們是受到了一個禪師故事的啟發。
故事的內容大概是:一個禪師和一個信徒聊天，他抓了一把石頭裝到杯子裡面，裝滿後問信徒：杯子滿了沒有？信徒說肯定滿了。這時，禪師又抓了一把沙子慢慢地裝進杯子，他又問信徒杯子滿了沒有？這時候，信徒就不太自信了，想了一會兒，說這次應該是滿了，但是，這時候禪師又拿了一杯水，慢慢地倒進了杯子，之後再問信徒，信徒就不敢回答了。
從這個禪師的故事裡，我們得到的啟示是一個物體的致密化燒結不一定要靠收縮來完成。我們可以通過填充的方式使它致密，就像禪師裝了石子，又裝了沙子，最後又裝水的過程。當然在填充物體的選擇，包括它的界面設計、工藝的優化方面，也是非常有難度的。
基於16年的研究，我們現在完成了大尺寸碳化矽反射鏡的工藝研製，而且也建立了大尺寸碳化矽反射鏡平台的研究。現在，我們所研究的碳化矽陶瓷應用在多個型號任務當中，如畫面中顯示的“吉林一號”。
”吉林一號“是我國自主研發的第一顆高分辨率商用衛星，它的在軌分辨率達到了0.7米。這顆衛星也是我們長春光機所下屬公司長光衛星公司研製的，它採用的就是碳化矽陶瓷。
2015年10月7日，它實現了一箭四星的發射，由於採用了碳化矽陶瓷，節約了成本，而且也大大提高了發射效率。
它在軌拍攝了很多照片。如圖，這是一個港口的照片，我們可以很清楚地分辨船隻的大小，貨櫃的數量，包括拖貨櫃的車的分布。
另外在之前馬航謠言事件中，長光衛星“吉林一號”也得到了一些應用。當時有謠言說，柬埔寨境內某個經緯度裡有馬航MH370的殘骸。得到消息之後，長光衛星（公司）把“吉林一號”調到了這個位置，並未發現殘骸，所以謠言也就不攻自破。
長光衛星——光機所下屬的公司，未來規劃到2020年有60顆在軌衛星，到2030年有138顆在軌衛星，這樣便可以保證世界的任何一個位置，衛星的重複時間小於十分鐘，會對我們的生活生產提供非常大的幫助。
碳化矽陶瓷也應用在了2米地基望遠鏡上，2米地基望遠鏡與雲南天文台2.16米望遠鏡尺寸持平。這台相機已經出所，即將投入使用。
另外，我們的相關成果也被應用在2018年7月31日發射的高分十一號衛星當中。
如圖，這是2016年我們團隊與研製成功的4米量級的碳化矽反射鏡的合影。
從照片中可以看到這個黑乎乎的東西不像是一塊反射鏡，當時，我們給它取了個“出土文物”的外號，因為感覺它像從地裡挖出來的。
這件事的完成也經歷了非常坎坷的研製周期，研製過程我們付出非常多的心血。經過兩年的加工，這塊反射鏡已經完成了最終的表面加工和改性。2018年8月，這塊反射鏡完成了項目驗收。這塊反射鏡最終也會被應用在我們地基大型光學光電系統當中。
隨著這塊反射鏡研製成功，我的老師趙文興研究員也完成了他整個碳化矽的研製生涯，功成名就退居二線，把接力棒交到了我的手裡。作為光學材料領域的接班人，我也會帶領我們團隊，發揚我們長光老一輩科學家的精神，把中國的光學材料事業繼續發展下去，為中國光學儀器的發展貢獻一份自己的力量，謝謝大家。（來源： SELF格致論道講壇）
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